Канал вимірювання кутових швидкостей літальних апаратів на основі модернізованого частотно-часового методу

Запропонований винахід відноситься до галузі лазерних систем і може бути використаний для побудови шестипараметричної лазерної вимірювальної системи (ЛВС), яка забезпечить високі точностні характеристики вимірювання параметрів руху (ВПР) і стійке кутове автосупроводження літального апарата (ЛА) за умовами використання модернізованого частотно-часового методу (ЧЧМ) вимірювання та вимірювальної інформації від каналу кутови х швидкостей у фільтрі нижніх частот (ФНЧ) каналу автоматичного супроводження ЛА за напрямком (АСН). Відома квантово-оптична система «Сажень» [1], яка включає канали вимірювання похилої дальності R та кутів азимута a і міста b . У цієї системі забезпечується вимірювання похилої дальності, неоперативне вимірювання кутів азимута і міста по зіркам при супроводженні космічного апарату (КА) за програмою по телевізійним каналам. Недоліками системи „Сажень" є мала точність вимірювання дальності на великій відстані до КА та кутів азимута і міста, неоперативність супроводження та неможливість вимірювання кутових швидкостей (тангенціальної складової швидкості) і радіальної швидкості КА. Найбільш близьким до запропонованого технічним рішенням, обраним як прототип є „Система автоматичного супроводження ЛА за напрямком на багатомодових лазерах" [2], яка вміщує послідовно з'єднанні лазер з блоком лазерної накачки, селектор подовжніх мод (СПМ), передавальну оптику, прийомну оптику, фотодетектор, резонансні підсилювачі, схеми порівняння (СП), пристрій сигналу похибки (ПСП), виконавчій пристрій (ВП) та додатково може бути доповнена каналами вимірювання похилої дальності R і радіальної швидкості R'. Система забезпечує автосупроводження ЛА за напрямком при одночасному вимірюванні R, R' та кутів азимута і міста. Недоліком системи-прототипу є те, що вона не вимірює кутову швидкість ЛА, не використовує цю інформацію для оптимальної фільтрації слабих сигналів відбитих від ЛА з великої дальності, тобто для підвищення стійкості (астатизму) каналу АСН. В основу винаходу поставлена задача створити канал вимірювання кутових швидкостей літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання, завдяки використання високоточної вимірювальної інформації від якого, у складі шестипараметричної ЛВС [4], у низькочастотному фільтрі каналу АСН з'явиться можливість здійснювати високоточне і стійке кутове автосупроводження ЛА, що підвисить точність вимірювання інших параметрів руху ЛА у широкому діапазоні дальностей, починаючи з початкового моменту його польоту [3]. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відому систему-прототип [2], з метою високоточного вимірювання кутови х швидкостей та підвищення стійкості кутового автосупроводження ЛА, у складі шестипараметричної ЛВС, додатково після СПМ послідовно введен блок дефлекторів, керування яким здійснюється введеними блоком керування дефлекторами та керуючим елементом, після фотодетектору послідовно введен широкосмуговий підсилювач, а замість СП, ПСП та ВП для отримання інформації о кутових , , швидкостях a і b послідовно введено резонансні підсилювачі, настроєні на відповідні частоти міжмодових , , ( Dn м , 2 Dn м , 3 Dn м , 6 Dn м ) Dn м оп биттів по каналах кутових швидкостей a і b , - введення опорних сигналів з ( Dn м оп , 2 Dn м оп , 3 Dn м оп, 6 Dn м оп ) частотами від передаючого лазера, формувачі імпульсів, „1"|„0" - тригери, схеми „і", реверсивні лічильники, схеми порівняння, електронно-цифрові обчислювальні машини та блоки відображення , , вимірювальної інформації по каналах a і b . Побудова каналу вимірювання кутових