Е.Главная страницаЕ Проекты ЕТепловизионная диагностика

СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИИ

И. Олихов, Л. Косовский

Мобильная лазерная трехцветная навигационная система Ц надежность в экстремальных ситуациях.

Требования к современному навигацион­ному оборудованию для ориентации ле­тательных аппаратов, а также морских и речных судов очень высоки: оно должно быть надежным, эффективно обеспечивать ориентацию в любое время суток даже в экстремальных метеоусловиях и, что немаловажно, не причинять вреда здоровью людей. Разработчикам новой ла­зерной трехцветной навигационной системы удалось совместить в ней все эти достоинства благодаря импульсным полупроводниковым лазерам с электронной накачкой. Низкое энергопотребление, малый вес и габариты позволяют быстро разворачивать такие системы как дополнительное средство обеспечения безопасности посадки самолетов, проводки судов в сложных метеоусловиях или использовать их там, где нет стационарных систем навигации. Чтобы оценить актуальность таких систем для России, достаточно взглянуть на географическую карту. Хорошие перспективы открываются и для их продвижения на мировой рынок, чему в немалой степени способствует новизна и патентная чистота разработки.

Преимущества лазерных средств навигационного обору­дования (ЛСНО) по сравнению с основанными на традиционных источниках света хорошо известны [1]: узкая спектральная полоса лазерного излучате­ля значительно увеличивает заметность излучения на фоне других огней и обеспечивает большую дальность видимости, особенно днем, в сумерках и при других неблагоприятных условиях. Благодаря узкой диаграмме направленности возрастает точность формирования глиссад, створов и секторов. Существенно выше у них и КПД, поскольку ЛСНО не нуждаются в цветовых узкополос­ных фильтрах.

Однако подобные системы имеют и серьезные недостатки, которые, в основном, объясняются использованием в большинстве из них газовых лазеров. Так, КПД газовых лазеров очень низок (не более 0,1%), что требует применения источника питания мощностью в несколько киловатт. Весьма ограничен их цветовой диапазон, особенно в желтокрасной области спектра. А чтобы избежать потери ориентации в темных зонах, образующихся при переходе от одной цветовой зоны к другой, приходится ис­пользовать прецизионные оптические и сканирующие системы, обеспечивающие непрерывность перехода. ЛСНО на основе газовых лазеров достаточно громоздки: их массогабаритные характеристики возрастают пропорционально числу цветовых зон (практически на каждую длину волны требуется свой лазерный источник или, при многоцветном источнике, своя система сканирования). К тому же они весьма чувствительны к внешним воздействиям и нуждаются в постоянном обслуживании. Еще один существенный недостаток газовых лазеров - вредное воздействие их излучения, обладающего высокой когерентностью, на глаза и организм человека в целом. Такое воздействие связано не только с оптической плотностью мощности излучения - даже маломощное излучение He - Ne -лазера (L=0,63 MKM ) понижает свертываемость крови и вызывает другие неблагоприятные для здоровья последствия [2].

Все эти недостатки можно устранить, используя импульсные полупроводниковые лазеры с электронной накачкой (ИПЛЭН) [3]. По КПД (до 10%) они близки к высокоэффектив­ным полупроводниковым инжекционным лазерам, а им­пульсная мощность их излучения достигает десятков мегаватт на любой длине волны в диапазоне от ближнего ультра­фиолета (0,37 мкм) до ближней инфракрасной области спектра (1,1 мкм). Ширина спектра излучения ИПЛЭН (десятки ангстрем) много меньше, чем у обычного светового источника, но на четыре порядка выше, чем у газового лазера - излучение не когерентно, хотя и высоко-хроматично. Благодаря этому навигационные системы, основанные на ИПЛЭН, обладают всеми преимуществами ЛСНО и безвредны, как обычные световые источники. К тому же, они имеют малые габариты и потребляемую мощность и не требуют систем охлаждения (рис. 1).

