Канал автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи

Запропонована корисна модель відноситься до галузі лазерних систем і може бути використана для побудови передаючої частки лазерної інформаційно-вимірювальної системи (ЛІВС) з модернізованим частотночасовим методом (МЧЧМ) вимірювання. Відома "Система автоматичного супроводження літального апарату за напрямком на багатомодових лазерах" [1], яка містить послідовно з'єднанні лазер з блоком лазерної накачки, селектор подовжніх мод, передаючу оптику, а для приймання сигналу - прийомну оптику, фотодетектор, резонансні підсилювачі, схеми порівняння, пристрій сигналу похибки, виконавчій пристрій та додатково може бути доповнена каналами вимірювання похилої дальності R і радіальної швидкості R'. Система може забезпечити автосупроводження літального апарату (ЛА) за напрямком при одночасному вимірюванні R, R' та кутів азимута і міста. Недоліком відомої системи є те, що вона не вимірює кутову швидкість ЛА, не використовує цю інформацію для підвищення стійкості (астатизму) каналу автоматичного супроводження ЛА за напрямком (АСН) та не використовує низькочастотну фільтрацію приймаємих сигналів в каналі АСН. Найбільш близьким до запропонованого технічним рішенням, обраним як прототип є «Канал автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання» [2], який містить керуючий елемент (КЕ), блок керування дефлекторами (БКД), лазер з накачкою (Лн), селектор подовжніх мод (СПМ), блок дефлекторів (БД), передаючу оптику (ПРДО), приймаючу оптику (ПРМО), фотодетектор (ФТД), широкосмуговий підсилювач (ШП), резонансні підсилювачі (РП) настроєні на відповідні частоти міжмодових биттів, детектори (Дет), фільтри (Ф), формувачі імпульсів (ФІ), тригери ("1"|"0"), схеми "і" («І»), лінії затримки (ЛЗ), лічильники (Лч), цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), фільтри нижніх частот (ФНЧ), підсилювачі (фільтри) сигналу похибки (ПСП), виконуючі механізми (ВМ), електронно-цифрову обчислювальну машину (ЕЦОМ) та·а - введення опорного сигналу з частотою Δn м передаючого лазера, б введення сигналу від каналу оцінки тангенціальної складової швидкості (кутови х швидкостей) ЛА для уточнення похибки збігу по кутам. Недоліком системи-прототипу є·те, що в каналі АСН не здійснюється інформаційний взаємозв'язок з ЛА. В основу корисної моделі поставлена задача створити канал автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи, який дозволить здійснювати інформаційний взаємозв'язок з ЛА та точне і стійке його кутове автосупроводження при одночасному вимірюванні кутів азимута α і міста β у широкому діапазоні дальностей, починаючи з початкового моменту польоту ЛА. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відому систему-прототип [2], який містить керуючий елемент, блок керування дефлекторами, лазер з накачкою, селектор подовжніх мод, блок дефлекторів, передаючу оптику, приймаючу оптику, фотодетектор, широкосмуговий підсилювач, резонансні підсилювачі, настроєні на відповідні частоти міжмодових биттів, детектори, фільтри, формувачі імпульсів, тригери ("1"|"0"), схеми "і", лінії затримки, лічильники, цифро-аналогові перетворювачі, фільтри нижніх частот, підсилювачі (фільтри) сигналу похибки, виконуючі механізми, електронно-цифрову обчислювальну машину та а - введення опорного сигналу з частотою Δn м , передаючого лазера, б - введення сигналу від каналу оцінки тангенціальної складової швидкості (кутови х швидкостей) ЛА для уточнення похибки збігу по кутам, додатково після ШП введено інформаційний блок (ІБ), який зв'язаний з ПРДО для формування передаваемої та ЕЦОМ для обробки приймаємої інформації з ЛА і її відображення. Побудова каналу автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи пов'язана з використанням МЧЧМ вимірювання [3] та одномодовим богаточастотним випромінюванням лазера. