Введение к работе
Актуальность темы.
Водный транспорт является одним из важнейших элементов Единой транспортноіі системы России. Повышение эффективности и безопасности эксплуатации водных путей - первостепенная государственная задача. Особенно в сегодняшних условиях, когда становится возможной организация международных транспортных коридоров через территорию РФ и её территориальные воды.
В связи с этим появляется острая необходимость оборудования опасных участков судоходства, где требуется высокая точность и надёжность проводки судов, современными устройствами навигации.
Существующие традиционные навигационные средства не всегда удовлетворяют предъявленным требованиям в стеснённых условиях плавания. Использование лазеров для целей навигации позволяет успешно осуществлять проводку судов в данных условиях. Такие особенности лазерного излучения, как: резкое отличие лазерного огня от других; высокая направленность луча; сохранение контраста между яркостью прямого излучения и фоном рассеянного излучения на больших расстояниях, -обусловливают перспективность создания лазерных навигационных средств.
Следует отметить потенциально опасные ситуации, где применение лазерных навигационных систем особенно эффективно: проводка судов по каналам, по узким фарватерам, под мостами, при подходах к портам, в том числе при пониженной прозрачности атмосферы, наличии фона береговых огней, застроенности береговой зоны. Особенно необходимо оснащение таким навигационным оборудованием ответственных участков и портов вдоль Северного морского пути в связи с интенсификацией судоходства по арктическим морям в условиях полярной ночи и возможной эксплуатацией этого пути (как альтернативного имеющемуся) для транспортировки грузов из Азии и Америки в Европу.
Важно отметить, что лазерные системы могут обеспечить не только визуальное восприятие судоводителем навигационных огней, но и полуавтоматическое (инструментальное), или даже автоматическое управление судном (сигналы регистрирует фотоприёмное- устройство и выдаёт информацию о положении судна или передаёт их на авторулевой). При этом возможно использование инфракрасного, невидимого глазом, излучения. В настоящее время среди лазерных навигационных систем более всего могут найти применение лазерные створы (ЛС), предназначенные для указания направления и границ судового хода.
Разработки в данной области ведутся в мире, начиная с 60-х годов.
Однако, как показал анализ имеющихся патентных и других печатных материалов, разработанные системы обладают рядом достаточно существенных недостатков, что препятствует их применению в реальных условиях судоходства. Это в первую очередь использование только сетевого электропитания. А также: сложность технических решений, невысокая стабильность характеристик, высокое энергопотребление, значительные габариты и др.
Начиная с 1981 года, в МГАВТ ведутся исследования и разработки по созданию лазерных створов на основе двух маяков, синхронно сканирующих навстречу друг другу. В результате работ был создан первый в стране опытный промышленный образец лазерного створа "Анемон".
Однако в условиях постоянного совершенствования элементной базы (появление новых современных типов лазеров, других комплектующих и т.д.) и возрастающих требований к характеристикам навигационных приборов, "Анемон" нуждался в коренной модернизации. Требовалось разработать на его базе принципиально иной прибор с оптимальными характеристиками, способный работать в режиме автономного питания.
Цель работы.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование путей создания и разработка визуальных и инструментальных лазерных створов (второе поколение ЛС типа "Анемон"), способных работать в автономном режиме, для обеспечения точности и надёжности проводки судов на сложных участках водных путей.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
проанализировать современное состояние и уровень развития лазерных створов;
провести расчетный сравнительный анализ лазерных и традиционных створов по основным характеристикам;
исследовать возможности использования твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации;
проанализировать и выбрать оптимальные схемы и элементную базу ЛС, рассчитать основные параметры и характеристики ЛС;
исследовать и определить режимы работы блоков ЛС;
разработать макеты визуального и инструментального лазерных створов;
экспериментально исследовать макеты визуального и инструментального лазерных створов;
< оценить перспективы применения ЛС.
Методы исследования.
В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на основе квантовой теории излучения, теории рассеяния света, статистической физики. Экспериментальные методы основывались на обработке данных, полученных в ходе лабораторных и натурных испытаний.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций, изложенных в диссертации, обеспечены комплексным характером работы (аналитические, теоретические и экспериментальные исследования), а также сопоставлением и подтверждением теоретических расчётов и результатов, полученных в ходе экспериментов.
Научная новизна работы.
-
Исследована возможность использования твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации.
-
Теоретически обоснован выбор оптимальных основных схем и элементов лазерных створов.
-
Разработаны макеты визуального и инструментального лазерных створов с автономным питанием.
-
Экспериментально исследованы основные характеристики лазерных створов с автономным питанием.
На защиту выносятся:
Результаты сравнительного анализа лазерных и традиционных створов.
Результаты расчёта основных параметров и характеристик ЛС.
Результаты выбора оптимальных схем и элементов ЛС с автономным питанием.
Результаты разработки макетов ЛС с автономным питанием.
Результаты экспериментального исследования основных характеристик ЛС с автономным питанием.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны ЛС новой конструкции с использованием современной элементной базы с автономным питанием, обеспечивающие повышение безопасности проводки судов;
оценены перспективы применения ЛС.
Диссертация выполнялась в соответствии с планами основных научных работ МГАВТ, являлась составной частью НИОКР, включённой в президентскую федеральную целевую программу "Внутренние водные пути России". Её результаты вошли в два отчёта по научно-исследовательским
темам, в которых автор являлся соисполнителем.
Разработанные варианты схем ЛС могут быть использованы для создания серийных навигационных систем, как для водного, так и для других видов транспорта.
Созданный по результатам работы экспериментальный образец визуального ЛС получил положительную оценку судоводителей и специалистов. Он рекомендован для дальнейших испытаний с целью последующего оснащения сложных участков водных путей.
Результаты работы могут использоваться Службой речного флота, Государственными бассейновыми управлениями водных путей и судоходства, морскими службами для повьшіения эффектшз ности и безопасности судоходства.
Апробация работы.
Основные результаты докладывались на международном симпозиуме "Транстек-96" (С.-Петербург, 1996 г.), на ежегодных научно-технических конференциях МГАВТ (1995-1999г.г.). Образец лазерного створа был представлен на международной выставке "Промтранс-2000" (Москва, 2000 г.), на которой почётным дипломом была отмечена экспозиция МГАВТ.
Материалы диссертации используются в курсах "Общей физики", "Концепции современного естествознания" в МГАВТ, на кафедре "Судовождения и судоходных сооружений".
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в пяти печатных работах.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, приложения. Работа изложена на 140 страницах, содержит 30 рисунков, 10 таблиц. Список использованных источников включает 97 наименований отечественных и зарубежных источников.
