Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных характеристик источников света и их применение в зрительных навигационных системах 15
1.1. Применение ламп и суперярких светодиодов 15
1.2. Применение лазерных источников света 20
1.3. Применение полупроводниковых источников света: лазера с накачкой сканирующим электронным пучком и суперярких светодиодов 27
Глава 2. Метод расчета параметров диаграммы направленности монохро матического светового поля 35
2.1. Уравнение Аллара 35
2.2. Разработка метода расчета параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля 37
2.3. Расчет параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком 54
2.4. Расчет параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе суперярких светодиодов 58
2.5 Определение параметров переходного сектора 78
Глава 3. Метод построения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком 85
3.1. Анализ методов построения зрительного навигационного комплекса 85
3.2. Разработка канала наблюдения 101
Глава 4. Метод построения зрительного оптико - электронного навига ционного комплекса на основе суперярких светодиодов 137
Глава 5. Создание и внедрение зрительных оптико - электронных навига ционных комплексов 166
5.1. Навигационный комплекс на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком 166
5.2. Навигационный комплекс на основе суперярких светодиодов 177
5.3. Результаты проведения натурных исследований зрительных оптико -электронных навигационных комплексов 178
5.3.1. Результаты исследований комплекса на основе полупроводникового лазера 179
5.3.2. Навигационный комплекс на основе суперярких светодиодов 181
Заключение (основные результаты и выводы) 193
Список литературы 195
Приложение 1
- Применение лазерных источников света
- Разработка метода расчета параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля
- Разработка канала наблюдения
- Навигационный комплекс на основе суперярких светодиодов
Введение к работе
Введение Актуальность работы
Развитие средств зрительной навигации зависит от совершенствования применяемых для их создания источников света. Со второй половины XX века и до настоящего времени применялись, в основном, различные типы электрических ламп. Начиная с 60 - х годов, ведутся работы по использоваию для этих целей лазерных источников света, а в последнее десятилетие - полупроводнковых суперярких светодиодов. Первый лазерный маяк был испытан в 1965 году в порту Карумба (Кливленд, Австралия).
Свойства лазерного излучения, определяющие предпочтительность его использования в средствах зрительной навигации по сравнению с электрическими лампами, следующие: высокая степень монохроматичности, спектральная яркость и малая угловая расходимость пучка излучения.
Конструкции лазерных маяков, обеспечивающих визуальную ориентацию по прямому излучению, предусматривают применение;
дефлекторов (маяки «Анемон», 1990 г. и «Анемон - 2», 2000 г., Московской государственной академии водного транспорта);
механических модуляторов (отечественный маяк ЛСУ - 56,80 - е годы и маяки фирмы DessaSurwey Limited, 1972г.);
диспергирующих оптических систем (лазерный створный маяк, порт Роттердама, 70 - е годы).
Введение 5
Существуют маяки, обеспечивающие визуальную ориентацию по рассеянному атмосферой излучению коллимированного горизонтально направленного лазерного пучка (лучевой створ центра береговой охраны США, Громан, 1972 г.) [23].
Лазерные системы зрительной навигации решили проблему повышения точности ориентации от десятков до единиц метров, в зависимости от удаления корабля.
Однако выявлены недостатки, присущие разработанным зрительным навигационным системам, вне зависимости от применяемых типов лазеров (газоразрядных, твердотельных, инжекционных и др.): временная и температурная нестабильность, сложность изготовления электромеханических и пьезоэлектрических узлов, невозможность ориентации по рассеянному атмосферой излучению в светлое время суток.
Автором предлагаются два пути устранения этих недостатков.
Первый исключить из конструкции электромеханические и пьезоэлектрические узлы. Создание в пространстве светового поля с помощью развертки лазернго пучка осуществлять при помощи полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком путем формирования режимов развертки и управления интенсивностью пучка электронов. Такой лазер был разработан в 1973 году Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. С. Насибовым [19]. Синхронизация управления разверткой по пространству и интенсивностью лазерного пучка с определением положения и параметров движения корабля позволит расширить функции навигационного комплекса за счет их использования при формировании светового поля, служащего для зрительной ориентации.