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні корисної моделі полягає в здійснені інформаційного взаємозв'язку з ЛА та стійким його кутовим автосупроводженням і одночасним високоточним вимірюванням кутів азимута α і міста β у широкому діапазоні дальностей починаючи з початкового моменту польоту ЛА при понадвузьких ДС. На Фіг.1 приведена узагальнена структурна схема запропонованого каналу автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи, де а - введення опорного сигналу з частотою Δn м (3Δn м ) передаючого лазера, б - введення сигналу від каналу оцінки тангенціальної складової швидкості (кутових швидкостей) α' (β') ЛА для уточнення похибки збігу по кутам каналів. На Фіг.2 приведено створення рівносигнального напрямку та сканування 4-мя ДС в ортогональних площинах. На Фіг.3 приведені епюри напруг з виходів блоків пропонуємого каналу АСН для лазерної інформаційновимірювальної системи. На Фіг.4 приведені епюри напруг з виходів блоків пропонуємого каналу АСН для лазерної інформаційновимірювальної системи, які визначають полярність, де а) для визначення знака "+", б) для визначення знака "-". На Фіг.5 приведено кут відхилення ЛА від РСН відносно ЛІВС. Запропонований канал автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи містить керуючий елемент, блок керування дефлекторами, лазер з накачкою, селектор подовжніх мод, блок дефлекторів, передаючу оптику, приймаючу оптику, фотодетектор» широкосмуговий підсилювач, резонансні підсилювачі настроєні на відповідні частоти міжмодових биттів, детектори, фільтри, формувачі імпульсів, тригери ("1"|"0"), схеми "і", лінії затримки, лічильники, цифроаналогові перетворювачі, фільтри нижніх частот, підсилювачі (фільтри) сигналу похибки, виконуючі механізми, електронноцифрову обчислювальну машину та а - введення опорного сигналу з частотою Δnм , передаючого лазера, б введення сигналу від каналу оцінки тангенціальної складової швидкості (кутови х швидкостей) ЛА для уточнення похибки збігу по кутам, інформаційний блок для інформаційного взаємозв'язку з ЛА. Робота запропонованого каналу автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком для лазерної інформаційно-вимірювальної системи полягає в наступному. Із синхронізованого одномодового багаточастотного спектра випромінювання YAG:Nd3+ - лазера (Лн) за допомогою СПМ виділяються необхідні пари частот для створення: - інформаціонного каналу зв'язку, при умові використання сигналу з різницевих частот міжмодових битті в Δn 101=n 10-n 1=9Δn м ; - рівносигнального напрямку на основі формування сумарної ДС, завдяки частково перетинаючихся 4-х парціальних діаграм спрямованості, при умові використання різницевих частот міжмодових биттів Δn 54=n 5-n 4=Δn м , Δn 97=n 9-n 7=2Δn м , Δn 63=n 6-n 3=3Δn м , Δn 82=n 8-n 2=6Δn м . Сигнал частотою міжмодових биттів 9 Δn м , минаючи БД потрапляє на ПРДО де змішується з сигналом від ІБ та формує передаваєму інформацію для ЛА (Фіг.1, 2). Сигнал частот міжмодових биттів Δn м , 2Δn м , 3Δn м та 6 Δn м потрапляє на БД, який створений з 4-х дефлекторів. Парціальні ДС попарно зустрічне сканують БД у кожній із двох ортогональних площин (Фіг.1, 2). Період сканування задається блоком керування дефлекторів, який разом з Лн забезпечується необхідним живленням від керуючого елемента. Проходячи через передаючу оптику, груповий лазерний імпульсний сигнал пар частот: n 5,n 4=Δn м , n 9,n 7=2Δn м , n 6,n 3=3Δn м , n 8,n 2=6Δn м , та n 10,n 1=9Δn м , (Фіг.1, 2) фокусується в скануємі крапки простору, оскільки здійснюється зустрічне сканування двома парами ДС у кожній із двох ортогональних площин α і β або Χ і У (Фіг.2). Прийняті прийомною оптикою відбиті від ЛА інформаційний та 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 в інформаційний блок 9Δnм для обробки приймаємої інформації від ЛА та по резонансних підсилювачах, побудованим на відповідні частоти: Δn м , 2Δn м , 3Δn м та 6Δn м . При цьому імпульсні сигнали радіочастоти, що надходять з РПΔn м і РП2Δn м - формують сигнал помилки по куту α , а РП3Δn м і РП6Δn м - по куту β. Формування сигналу помилки по куту α, полягає в наступному. Введення імпульсного сигналу (а) з опорного каналу Δn м , перетвореного ФІ1 у "пачки" опорних імпульсів на частоті Δn м оп, надходить на схему "І". Виділений і посилений імпульсний сигнал з РПΔn м частоти міжмодових биттів Δn м , (Фіг.3 і 4), детектується Дет, у виді огинаючої сигналу, що змінюється за законом руху ДС лазера і, після проходження Ф, перетворюється у ФІ2 у крапках переходів періодів сканування в імпульси (один імпульс за період сканування), надходить на тригер "І", перекидуючи його. У цей же час, виділений і посилений ΡΠ2Δn м , імпульсний сигнал частоти міжмодових биттів 2Δn м детектується, виділяючи