CC BY
103
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070
УДК 621.375
Ефимов В.О.
инженер АО «Швабэ» г. Казань, РФ, ейтоу_94@тай. ги Сарварова Л.М. старший преподаватель КНИТУ-КАИ,
г. Казань, РФ Тяжелова А.А. студентка КНИТУ-КАИ г. Казань, РФ
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ
ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Аннотация
Лазерные локационные системы в общем случае решают задачу поиска, обнаружения, определения координат, параметров движения воздушно-космических, наземных или подводных объектов. Их специфика связана в первую очередь с использованием лазерных источников излучения, что обеспечивает высокую эффективность решения задач, традиционных для радиолокации. В предлагаемой статье будут рассмотрены общие принципы построения лазерной локационной аппаратуры и изучен вопрос о возможности их удовлетворения требованиям мобильности.
Ключевые слова
Лазерные локационные системы, точностные и энергетические характеристики, мобильность,
стадии проектирования, порядок расчета
В общем случае проектирование мобильного лазерного локатора сопровождения (МЛЛС), как проектирование иной локационной системы (ЛС), состоит из определения принципа действия системы, выбора вида и метода зондирующего сигнала, способа обработки принимаемых сигналов, конструирования отдельных блоков разработки технологии их изготовления и методов контроля.
В последнее время с учетом конкретности применения ЛС и возрастанием требований к ним становится все более актуальной проблема создания оптимальных ЛС. Основным параметром, критерием качества, определяющим оптимальность ЛС, является эффективность его функционирования, которая в свою очередь, зависит от совокупности таких параметров, как вероятность решения задачи при заданных условиях функционирования и тактике применения, живучесть комплекса и т.д. [1]. Значения этих параметров и условия функционирования комплекса формируются в виде технического задания для функционально-логического проектирования. В полном объеме задача проектирования и оптимизации ЛС решается в несколько этапов, основными из которых являются: предэскизный, эскизный и технический.
Первый этап проектирования начинается с получения ТЗ на разработку, в котором формируется назначение ЛС и требования к основным тактическим и техническим параметрам системы. В результате создается аван-проект системы. На втором и третьем этапах осуществляется эскизный и технический проекты системы [2, 3]. Задача проектирования ЛС на этапе создания аван-проекта заключается в выборе функциональной и структурной схем системы в целом, удовлетворяющим совокупности сформулированных в ТЗ требований с наилучшим критерием качества.
Решение поставленной выше задачи можно разбить на три этапа [4]: синтез системы; анализ системы; параметрическая оптимизация.
На первом этапе определяется оптимальный алгоритм работы ЛС, в результате чего выбирается режим
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
работы передатчика, систем первичной (оптоэлектронной) и вторичной («чисто» электронной) обработки информации и ее документирования.
На втором этапе синтеза выделяется совокупность параметров ЛС достаточно ее характеризующих и определяющих ее критерий качества. Как правило, критерий оценки - это соотношение степени достижения целей, поставленных ТЗ, к ее стоимости.
На третьем этапе синтеза производится оптимальный выбор структурных схем блоков и всей ЛС из конечного числа вполне определенных вариантов с учетом специфических требований к конструктивно-технологической части ТЗ.
Для ЛС варьируемыми параметрами могут быть [3] длина волны X и расходимость 9д лазерного излучения передающего устройства, угол поля зрения 9д приемного устройства, максимальная дальность действия Rmax, среднеквадратические ошибки измерения дальности Gr и угловых координат ca,ß, потребляемая системой мощность Ре, масса М и стоимость С. Параметры Gr, Ga,ß, Ре, М и С определяют качество ЛС в наибольшей степени и могут использоваться как составляющие вектора качества проектируемой системы.
Целью настоящей работы является разработка теоретических положений и методологических подходов, которые могли бы стать основой для проектирования достаточно широкого круга мобильных лазерных систем указанного класса.
Особые условия эксплуатации МЛЛС - крепление на шасси грузового автомобиля и возможность переброски в различные районы страны воздушным транспортом. МЛЛС должен входить как составная часть в передвижной телевизионный траекторный комплекс.