Введение
Второй - исключить лазер и систему сканирования, заменив их группой взаимно ориентированных излучателей, структура которой соответствует требуемому для решения навигационной задачи делению области пространства на независимые монохроматические световые поля. Требования обеспечения необходимого диапазона цветового тона (10 * 20 нм), высокой спектральной яркости, малых габаритных размеров, экономичности можно реализовать, применив в качестве источников света в излучателях суперяркие свето диоды.
На момент начала работы над диссертацией имелись публикации по применению полупроводниковых лазеров с накачкой сканирующим электронным пучком в устройствах воспроизведения изображения и суперярких светодиодов - в светосигнальных установках. Публикаций по использованию полупроводниковых лазеров с накачкой сканирующим электронным пучком для решения задач зрительной навигации в печати не было. Применение суперярких светодиодов в светосигнальных установках не позволяло формировать разделенные в пространстве монохроматические световые поля с взаимным перекрытием порядка 20 -з- 30 метров, определяемым характерной шириной корпуса корабля, на всем протяжении дальности видимости.
Следовательно, возникает актуальная необходимость разработать метод расчета параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля с учетом характеристик источника света и оптической системы, влияния атмосферы и условий наблюдения для оценки эффективности применения разрабатываемых комплексов. Используя метод расчета, разработать методы построения зрительных оптико - электронных навигационных комплексов:
Введение
на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком, обеспечивающего точность визуальной ориентации по световому полю менее 2 метров для решения задачи проводки корабля по сложному фарватеру;
на основе суперярких светодиодов, формирующего раздельные монохроматические световые поля с взаиным перекрытием порядка 20 -г 30 метров, для обеспечения безопасного плавания в прибрежной зоне.
На основании вышеизложенного можно сформулировать цель работы и задачи исследований.
Цель работы
Основная цель работы - проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на разработку методов построения, создание и внедрение зрительных оптико - электронных навигационных комплексов нового поколения на основе полупроводниковых источников света.
Задачи исследований
Для выполнения поставленной цели автору необходимо было решить следующие основные задачи:
1) анализ литературных и экспериментальных данных использования в навигационном оборудовании различных источников света и построения на основе полупроводниковых источников света (лазера с накачкой сканирующим электронным
Введение
пучком и суперярких светодиодов) зрительных оптико - электронных навигационных комплексов;
разработка метода расчета параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля, учитывающего характеристики источника света и оптической системы, влияние атмосферы и условий наблюдения;
разработка метода построения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком;
разработка метода построения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе суперярких светодиодов;
создание и внедрение навигационных комплексов на основе предложенных автором полупроводниковых источников света.
Методы исследования
При проведении исследований автором использовались:
модель ослабления излучения слоем рассеивающей среды (закон Бугера);
модели атмосферы (модуляционные передаточные функции аэрозольной и турбулентной атмосферы);
модель построения оптической системой изображения (принцип Гюйгенса -Френеля, преобразования Фурье);
метод визуального определения цвета светового поля навигационного комплекса.
Введение 9
Научная новизна
Научный характер разработки методов построения зрительных оптико -электронных навигационных комплексов нового поколения подтверждается анализом литературных, расчетных и экспериментальных данных обоснования применения полупроводниковых источников света с целью повышения безопасности проводки кораблей по сложным фарватерам и в прибрежной зоне.