швидкостей пов'язана з використанням модернізованого ЧЧМ вимірювання, який дозволяє вимірювати всі шість параметрів руху ЛА. Пропонуємий канал вимірювання кутових швидкостей може бути доповнений каналами АСН з вимірюванням кутів азимута a і міста b , похилої дальності R та радіальної швидкості R'. Суть модернізованого ЧЧМ вимірювання, полягає в тому, що із синхронізованого спектра випромінювання одномодового багаточастотного лазера за допомогою селектора подовжніх мод виділяються необхідні пари частот для „підфарбування" ДС, для створення рівносигнального напрямку (РСН) у виді 4-х частково перетинаючихся парціальних ДС («підфарбованих» різницевими частотами міжмодових биттів), які на відміну прототипу тепер попарно зустрічно сканують у кожній із двох ортогональних площин [3], завдяки використання блока дефлекторів. Зустрічне сканування пар парціальних ДС у кожній із двох ортогональних площин приводить до зрушення огинаючих періодів пачок імпульсів частот міжмодових биттів за один повний прохід ДС у прямому і зворотному напрямку сканування. Це зрушення дає похибки супроводження по кутам [3], а різниця в тривалості огинаючих - дає похибки кутових швидкостей. Зустрічне сканування пар парціальних ДС у кожній із двох ортогональних площин дозволяє також вимірювати з високою точністю похилую дальність до ЛА по запізнюванню частот міжмодових биттів і його радіальну швидкість допплерівським методом, оскільки найкращий режим сканування забезпечується при напівперекритті ДС. Високоточні вимірювання кутових швидкостей ЛА можливі завдяки формуванню стабільних ДС. Інтерференційні провали згладжуються при обробці сигналів. Модернізований ЧЧМ вимірювання припускає обробку результатів вимірів у цифровій формі. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні винаходу полягає в високоточному вимірюванні кутових швидкостей ЛА. Цю інформацію, у складі шестипараметричної ЛВС [4], можливо використовува ти для вузькосмугової фільтрації в каналі АСН та підвищення стійкості кутового автосупроводження ЛА у широкому діапазоні дальностей, починаючи з початкового моменту його польоту при понадвузьких ДС. Такий канал може бути доповнений каналами АСН з вимірюванням кутів a і b , похилої дальності R та радіальної швидкості R'. На фіг.1 приведена узагальнена структурна схема запропонованого каналу вимірювання кутових швидкостей літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання. На фіг.2 приведені епюри напруг з виходів блоків пропонуємого каналу вимірювання кутови х швидкостей. Запропонований канал вимірювання кутових швидкостей літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу включає КЕ - керуючий елемент, БКД - блок керування дефлекторами, Лн - лазер з накачкою, СПМ - селектор подовжніх мод, БД - блок дефлекторів, ПРДО - передаючу оптику, ПРМО - приймаючу оптику, ФТД - фотодетектор, ШП - широкосмуговий підсилювач, РП - резонансні підсилювачі настроєні на відповідні частоти міжмодових биттів, ФІ - формувачі імпульсів, „1"|„0" – тригери 1½0, «І» - схеми «і», РЛч резонансні лічильники, СП - схеми порівняння, ЕЦОМ - електронно-цифрові обчислювальні машини та БВІ Dn м оп блоки відображення інформації, - введення опорних сигналів з частотами міжродових биттів ( Dn м оп , 2 Dn м оп , 3 Dn м оп, 6 Dn м оп ) від передаючого лазера. У запропонованому каналі вимірювання кутових швидкостей літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання всі блоки виконано по відомим схемам [2, 3]. Робота запропонованого каналу полягає в наступному. Зі синхронізованого одномодового багаточастотного спектра випромінювання YAG:Nd3+ - лазера (Лн) за допомогою СПМ виділяються необхідні пари частот для створення