Как устроены ЛСНО на базе ИПЛЭН? Для формирования трех цветовых зон на мишени лазера размещают три пластины, обеспечивающие генерирование в трех диапазонах длин волн: 0,51-0,53 мкм (зеленый), 0,56-0,58 мкм (желтый) и 0,63-0,66 мкм (красный). Если на выходе лазера не устанавливать никаких оптических элементов, то в дальней зоне будет наблюдаться излучение бе­лого цвета из-за классического смешения трех основных цветов. При размещении излучающей поверхности в фокусе объектива ее изображение перено­сится на бесконечность и смешения не происходит. Изменяя геометрию излучающих площадок, можно подбирать угол раствора лазерного луча, сохраняя при этом угловую энергетическую плотность излучения. Угловой размер каждого цветового спектра (определяется как , где I - размер мишени, F - фокусное расстояние объектива [4]).

Все функциональные узлы ЛСНО, кроме вынесенного аккумулятора (12 В) и индикатора дальномера, размещены в герметичном корпусе. Его габарит­ные размеры - 350x450x800 мм, вес - 35 кг. Блок-схема ЛСНО приведена на рис. 2. Первичный источник питания (1) преобразует напряжение питания (постоянное 12-27 В или переменное 220В, 50 Гц) в импульсное напряжение 7,5 кВ, которое подается на высоковольтный импульсный источник накачки (2), формирующий импульсы длительностью ~5 не и напряжением 250 кВ. Блок уп­равления (3) задает частоту повторения импульсов и режим работы: либо одиночные им­пульсы, либо пачки импульсов. С источника накачки импульс­ное напряжение подается на ка­тод трехцветного ИПЛЭН (4).

Рис. 1. Экспериментальный образец ЛСНО.

Рис. 2. Блок-схема ЛСНО

Излучение лазера поступает на оптический блок (5) и затем вы­водится через объектив (6). Часть оптического излучения фиксируется фотоприемником блока встроенного контроля (7).

Импульсный режим работы ЛСНО позволяет определять расстояние до объекта. Фотоприемник блока встроенного контроля формирует опорный сигнал в момент излучения, который подается на блок измерения дальности (8). Отраженный от уголкового отражателя оптический сигнал, пройдя объектив, попадает на фотоприемник (9), электрический сигнал с которого также подается на блок измерения дальности. Устройство вычисляет временную задержку между моментом излучения и моментом приема сигнала tc, а также расстояние до объекта L =( t c - t 0 ) c /2. Погрешность измерения DL зависит от длительности переднего фронта импульса (при t =1 нс DL =0,15 м). Дальность действия дальномера определяется мощностью излучения, отражающегося от уголкового отражателя, и поро­гом чувствительности фотопри­емного устройства. Как показы­вает оценка, при использовании в качестве фотодетектора быстродействующего фотодиода дальность действия на расстоянии до 10 км равна метео­рологической дальности види­мости (Двм)*, а свыше 10 км -Двм/2. Применение ФЭУ обес­печивает дальность действия 1,5-2 Двм.

* Метеорологическая дальность видимости - расстояние, на котором объект перестает восприниматься зрением при конкретном состоянии атмосферы.

Одна из основных характеристик ЛСНО - дальность видимости ее излучения. Ее величина определяется мощностью излучения на выходе ЛСНО, потерями сигнала в атмосфере (коэффициент пропускания атмосферы), угловой расходимостью излучения и пороговой чувствительностью зрения (минимальная освещенность, воспринимаемая глазом). Порог световой чувствительности глаза в первую очередь зависит от цвета (длины волны), яркости фона (фоновой засветки) и времени воздействия. Из-за инерционности зрения импульсный сигнал заметен с гораздо меньшей дистанции, чем постоянный источник света при той же плотности оптической мощности [6]:

Е пи = Е п ( 1 + t гл /t и )

где Е пи - пороговая чувствительность глаза при импульсном излучении,

Еп - пороговая чувствительность при непрерывном излучении,

t и - длительность светового им­пульса,

t гл - инерционность глаза (ночью - 0,16 с, днем - 0,05 с).

