Канал вимірювання похилої дальності літальних апаратів на основі модернізованого частотно-часового метода вимірювання

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) у широкому діапазоні дальностей, за умовами використання модернізованого частотно-часового методу (ЧЧМ) вимірювання та вимірювальної інформації від каналу кутових швидкостей у фільтрі нижніх частот (ФНЧ) каналу автоматичного супроводження 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), передаючу 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 місця. Недоліком системи-прототипу є те, що по-перше в її структурі немає схем вимірювальних каналів, якими вона може бути доповнена, по-друге 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 похилої дальності літальних апаратів на основі модернізованого частотно-часового методу вимірювання в широкому діапазоні дальностей, починаючи з початкового моменту польоту ЛА. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відому систему-прототип [2], з метою високоточного вимірювання похилої дальності ЛА, у складі шестипараметричної ЛВС [3], додатково на передаючому боці після СПМ послідовно введено призма 1 для частоти міжмодових биттів Dn м , блок дефлекторів, керування яким здійснюється введеними блоком керування дефлекторами та керуючим елементом, перемикач для двох частот міжмодових биттів Dn м і 2D n м , призма 2 для частоти міжмодових биттів Dn м , після призми 1 послідовно введено фотодетектор, резонансний підсилювач, формувач імпульсів, а після призми 2 послідовно введено фотодетектор, резонансний підсилювач, фільтр із заданою смугою пропущення, диференцюємий ланцюжок, випрямляч, на приймальному боці замість СП, ПСП та ВП для отримання інформації о похилої дальності і т. ін. введено резонансні підсилювачі, настроєні на відповідні частоти міжмодових биттів РП= Dn м , РП2= 2D n м , РП3= 3Dn м , РП4= 6Dn м , а після РП= Dn м послідовно введено детектор, диференцюєма оптика, підсилювач, фільтр, диференцюємий ланцюжок, випрямляч, тригер 1½0, схема І, лічильник, електронно-цифрова обчислювальна машина та блок відображення вимірювальної інформації о похилої дальності R. Побудова каналу вимірювання похилої дальності R пов'язана з використанням модернізованого ЧЧМ вимірювання, який дозволяє вимірювати всі шість параметрів руху ЛА. Пропонуємий канал вимірювання похилої дальності R і може бути доповнений каналами АСН з вимірюванням кутів азимута a і місця b , радіальної , , швидкості R' та кутових швидкостей a і b . 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, завдяки використання блока дефлекторів. Зустрічне сканування пар парціальних ДС у кожній із двох ортогональних площин приводить до зрушення огинаючих періодів пачок імпульсів частот міжмодового биття за один повний прохід ДС у прямому і зворотному напрямку сканування. Це зрушення дає похибки супроводження по кутам, 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 похилої дальності ЛА можливі завдяки формуванню стабільних ДС. Модернізований ЧЧМ вимірювання припускає обробку результатів вимірів у цифровій формі. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні винаходу полягає в високоточному вимірюванні похилої дальності ЛА у широкому діапазоні дальностей починаючи з початкового моменту його польоту при понадвузьких ДС. Такий канал пропонується використовувати у складі шестипараметричної ЛВС [3], тобто він може бути доповнений каналами АСН з вимірюванням кутів a і b , радіальної швидкості R' та кутових , , швидкостей a i b . На фіг.1 приведено передаючий бік узагальненої структурної схеми запропонованого каналу вимірювання радіальної швидкості літальних апаратів на основі модернізованого частотно-часового методу вимірювання. На фіг.2 приведена узагальнена структурна схема запропонованого каналу вимірювання радіальної швидкості літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання. Запропонований канал вимірювання похилої дальності літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу включає КЕ - керуючий елемент, БКД - блок керування дефлекторами, Лн - лазер з накачкою, СПМ - селектор подовжніх мод, призму для частоти міжмодового биття Dn м , БД - блок дефлекторів, перемикач для частот міжмодових биттів Dn м і 2D nм , призму для частоти