Предложены и реализованы автором:
а) метод расчета параметров диаграммы направленности монохроматическо
го светового поля, научная новизна которого основывается на представлении светового
поля навигационного комплекса в виде ряда изображений источника света,
построенных с учетом характеристик сред распространения и условий наблюдения, на
разном удалении вдоль оптической оси, с целью получения размеров контура
светового поля, визуально воспринимаемого наблюдателем;
б) метод построения зрительного оптико - электронного навигационного
комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим
электронным пучком позволяет обеспечить визуальную ориентацию по наблюдаемому
световому полю, сформированному с учетом положения и параметров движения
корабля, научная новизна которого характеризуется:
синхронизацией процессов освещения пространства сканирующим лазерным пучком и определения положения и параметров движения корабля;
использованием режима последовательной встречно направленной строчной и кадровой развертки для достиженя синхронизации;
Введение 10
в) метод построения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе суперярких светодиодов, научная новизна которого состоит в сопоставлении структур освещаемой области пространства и используемого набора излучателей комплекса, состоящих из суперярких светодиодов с индивидуального для каждого светодиода оптической системой формирования диаграммы направленности излучения, обеспечивающего требуемые угловые размеры монохроматических световых полей и переходных секторов.
Техническими результатами данных методов являются возможность управления параметрами монохроматических световых полей и переходных секторов с целью повышения безопасности при проводке кораблей по сложным фарватерам и движении в прибрежной зоне.
Практическая значимость работы
Разработаны и созданы при участии автора в рамках научно - исследовательской работы «Радуга - 2000», проведенной по заказу Главного Управления Навигации и океанографии Министерства Обороны Российской Федерации, образцы зрительных оптико - электронных навигационных комплексов на основе: а) полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком; б) суперярких светодиодов с ориентировочным экономическим эффектом внедрения, определяющимся двухкратным снижением эксплуатационных затрат по сравнению со штатным оборудованием.
Полученные результаты используются при разработке и серийном производстве оптических систем посадки вертолетов для кораблей проектов 20380, строящихся на верфи Конструкторского бюро «Алмаз» города Санкт - Петербург.
Введение
Экономический эффект от внедрения одной системы составляет 5-:-10 миллионов рублей.
Положения, выносимые на защиту
1. Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследова
ния режимов генерации излучения полупроводникового лазера с накачкой
сканирующим электронным пучком с предложенным автором типом развертки, а
также структур световых полей суперярких светодиодов, сформированных
оптическими системами, в сочетании с методами построения, расчетами,
схемотехническими и конструкторскими решениями, дают возможность разработать,
создать и внедрить зрительные оптико - электронные навигационные комплексы на
основе полупроводниковых источников света.
2. Предложенный метод расчета параметров диаграммы направленности
монохроматического светового поля, основывающийся на представлении светового
поля навигационного комплекса в виде ряда изображений источника света на разном
расстоянии вдоль оптической оси, позволяет учитывать характеристики источника
света и оптической системы, влияние состояния атмосферы и условий наблюдения с
целью определения эффективности работы комплекса.
3. Предложенный метод построения зрительного оптико - электронного нави
гационного комплекса на базе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим
электронным пучком, основывающийся на разработке алгоритмов управления
разверткой промодулированного электронного пучка и вычисления положения и
параметров движения корабля с уголковым отражателем, обеспечивает разработку и
создание навигационного комплекса, реализующего визуальную ориентацию по
Введение
световому полю, формируемому с учетом полученных данных о корабле, с дискретностью, определяемой ширриной диаграммы пучка излучения, с целью снижения аварийности при движении по сложному фарватеру.
4. Предложенный метод построения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе суперярких светодиодов, базирующийся на представлении светового поля комплекса, как совокупности световых полей излучателей, позволяет разработать и создать навигационный комплекс, формирующий взаимное положение монохроматических световых полей с целью осуществления визуальной ориентации для безопасной проводки корабля при движении в переходных секторах с характерной шириной, определяемой поперечными размерами корпуса, на протяжении дальности действия комплекса.
Апробация диссертационной работы и публикации
Материалы работы докладывались и обсуждались:
- на VIII Международной научно - технической конференции студентов и
аспирантов (Москва, 2002);
на XIII Международной научно - технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Сочи, 2002);
на XIV Международной научно - технической конференции ((Лазеры в науке, технике, медицине» (Адлер, 2003).