Длительность светового импульса в ИПЛЭН составляет 3 нс., поэтому пороги чувствительности достаточно низки. Однако даже двух трехкратное повторение импульсов с периодом Т, существенно меньшим инерционности глаза ( T < t гл ), равноценно увеличению длительности светового импульса до долей Т (t и ~10 -4 c ). В результате порог чувствительности повышается на несколько порядков. Иными словами, дальность видимости ЛСНО на основе ИПЛЭН можно существенно повысить, формируя пачки из нескольких импульсов с интервалом между ними не менее 0,05 с.

Расчеты показывают (рис. 3), что в режиме одиночного импульса дальность обнаружения всех цветовых зон ночью составляет более 20 км. Лучше всего видна желтая зона. Дальность ее видимости превышает метеорологическую (при Двм -0,25-5 км) днем в 1,1-2 и ночью - в 2-3,5 раза. Наихудшие показатели у красной цветовой зоны: днем максимальная дальность ее видимости превышает метеорологическую только при Двм<2 км, а ночью достигает 20 км при Двм=20 км. При работе пачками из трех импульсов максимальная дальность видимости всех цветов в любое время су­ток больше метеорологической, причем при очень плохих метеоусловиях (Двм=0,05-1 км) - в четыре - шесть раз.

Рис. 3. Расчетная и экспериментальная дальность видимости излуче­ния ЛСНО ( L ) при различных значениях метеорологической дальности видимости Двм. Мощность излучения; зеленого (0,51 мкм) и желтого (0,57 мкм) - 1 МВт, красного (0,63 мкм) - 1,4 МВт. Углы расходимости в вертикальной плоскости - 5°, в горизонтальной: для зеленого и крас­ного - 3°, для желтого - 1°. Расчет порогов чувствительности глаза проводился на основании [5, 6]. Вертикальными линиями отмечены экспериментальные данные. Начало отрезков - первое обнаружение излучения ЛСНО, конец отрезков - устойчивое наблюдение.

Рис. 4. Схема формирования глиссады.

Расчетные данные полностью подтверждены результатами летных испытаний, в ходе которых определялась дальность обнаружения лучевого коридора, создаваемого ИПЛЭН, при заходе летательного аппарата на посадку в простых и сложных метеоусло­виях, днем и ночью. На борту использовалась стандартная контрольно-измерительная аппаратура. Визуальный контроль видимости источника света проводили инженеры-экспериментаторы совместно с экипажем летающей лаборатории. Наклонные дальности опреде­лялись по радиосистеме ближней навигации при первом обнаружении импульса света и при его устойчивом наблюдении. Значения метеорологичес­кой дальности видимости вы­давала метеостанция аэродрома. ЛСНО работало в режиме одиночных импульсов на часто­те 3-5 Гц. При посадке летчик видел светящуюся точку одного из трех цветов: зеленого - на глиссаде, желтого - выше и красного - ниже глиссады (рис. 4). Угол раствора центрального зеленого сектора ЛСНО на высоте принятия решения (Нреш) об уходе на второй круг соответствовал предельно допустимым линейным отклонениям от глиссады

(на высоте Нреш=12 м a1 = 40-60 ' ). Угол раствора лучей в горизон­тальной плоскости составлял 5°, а угол наклона глиссады -2°40'.

По данным, полученным в ходе летного эксперимента (рис. 3, вертикальные линии на графике), дальность видимости излучения трех различных цветов примерно одинакова, хотя днем несколько больше дальность обнаружения зеленого, а ночью - красного. Средняя дальность устойчивого наблю­дения ночью (метеорологическая видимость 10 км) составила 15 км, солнечным днем при дымке (дальность видимости 8 км) - 6 км, днем при снеге (дальность видимости 1,5-2 км, подстилающая поверхность - ровный белый снег) - 2,5 км. Таким образом, система формирует вдоль глиссады световые зоны трех различных цветов с заданными угловыми разме­рами и геометрической формой. Она выдает визуальную и инструментальную информацию о наклонной дальности до летательного аппарата и его местоположении в цветовой зоне. При установке вдоль взлетнопосадочной полосы (на полосах безопасности) ЛСНО обеспечивает безопасный пробег и рулежку после приземления летательного аппарата. Благодаря низкому энергопотреблению, малому весу и габаритам эта высокоэффективная навигационная система может быть быстро развернута в стационарных аэропортах как дополнительное средство посадки летательных аппаратов в экстремальных метеоусловиях и использоваться как основное средство на любых площадках, не оборудованных системами навигации.