Для достижения поставленной цели в соответствии с изложенной выше идеологией проектирования необходимо решить следующие задачи:
1. Синтезировать оптимальную структуру МЛЛС, т.е. осуществить выбор оптимальных принципов ее построения.
2. Выбрать оптимальные значения технических параметров МЛЛС.
3. Выбрать оптимальный вариант построения системы из конечного числа определенных вариантов.
В процессе решения этих задач должны учитываться конструктивно-эксплуатационные и
технологические ограничения, а также область допустимых значений параметров МЛЛС.
К основным тактическим характеристикам МЛЛС [2-4] относятся: дальность действия, угол обзора, точность определения координат, разрешающая способность по дальности и угловым координатам, помехозащищенность, надежность эксплуатации. Все перечисленные тактические характеристики определяются целевым назначением МЛЛС. К техническим характеристикам, обеспечивающим заданные тактические характеристики, относят рабочую длину волны, импульсную (среднюю) мощность, длительность и частоту повторения импульсов излучения, чувствительность приемника, коэффициент направленности оптической системы, массо-геометрические параметры и т.д.
Возможная схема расчета основных технических характеристик МЛЛС показана на рис. 1.
Дальность действия МЛЛС - предельное расстояние до объекта, на котором обеспечивается обнаружение объекта, определение его координат и параметров движения с заданной точностью. С учетом значительного ослабления лазерного излучения атмосферой, а также интенсивного фона внешних источников можно сказать, что уже при средних дальностях действия МЛЛС Rmax =10 км надежную работу локатора, исключая мощные лазеры непрерывного действия, могут обеспечить только лазеры, работающие в импульсном режиме [5-8].
Точность определения дальности импульсными МЛЛС зависит от точности измерения времени запаздывания отраженного от объекта сигнала по отношению к зондирующему. При длительности импульса 10-50 нс ошибка измерения может составлять (без учета влияния атмосферы) 1,5-7,5 м. При работе передатчика в непрерывном режиме эта ошибка может быть существенно ниже, что объясняется принципиальными и схемо-техническими особенностями построения их трактов измерения дальности
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
(фазовая, частотная модуляция, высокая точность схем измерения разности фаз и т.д.) [9-11].
Точность определения угловых координат объекта без применения схем пространственной фильтрации равна полуширине диаграммы направленности излучения 9д/2 и с учетом высокой направленности излучения лазерного передатчика лежит в диапазоне 10^-10-5 радиан. Как правило, при работе в условиях реальной атмосферы с механическими системами наведения не обладающими высокими точностями это значение на 1-2 порядка хуже. В этом случае возможно использование датчиков угла поворота на базе лазерных двухчастотных излучателей [12, 13], что позволит обеспечить точность измерения до единиц угловых секунд без учета грубой ошибки первичного контура наведения, например, поворотной платформы на воздушных трансформаторах.
Рисунок 1 - Возможный вариант расчета основных технических параметров ЛЛС
Разрешающая способность по дальности МЛЛС - способность обнаруживать и определять координаты нескольких объектов, находящихся на различном расстоянии от передатчика, но с одинаковыми угловыми координатами (количественно сравнима с ошибкой измерения дальности).
Разрешающая способность по угловым координатам количественно оценивается тем минимальным углом между направлениями на два различных объекта, находящихся на одинаковых дальностях, при которых объекты обнаруживаются раздельно и устанавливаются их координаты (оцениваются как величина полуширины диаграммы направленности лазерного излучения). Не следует забывать, что выбор диаграммы направленности во многом зависит от угла обзора, точности механических систем наведения, сканирующих устройств.
На начальном этапе проектирования, исходя из указанных выше тактических характеристик,
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
необходимо определить основные технические характеристики МЛЛС, параметры его функциональных узлов. Искомые целевые функции в основном определяются назначением МЛЛС и техническими требованиями, изложенными в задании на проект [14-18].
Ознакомившись с основными характеристиками МЛЛС и их взаимосвязями, можно переходить к его синтезу.
Список использованной литературы:
1. Molebny V., et al. Laser radar: historical prospective - from the East to the West // Opt. Eng. 2016. V. 56. № 3. P. 031220.
2. Молебный В.В. Оптико-локационные системы. М.: Машиностроение, 1981. 181 с.
3. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проекти-рования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983. 207 с.