Основное содержание работы опубликовано в 7 печатных работах, в том числе в двух патентах (с соавторами).
Статьи в научных журналах и сборниках:
Введение 13
1. Васильев Д. В., Ларюшип А. И. Мобильный навигационный комплекс //
Тезисы доклдадов VIII международной научно - технической конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М., 2002. - С. 159 -
160.
Васильев Д. В. Лазерный маяк на основе сканирующего полупроводникового лазера с электронной накачкой (СПЛЭН) // Тезисы докладов XIII международной научно - технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине». - Сочи, 2002. - С. 33 - 34.
Васильев Д. В., Кормаков А. А., Чумаков А. В. Навигационный комплекс на основе полупроводниковых сверхярких светодиодов // Тезисы докладов XIV международной научно - технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине». - Адлер, 2003. - С. 29 - 30.
Васильев Д. В. Зрительные средства навигационного оборудования на основе сканрующего полупроводникового лазера с электронной накачкой // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика, 2004. - № П.-С 19-26.
Васильев Д. В. Зрительные средства навигационного оборудования на основе сверхярких светодиодов // Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика, 2005.-№1.-С. 23-27.
Патенты:
6. Патент 2248299 Россия. Лазерный маяк / С. Н. Аксенова, Д. В. Васильев, А, А.
Кормаков, О. М. Макиенко, И, М. Олихов, А. В. Чумаков. - Заявка № 2002132267;
Приоритет от 02.12.02; Опубл. 20.03.2005. - Бюл. № 8.
Введение
V I4
7. Патент 2242052 Россия. Навигационный комплекс / Д. В. Васильев, В. 10. Калика, А. А. Коржаков, А. Я. Чумаков. - Заявка № 2002132268; Приоритет от 02.12.02; Опубл. 1012.04. - Бюл. № 34.
Личный вклад соискателя
Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или в соавторстве при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных научных задач, предложены и реализованы схемы экспериментальных исследований.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается:
согласованием расчетных данных с результатами теоретических и натурных исследований для обоснования выбора полупроводниковых источников света.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и двух приложений. Основной текст диссертации изложен на 200 страницах, материал приложений изложен на 101 странице. Список литературы включает 71 библиографический источник. Диссертация проиллюстрирована рисунками, фотографиями, таблицами и графиками.
Применение лазерных источников света
Начиная с момента появления лазеров(с 60-х годов) ведутся активные работы по их использованию в системах зрительной навигации [23, 24]. Свойства лазерного излучения, определяющие предпочтительность его использования в средствах зрительной навигации по сравнению с электрическими лампами, следующие:- высокая степень монохроматичности излучения обеспечивает заметность на фоне береговых огней (средняя полуширина спектра газовых лазеров составляет 10 3 4-ИГ нм, твердотельных-0.1 4-0.01 нм, полупроводниковых - 5 4-10 нм) [23, 52];- высокая спектральная яркость дает большую дальность видимости;- малая угловая расходимость лучка излучения обеспечивает требуемую точность зрительной ориентации;
Ниже приведены примеры использования различных типов лазеров в зрительном навигационном оборудовании.
При создании одноцветных зрительных средств навигационного оборудования, реализующих в разных вариациях принцип «бегущего огня», использовались Не -Ne лазеры, имеющие следующие технические характеристики [23,52]:- длина волны излучения, мкм 0.6328- угол расходимости, мрад 0.3 4-4- мощность излучения, мВт 50- коэффициент полезного действия, % «0.1.
Развитие полупроводниковых лазеров позволило заменить Не - Ne лазеры в системах «бегущего огня». Примеры полупроводниковых лазеров приведены в таблице 1-1 [50]:
В лазерных диодах фокусное расстояние объектива составляет 5 - 10 мм, а углы расходимости во взаимно перпендикулярных плоскостях составляют от одной до пяти угловых минут, что сопоставимо с угловой расходимостью He-Ne лазера. Во всех полупроводниковых лазерах имеется встроенная система контроля, стабилизации и управления мощностью излучения. С ее помощью обеспечивается электронное ослабление мощности излучения в 5 - 20 раз с нестабильностью на каждом уровне не более 0.5% [50].