Сфера применения ЛСНО на основе ИПЛЭН отнюдь не ограничивается авиацией. Такие системы могут с успехом использоваться как средство речной и морской навигации, в частности в акваториях портов со сложным рельефом местности, при подходах к узостям, плохой видимости, мешающих посто­ронних засветках, а также в ка­честве резервных при выходе из строя энергосистем основ­ных маяков.

Многоцветный полупроводниковый лазер позволяет устранить главную проблему светосигнальных маяков - увеличение центральной световой зоны при увеличении дистанции между маяком и судном, в результате чего возникает опасность отклонения последнего от оси створа. Созданный на его основе створный маяк (ЛСМ) формирует центральный створ в виде коридора заданной ширины [7]. Маяк состоит из двух двухцветных ЛСМ, разнесенных на ширину коридора (рис. 5). Один ЛСМ формирует секторы желтого и красного цветов, а другой - желтого и зеленого. При этом ЛСМ располагают так, что их желтые лу­чи пересекаются в створной полосе, а остальные проходят с внешних сторон коридора. Кроме того, если крайние лучи желтых зон параллельны крайним лучам зеленой и красной зон (см. рис. 5), боковые зоны также принимают форму коридоров постоянной ширины. Между красной (зеленой) и желтой цветовыми зонами образуются промежуточные зоны (секторы), где видны оба цвета - это дает дополнительную ори­ентировку. Чтобы избежать появления "мертвых" зон, маяки относят на небольшое расстояние в глубь материка. Мобильность и автономность питания ЛСМ позволяют развернуть несколько таких маяков на длинном и сложном фарватере.

Рис. 5. Построение створного маяка но основе двухцветных ЛСНО.

Перспективно применение ЛСНО на основе ИПЛЭН и в ка­честве курсовых маяков (ЛКМ). Для этого формируются непе­ресекающиеся зоны трех цве­тов, примыкающие друг к другу. Боковые зоны показыва­ют направление отклонения судна от курса. Важное свойст­во импульсных ЛСНО - возмо­жность определения расстоя­ния между маяком и судном. Для измерения дальности дос­таточно установить на судне уголковый отражатель, а ЛСМ укомплектовать системой пере­дачи информации по запросу. По запросу с судна могут вклю­чаться и сами маяки.

В целом, навигационное оборудование на базе ИПЛЭН имеет самые широкие перспек­тивы применения для повыше­ния безопасности проводки подвижных объектов, прежде всего летательных аппаратов, а также речных и морских судов, в сложных метеоусловиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зуев В.Е., Фадеев В.Е. Лазер­ные навигационные устройства. -М.: Радио и связь, 1987.

2. Лазеры в медицине. - М.: Нау­ка, 1998.

3. Олихов И.М. ИПЛЭН. Новое поколение приборов квантовой электроники. - Электроника: НТБ, 1998, №3-4.

4. Патент РФ № 2 063 097 на изобретение "Лазер", приоритет от 22.03.1994 г.

5. Луизов А.В. Глаз и свет. - Л.: Энергоатомиздат, 1983.

6. Басов Ю.Г. Светосигнальные устройства. - М.: Транспорт, 1993.

7. Патент РФ № 2 083 444 на изобретение "Оптическое нави­гационное устройство", приори­тет от 22.03.1994 г.

 

Журнал: ЭЛЕКТРОНИКА Ц Наука, Технология, Бизнес 3/99.