РСН завдяки формуванню сумарної ДС у виді 4-х частково перетинаючихся парціальних ДС ( Dn м , 2 Dn м , 3 Dn м , 6 Dn м ) («підфарбованих» різницевими частотами міжмодових биттів: , що попарно зустрічно сканують у кожній із двох ортогональних площин блоком дефлекторів. При цьому період сканування задається блоком керування дефлекторів, який разом з Лн забезпечується необхідним живленням від керуючого елемента. Проходячи через передаючу оптику, лазерний імпульсний сигнал фокусується в скануєми крапки простору, оскільки здійснюється зустрічне сканування двома парами ДС у кожній із двох ортогональних площин ( a і b чи Х і У). Прийняті прийомною оптикою відбиті від ЛА в процесі сканування чотирьох ДС лазерні імпульсні сигнали і огинаючи сигнали ДС за допомогою фотодетектора перетворюються в електричні імпульсні сигнали на різницевих частотах міжмодових биттів, посилювані широкосмуговим підсилювачем, і розподіляються по резонансних підсилювачах, побудованим на відповідні частоти: Dn м , 2Dn м , 3D nм , 6Dn м . При цьому імпульсні , сигнали радіочастоти, що надходять з РП 1 і РП 2 (РПD n м і РП 2Dn м ) - формують сигнал кутової швидкості a , а , РП 3 і РП 4 (РП3Dn м і РП6D nм ) - по кутової швидкості b . , Формування сигналу кутової швидкості a , полягає в наступному. Виділені імпульси ФІ 1 першої І лінії від Dn м оп опорної частоти , надходять на реверсивний лічильник (РЛч 1). У цей же час відбитий від ЛА оптичний Dn м отр сигнал частоти міжмодових биттів, який перетворюється ФТД у радіочастоту міжмодових биттів , змінюється по закону руху ДС лазера, перетворюється у другої лінії II ФІ 2 у крапках переходів півперіодів сканування в імпульси (один імпульс за півперіод сканування) та надходить на тригер "1", запускає його першим імпульсом. Надходячий першим імпульс від тригера відкриває РЛч для рахування імпульсів від ФІ 1 і схему "І" для перезапису на схему порівняння. Другий імпульс від тригера надходить на реверсивний вхід того ж РЛч, який здійснює зворотній рахунок надходячих через його імпульсів. Надходячий на тригер третій імпульс і т. ін. працюють аналогічно першому. Др угий імпульс не надходить на схему "І", а третій імпульс надходить, як і перший на ФІ 3, на схему "І", пропускає різностне число на схему порівняння і т. ін. Таким чином, в РЛч записується число імпульсів, порівнянне різності подовженого та покороченого (руху ДС) півперіоду сканування. Півперіод сканування подовжується тоді, коли швидкість руху ЛА співпадає з швидкістю руху ДС, а коли не співпадає покорочується. , Формування сигналу кутової швидкості b , відбувається аналогічним образом. Отримання інформації о , , кутови х швидкостей a і b відбувається в ЕЦОМ, а відображення на БВІ. Джерела інформації 1. Тюрін С.В., Шостко І.С., Романюк В.А., Пономарьов В.В., Павлович Р.В. Полігонні лазерні та оптикоелектронні вимірювальні засоби. Конспект лекцій. Частина II. - X.: ХВУ. -1998p. - 174с. 2. Рондин Ю.П., Коломийцев А.В. Система автоматического сопровождения объекта по направлению на многомодовых лазерах. //Информационные системы. Вып. - 1(5). - X.: НАНУ, П АНИ, ХВУ. - 1997.-С. 35-39. 3. Альошин Г.В., Рондін Ю.П., Коломійцев О.В. Принцип підвищення стійкості кутового автосупроводження літальних апаратів у лазерних вимірювальних системах. //Радіотехніка та оптоелектроніка. Зб. наук. праць. Вип. 7(37). - X.: ХВУ. - 2001. - С. 79 - 80. 4. Алешин Г.В., Коломийцев А.В., Боровик А.В. Проблемы создания высокоточной лазерной шестипараметрической системы нового поколения на основе модернизированного частотно-временного метода измерений. //Системи обробки інформації. Вип. - 4(20). - X.: Н АНУ, ПАНИ, ХВУ. - 2002. -С. 145-149.