Таким образом, последние достижения в области создания полупроводниковых лазеров позволяют сделать вывод о том, что в визуальных системах навигации Не-Ne лазеры должны вытесняться полупроводниковыми. Примером этого может служить разработка лазерного створного маяка второго поколения «Анемон - 2», в котором вместо газовых лазеров, примененных в разработке лазерного створного маяка первого поколения «Анемон», использованы полупроводниковые лазеры типа LM с мощностью излучения в непрерывном режиме 3мВт на длине волны 645 нм.
В зрительных навигационных системах находят применение лазеры на парах металлов и твердотельные лазеры, характеристики которых приведены в таблице 1-2 [23, 52]: - обладает низким коэффициентом полезного действия (0.2 %) и большой инерционностью выхода на режим (порядка 60 минут); - не используется в маяках со сканированием пучка из - за малой частоты повторения импульсов.
В ряде систем зрительной навигации нашли применение ионные лазеры (аргоновый, криптоновый), характеристики которых приведены в таблице 1-3 [52]:
Первое сообщение о применении лазеров в зрительной навигации появилось в 1969 году [65] - об испытаниях лазерного маяка в Кливленде (Австралия) для ввода кораблей в порт Карумба. В 1971 году австралийской фирмой «Laser Elektronics Ltd» лазерный маяк был запатентован [43]. В качестве источника света в нем был использован He-Ne лазер (X = 0.63 мкм) с двойной разрядной трубкой (в случае отказа одной автоматически включалась вторая). Лазерный маяк обеспечивал дальность видимости до 22 миль, мог работать без обслуживания в течение 5 лет. Потребляемая мощность 300 Вт.
В отечественной литературе первые сообщения об использовании лазеров в средствах навигации относятся к 1971 - 1972 годам [20, 21]. В Институте оптики атмосферы Академии Наук СССР, позднее в специальном конструкторском бюро научного приборостроения «Оптика» Академии Наук СССР, разработали двух - и трёхточечные варианты лазерного визуального навигационного створа [2, 6] и провели натурные испытания в морском порту Одессы при участии Министерства морского флота и Черноморского морского пароходства.
К настоящему времени разработана большая номенклатура лазерных систем навигации различного назначения [1, 3, 4, 5, 23, 25, 41, 44, 46, 47, 51, 56, 57, 60, 61, 62, 63, 64, 66, 67, 68, 69, 71]. Ниже приведены наиболее характерные лазерные навигационные устройства и элементы их конструкции, по которым можно судить о достоинствах и недостатках применения лазерных источников света для решения задач зрительной навигации.
Конструкции лазерных маяков, обеспечивающих визуальную ориентацию по прямому излучению, предусматривают применение: дефлекторов (маяки «Анемон», 1990 г. и «Анемон - 2», 2000г., Московской государственной академии водного транспорта); механических модуляторов (отечественный маяк ЛСУ - 56, 80-е годы и маяки фирмы Dessa Surwey Limited, 1972 г.); диспергирующих оптических систем (лазерный створный маяк, порт Роттердама, 70-е годы). Разработаны маяки, обеспечивающие визуальную ориентацию по рассеянному атмосферой излучению коллимированного горизонтально направленного лазерного пучка (лучевой створ центра береговой охраны США, Громан, 1972 г.). Лазерные системы зрительной навигации решили проблему повышения точности ориентации от десятков до единиц метров, в зависимости от удаления корабля. При этом, выявлены недостатки, присущие разработанным лазерным зрительным навигационным системам, вне зависимости от применяемых типов лазеров (газоразрядных, твердотельных, инжекционных и др.): временная и температурная нестабильность, сложность изготовления электромеханических и пьезоэлектрических узлов, ограниченные возможности по управлению сформированными световыми полями, невозможность ориентации по рассеянному атмосферой излучению в светлое время суток. Основные положения, характеризующие лазерные зрительные навигационные системы сведены в обобщающую блок - схему (рис. 1-2).