огинаючу сигналу, що змінюється по такому ж закону і, проходячи Ф, перетворюються у ФІ2 у крапках переходів періодів коливань в імпульси (один імпульс за період сканування), надходить на тригер "0", установлюючи його у ви хідний стан. Задача виміру тимчасового інтервалу в схемі "І" із заданою точністю, полягає у встановленні критерію початку і кінця відліку тимчасового інтервалу по визначених характеристиках значення імпульсних сигналів, що надходять на входи схеми "І". У зв'язку з тим, що передній фронт імпульсу досить малий у порівнянні з дозволом, що вимагається, за часом, характерними значеннями сигналу, що визначають начало і кінець відліку тимчасового інтервалу є граничне значення Uп (порогове значення напруги) (Фіг.4). Завдяки періодичному за цикл сканування відкриттю і закриттю тригером схеми "І", регулюється проходження імпульсів у схемі "І" від ФІ1, тобто відбувається виділення "пачок" імпульсів, число яких пропорційно куту відхилення ЛА від РСН (Фіг.4, 5). Підраховані лічильником імпульси, перетворюються цифро-аналоговим перетворювачем в аналоговий сигнал помилки з необхідним знаком, що змішується у ФНЧ з імпульсним сигналом від каналу кутових швидкостей ЛА (б) для уточнення помилки збігу по кутам. Завдяки обліку вимірювальної інформації від каналу кутови х швидкостей (б) у ФНЧ усуваються динамічна і флуктуаційна похибки фільтрації [4]. Відфільтрований у ФНЧ і посилений підсилювачем сигналу помилки, отриманий сигнал відпрацьовується за допомогою виконавчого механізму (α), надходить від ПСП α на вхід ЕЦОМ та виділяється в ній у виді числа, пропорційного вимірюваному куту азимута α. Якщо ЛА знаходиться вище РСН, то на схему "І" першим надходить імпульс з ФІ2 міжмодової частоти Δn м , а на тригер надходить другим імпульс з ФІ2 міжмодової частоти 2Δn м (Фіг.1, 4). На схему "І" від тригера подається строб, тривалість якого пропорційна відхиленню ЛА від РСН. Цей часовий інтервал виміряється методом рахунка імпульсів частоти міжмодових биттів Δn м . Оскільки тривалість строба залежить лише від величини відхилення ЛА від РСН, а не від сторони відхилення, необхідно мати схему визначення полярності сигналу помилки ("+" або "-"). Таким чином, якщо ЛА буде розташований нижче РСН, то першим надійде імпульс від ФІ2 з каналу 2Δn м , a другим - з каналу Δn м . Схема визначення знака, або сторони відхилення ЛА від РСН працює за Фіг.1, 4 а, б. Якщо ЛА знаходиться вище РСН, то імпульс 1 (Фіг.1, 4 а) від каналу Δn м випереджає імпульс 2 канали 2Δn м . Оскільки строб від тригера затримується на час, що перевищує тривалість імпульсу 1 (або 2), то схема збігів "І" не спрацює, тому що імпульс 1 не збіжиться в часі з данным стробом. Знак сигналу помилки по куту α залишається позитивним. Якщо ЛА знаходиться нижче РСН (Фіг.3 б), то імпульс 1 відстає від імпульсу 2, тому він збігається в часі зі стробом. Схема "І" спрацьовує і змінює знак (або полярність) напруги сигналу помилки по куту α. Імпульс зі схеми "І" подається на знаковий розряд лічильника імпульсів з частотою Δn м , Число імпульсів у лічильнику пропорционально куту відхилення α від РСН. Форматування сигналу похибки по куту β, відбувається аналогічним образом. Виконавчі механізми ВМα і ΒΜβ, розвертають прийомопередаючу платформу таким чином, щоб ЛА знаходився на РСН каналу АСН, тобто на РСН чотирьох парціальних ДН. Відображення приймаємої (передаваемої) інформації від ЛА та обробка (вимір) кутів азимута α і міста β відбувається в ЕЦОМ. Джерела інформації: 1. 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. 2. Деклараційний патент на винахід 59115 А, Україна, 7МПК G01S17/42, G01S17/66. Канал автоматичного супроводження літальних апаратів за напрямком на підставі модернізованого частотно-часового методу вимірювання. /Альошин Г.В., Коломійцев О.В., Пашков Д.П. - №2003010713; Заяв.27.01.2003; Опубл.15.08.2003; Бюл. №8. - 5с. 3. Деклараційний патент України на винахід №65099А, Україна, G01S17/42, G01S17/66. Модернізований частотно-часовий метод вимірювання параметрів руху літальних апаратів. /Коломійцев О.В. - №2003054908; Заяв.15.03.2004; Опубл.15.03.2004; Бюл. №3-4с. 4. Коломийцев А.В. Измерение тангенциальной составляющей скорости движения объекта. //Системи обробки інформації. Вип. 1(5). - X.: Н АНУ, П АНИ, ХВУ. - 1999. - С.162-166.