міжмодових биттів Dn м , ПРДО передаючу оптику, ПРМО - приймаючу оптику, ФТД - фотодетектори, ШП - широкосмуговий підсилювач, РП резонансні підсилювачі настроєні на відповідні частоти міжмодового биття, ФІ - формувач імпульсів, „1"|„0" – тригер, 1½0, «І» - схему «І», Лч - лічильник, Фп - фільтр із заданою смугою пропущення, Д - детектор, ДО диференцюєму оптику, П - підсилювач, Ф - фільтр, ДЛ - диференцюємий ланцюжок, Вип - випрямляч, Лч лічильник, ЕЦОМ - електронно-цифрову обчислювальну машину та БВІ - блок відображення вимірювальної інформації о похилої дальності R. У запропонованому каналі вимірювання похилої дальності літальних апаратів на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання всі блоки виконано по відомим схемам [1, 2]. 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 («підфарбованих» різницевими частотами міжмодових биттів: Dn м , 2 Dn м , 3 Dn м , 6 Dn м ), 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, побудованих на відповідні частоти: Dn м , 2 Dn м , 3 D nм , 6 Dn м . При цьому імпульсні сигнали радіочастоти, що надходять з РП1 (РПDn м ) - формують сигнал похилої дальності, а РП2 (РП2 D nм ), , РП3 (РП3 Dn м ) і РП 4 (РП6 Dn м ) - формують сигнали для інших вимірювальних каналів ЛВС. Принцип роботи грубої шкали каналу вимірювання похилої дальності до рухомого під різним кутом і на різній відстані ЛА, полягає в наступному. На передаючому боці. n Виділена СПМ перша пара частот 5,4 розщеплюється призмою 1 на два оптичних сигнали: 1) основний - скануємий дефлектором (Д) під визначеним кутом (з часом Тск, що задається від блоку керування дефлекторами (БКД)), що проходить через ключ для виділення "бланкуючого" імпульсу (бланк - нуль) і розщепітель (призму 2), де відбувається виділення додаткового сигналу (2) - надходить на передавальну оптику (ПРДО) і далі на ЛА; 2) додатковий (1) - переутворюємий фотодетектором (ФТД) в електричний імпульсний сигнал різницевої частоти міжмодових биттів Dn м та підсилений резонансним підсилювачем - надходить на формувач імпульсів ФІ1, де відбувається виділення "пачок" імпульсів, прийнятих схемою "І". n 5,4 Отриманий від призми 2, після ФТД, перетворений додатковий оптичний сигнал 2 частоти з Dn м , - здобуває чіткі границі "бланкуючого" імпульсу, проходячи резонансний "бланкуючими" імпульсами в сигнал підсилювач, -підсилюється та поступає на Фп. Фільтр зі смугою пропущення П = 1 / t і (де tі - тривалість імпульсу) виділяє з загального сигналу "бланкуючі" імпульси - в імпульси сигнали, що, проходячи ланцюжок, що диференціює і випрямляч, тобто - ФІ=ДЛ+Вип , виділяються у виді одного короткого імпульсу за початок "бланкуючого" імпульсу - надходять на тригер з індексом "1" - включаючи його. На прийомному боці. n Відбитий від ЛА основний сигнал частот 5,4 , у сумі з груповим, мінуючи прийомну оптику, перетворюється ФТД в електричний імпульсний сигнал Dn м , підсилюється ШП, виділяється в резонансному підсилювачі, як сигнал міжмодової частоти Dn м і, проходячи через детектор, перетворюється точно також, як і додатковий електричний сигнал (2) частоти Dn м , надходить тільки на тригер с індексом "0", "перекидаючи" його. Сигнал, що надходить з тригера, на схему І, здійснює періодичне "відкриття" і "закриття" проходу для "пачок" імпульсів з ФІ1, що підраховуються лічильником і відпрацьовуються у виді числа R, через ЕЦОМ на блоці відображення інформації. Таким чином відбувається вимір похилої дальності до ЛА на грубій шкалі. Перехід на точну шкалу (генерація пікосекундних імпульсів) здійснюється одразу ж після припинення включення ключа (для формування "бланкуючого" імпульсу). Такий багатошкальний метод вимірювання R потрібен для боротьби з неоднозначністю вимірювань. Так як канал вимірювання похилої дальності пропонується ввести до складу структури шестипараметричної n n системи ВПР ЛА, то включення та вимикання ключа відбувається одночасно для 2-х пар частот 5,4 і 9,7 на передаючому боці, що також пов’язано з використанням модернізованного ЧЧМ. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ 1. Тюрін С.В., Шорстко 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, ПАНИ, ХВУ. - 1997. - С.35-39. 3. 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.: НАНУ, ПАНИ, ХВУ. - 2002. - С.145-149.