Разработка метода расчета параметров диаграммы направленности монохроматического светового поля
В зрительных оптико - электронных навигационных комплексах, использующих в качестве источников света полупроводниковый лазер с накачкой сканирующим электронным пучком или суперяркие светодиоды, применяются оптические системы, в которых светящаяся поверхность источника расположена в фокальной плоскости, а ее изображение, соответственно, в бесконечности.
В виду линейности явления распространения волн поле в плоскости изображения можно представить в виде интеграла суперпозиции (2.4), используя математическое выражение принципа Гюйгенса - Френеля [18];Глава 2 точечным источником единичной амплитуды, расположенным в точке ( 0, (,) плоскости источника светаd0 - расстояние от плоскости источника до оптической системы (м). Модель оптической системы зрительного оптико - электронного навигационного комплекса приведена на рисунке 2-1, Для случая работы зрительного оптико -электронного навигационного комплекса (d0 = f) на расстоянии di от оптическойсистемы в плоскости, перпендикулярной оптической оси, импульсный отклик определяется выражением: Иными словами, принято допущение, которое заключается в том, что работа оптической системы зрительного оптико - электронного навигационного комплекса представляется как процесс построения изображения тела излучения источника на конечном расстоянии. То есть размер поперечного сечения диаграммы направленности монохроматического светового поля плоскостью, перпендикулярной оптической оси, будет определяться с точностью до размера апертуры оптической системы. Поскольку этот размер для навигационного комплекса не превышает нескольких сантиметров, а требуемая точность зрительной ориентации по диаграмме направленности светового поля определяются величиной, равной единицам метров, такое допущение вполне1 правомерно.
Путем последовательного построения изображений на разных расстояниях от оптической системы получается набор сечений диаграммы направленности монохроматического светового поля, по которым определяются ее форма и геометрические размеры. Предложенный метод представлен на рисунке 2-2 [10].
После замены переменных математическое выражение принципа Гюйгенса -Френеля (2.4) (интеграл суперпозиции) запишется в следующем виде [18]:Таким образом, распределение амплитуды поля в плоскости изображения (интеграл суперпозиции) представляется в виде свертки идеального изображения и импульсного отклика. Поскольку глаз наблюдателя реагирует на интенсивность оптического излучения, а не на амплитуду поля, сделан переход от интеграла суперпозиции к выражению для интенсивности излучения [18]:В пространственно - частотной области выражение (2.12) примет вид [58]:где g\yx, vyJ - пространственный спектр объекта;8 \ух vy) " пространственный спектр изображения; Цух, vA - оптическая передаточная функция.Оптическая передаточная функция (ОПФ) оптической системы /)( , KJ определяется выражением [18]:Исходя из теоремы автокорреляции [18]:-co —mТогда, оптическая передаточная функция (ОПФ) оптической системы записывается следующим образом [58]:Gгде AG - площадь перекрытия зрачков (мг);G - площадь выходного зрачка оптической системы (.и2); Р- зрачковая функция оптической системы.
Разработка канала наблюдения
Канал наблюдения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса спроектирован таким образом, чтобы его дальность действия была не менее предельной дальности видимости светового поля зрительного навигационного комплекса в ночных условиях при соответствующей метеорологической дальности видимости. Необходимым условием работоспособности канала наблюдения является наличие на корабле секции уголковых отражателей, один из которых в каждый момент времени обращен в сторону расположенного на берегу навигационного комплекса. З - плоскость равной освещенности, создаваемой отраженным от уголкового отражателя световым потоком в плоскости приемной апертуры канала наблюдения зрительного навигационного комплекса;L - расстояние от оптической системы навигационного комплекса до уголкового отражателя, установленного на корабле
Освещенность плоскости приемной апертуры канала наблюдения навигационного комплекса, создаваемая световым потоком, отраженным от уголкового отражателя, установленного на корабле, определяется выражением (рис. 3-7) [54]:где Ре - мощность источника излучения навигационного комплекса (Вт); татм - коэффициент пропускания атмосферы; Т0 - коэффициент пропускания передающей оптической системы;S - площадь поперечного сечения пучка излучения комплекса на расстоянии 2L от оптической системы (Л/2) .