4. Васильев С.В. и др. Перспективные методы и средства траекторных измерений. Казань: Новое знание, 2005. 128 с.
5. Зуев В.В., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере в условиях помех. М.: Сов. радио, 1977. 368с.
6. Ефимов В.О. и др. Оптическая рефракция и модельные методы учета ее влияния на характеристики дальномерного тракта лазерного локатора слежения // Инженерный вестник Дона. 2017. №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n3y2017.
7. Ефимов В.О. и др. Дисперсионный метод учета статической и динамической рефракции для дальномерного тракта лазерного локатора слежения // Инженерный вестник Дона. 2017. №3. URL: ivdon.ru/magazine/ archive/n3y2017.
8. Ефимов В.О. и др. Методы компенсации влияния атмосферной турбулентности на точность измерения угловых координат в лазерных локаторах слежения // Научно-технический вестник Поволжья. 2017. №4.
9. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. ЛЧМ-лидар с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 12. С. 1871.
10.Ильин Г.И. и др. Блок импульсной накачки лидарных комплексов // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 5. С. 762.
11. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Исследования ЛЧМ-лидара с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 2. С. 435.
12. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Особенности построения электрооптических амплитудно-фазовых формирователей двухчастотного лазерного излучения для дифференциальных ЛЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 5. С. 513.
13.Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Применение амплитудно-фазо-вого преобразования частоты лазерного излучения для создания специальных схем ЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 4. С. 360.
14. Morozov O.G., et al. Mobile leak detection systems for oil product pipelines // Proc. SPIE. V. 3588. 1999. P. 9098.
15. Petuchov V.M., et al. Lidar technologies application to leakage detection in oil product pipelines // Proc. SPIE. V. 3588. P. 81-89.
16.Natanson O.G., et al. Reflectometry in open and fiber mediums: technology transfer // Proc. SPIE. 2005. V. 5854. P. 205-214.
17.Nikolaev A.M., et al. Intellectual parachute and balloon systems based on fiber optic technologies // Proc. SPIE. 2014. V. 9156. P. 91560B.
18.Nikolaev A.M., et al. Fiber optic sensors for parachute systems monitoring // Proc. SPIE. 2010. V. 7523. P. 752308.
© Ефимов В.О., Сарварова Л.М., Тяжелова А.А., 2017
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
УДК 621.375
Ефимов В.О.
инженер АО «Швабэ» г. Казань, РФ, efimov_94@mail. ru Сарварова Л.М. старший преподаватель КНИТУ-КАИ,
г. Казань, РФ Тяжелова А.А. студентка КНИТУ-КАИ г. Казань, РФ
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАЛЬНОМЕРНОГО КАНАЛА МОБИЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Аннотация
К задачам предэскизного проектирования дальномерного канала мобильных лазерных локационных систем (МЛЛС), которые будут рассмотрены в настоящей статье, относятся: выбор типовой схемы импульсного лазерного дальномера (ИЛД); определение основных требований к блокам ИЛД и выбор элементной базы для их построения; определение параметров лазерного передающего устройства (ЛПУ); определение параметров фотоприемного устройства (ФПУ). Главными звеньями, определяющими энергетические и точностные характеристики ИЛД являются ЛПУ и ФПУ. Разработка принципов построения этих блоков относится к стадии проектирования отдельных подсистем и блоков и рассмотрена более детально в синтезированной укрупненной структурной схеме ИЛД МЛЛС.
Ключевые слова
Мобильная лазерная локационная система, импульсный лазерный дальномер, лазерное передающее устройство, фотоприемное устройство, выбор элементной базы
Типовая структурная схема ИЛД [1-4] представлена на рис. 1. Принцип работы дальномера состоит в следующем. Излучение импульсного лазера 2, работающего в режиме модуляции добротности, фокусируется передающей оптической системой 3 и направляется в сторону объекта 5.
Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ИЛД: 1 - система накачки и управления лазера, 2 - импульсный лазер, 3 - передающая оптическая система, 4 -опорный фотодетектор, 5 - объект, 6 - пороговый детектор, 7 - усилитель, 8 - фотодетектор сигнальный, 9 - приемная оптическая система, 10 - измеритель временных интервалов, 11 - индикатор дальности