Размер поперечного сечения светового поля определяется размером апертуры передающей оптической системы и угловой расходимостью, которая, в свою очередь, определяется размером зоны генерации в плоскости лазерной мишени и фокусным расстоянием передающей оптической системы. При расчете канала наблюдения используется упрощенное представление о форме и размерах диаграммы направленности монохроматического светового поля, создаваемого зрительным оптико - электронным навигационным комплексом. Расчет поперечного размера светового поля поясняется рисунком 3-8. Полный радиус светового пятна в плоскости равной освещенности определяется выражением:
Облученность апертуры канала наблюдения определяется выражением:где Туд - коэффициент пропускания атмосферной трассы длиной 1 метр.Поток излучения, отраженный от уголкового отражателя и падающий на чувствительную площадку приемника, определяется выражением:где 0.5 - коэффициент, учитывающий подавление излучения в рабочих спектральных поддиапазонах эшелоном фильтров; ткн - коэффициент пропускания оптической системы канала наблюдения; SKH - площадь приемной апертуры канала наблюдения (м2).
Облученность апертуры канала наблюдения рабочим излучением, отраженным от уголкового отражателя, расположенного на корабле получена с помощью выражений (3.11 4- 3.15) для разных случаев метео види мости. Корабль считается удаленным на предельную дальность видимости светового поля навигационного комплекса судоводителем. Результаты расчетов приведены в таблице 3-1.
Работа канала наблюдения зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком происходит при постоянном воздействии на фотоприемное устройство фонового излучения, вызванного различными источниками естественного и искусственного происхождения.
Поскольку оптическая ось канала наблюдения ориентирована в большинстве случаев параллельно горизонту, то на апертуру канала наблюдения падает излучение, источниками которого являются как морские, так и воздушные фоны. В угле обзора канала наблюдения может распространяться прямое излучение от естественных источников света - Солнца, Луны, звезд и т.д. Световые потоки искусственного происхождения (создаваемые световыми приборами кораблей) носят в большинстве случаев случайный характер. Они имеют более низкую интенсивность по сравнению с световыми потоками природных образований и поэтому не рассматриваются.
Рассматривается составляющая фонового излучения, определяемая морскими фонами. Так как канал наблюдения имеет рабочий спектральный диапазон, расположенный в видимой области спектра, в котором собственное излучение воды мало, водяная поверхность рассматривается только как отражатель света. Значения коэффициента отражения в видимой и ближней инфракрасной области спектра монотонно уменьшаются сростом длины волны.
Таким образом, интерес представляют три основных возможных варианта фоновой засветки апертуры канала наблюдения: - засветка от воздушного фона;- прямая засветка источником естественного происхождения;- переотраженная от воды заветка источником естественного происхождения. Засветка от воздушных фонов. При расчете мощности фонового излучениярассматриваются случаи визирования каналом наблюдения дневного и ночного неба. Схема расчета уровня фонового излучения поясняется рисунком 3-9:
Облученность чувствительной площадки фотоприемного устройства фоновым излучением определяется суммой облученностей, создаваемых элементами фона, которые можно считать точечными фоновыми источниками, лежащими в поле зрения фотоприемного устройства. Сила излучения точечного фонового источника по направлению, перпендикулярному к его площадке, определяется выражением [39]:
Навигационный комплекс на основе суперярких светодиодов
Зрительный оптико - электронный навигационный комплекс на основе супер-ярких светодиодов представлен на рисунке 5-И.
Оси вращения панелей лежат в одной плоскости и закреплены в верхней и нижней частях рамы [11,45], Углом поворота панелей вокруг этих осей устанавливается необходимая величина переходных секторов между диаграммами направленности монохроматических световых полей, формируемых группами излучателей. На каждой панели располагается две группы излучателей одного цвета свечения. В качестве оптической системы излучателя используется одиночная линза со следующими конструктивными параметрами: Л,= 20.43 мм, R2= ю, толщина линзы по оси d = 7 мм,показатель преломления материала линзы п = 1.49 (стекло ЛК4), фокусное расстояние / = 41.7 мм, габаритные размеры линзы 24 х 29 мм. Верхняя группа излучателей накаждой панели имеет направление оптических осей, перпендикулярное плоскости
Для проведения натурных исследований использовалась группа наблюдателей в количестве от 3 до 5 человек. В их обязанность входило визуальное определение параметров формируемых монохроматических световых полей и переходных секторов между ними. Решения принимались на основании анализа массивов ответов, полученных от каждого наблюдателя при многократном независимом определении исследуемого параметра.53.1 Результаты исследований комплекса на основе полупроводникового лазера
Проверка функционирования зрительного оптико - электронного навигационного комплекса проведена на закрытой и открытой трассе.
На закрытой трассе длиной 100 метров проведены: измерения геометрических параметров диаграмм направленности монохроматических световых полей; проверено функционирование канала наблюдения, заключающееся в обнаружении объекта, снабженного уголковым отражателем, находящегося в освещаемой области пространства; осуществление захвата и сопровождение объекта при его перемещении по освещаемой области пространства при одновременной индикации его положения и параметров движения на экране монитора оператора в реальном масштабе времени; корректировка параметров световых полей в автоматическом режиме.На открытой трассе длиной 1000 метров проверено функционирование канала наблюдения.
В связи с ограниченной длиной закрытой трассы определение дальности до объекта и скорости его движения осуществлялось с погрешностью из - за наличия мертвой зоны канала наблюдения, в которой происходит пространственное наложение световых пучков, формируемых разными строками лазерной мишени. При проведении испытаний на закрытой трассе имитировались сумеречные условия - величина освещенности менее 0,2 лк. Расположение зрительного навигационного комплекса на месте проведения исследований представлено на фотографии (рис. 5-12).
В качестве объекта для проведения исследований был использован уголковый отражатель диаметром 50 мм. Схема проведения исследований навигационного комплекса приведена на рисунке 5-13.где h - линейный размер измеряемого элемента диаграммы направленности светового поля (м); L - расстояние до плоскости расположения наблюдателя (м).
В процессе натурных исследований было подтверждено, что зрительный навигационный комплекс формирует боковые зоны ( длина волны 520 нм и 630 нм) с угловым размером по горизонтали 3 ± 0.02 и центральную зону (длина волны 570 нм) с угловым размером по горизонтали 1 ± 0.02 (погрешность измерения определяется шириной швов между полупроводниковыми кристаллами лазерной мишени -100 мкм). Путем визуального наблюдения было подтверждено, что зрительный навигационный комплекс формирует режимы освещения, соответствующие заданным и отражаемым на экране монитора оператора. При работе по объекту с уголковым отражателем комплекс обеспечивает поиск, обнаружение, захват, сопровождение объекта, корректировку в автоматическом режиме параметров световых полей и выдачу информации об объекте на пульт оператора.
Таким образом, в результате натурных исследований зрительного оптико -электронного навигационного комплекса на основе полупроводникового лазера с накачкой сканирующим электронным пучком подтверждена применимость научных подходов и инженерных решений, положенных в основу создания этого комплекса. 5.3.2, Навигационный комплекс на основе суперяркнх светодиодовДля проверки работоспособности зрительного оптико - электронного навигационного комплекса на основе суперярких светодиодов и подтверждения
