Исследование возможности создания всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот над морской поверхностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Нгуен Дык Тунг

• Нгуен Дык Тунг
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Дык Тунг

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ

1.1 Барометрические высотомеры

1.2 Радиотехнические высотомеры

1.2.1 Радиовысотомеры малых высот

1.3 Импульсные лазерные высотомеры

1.3.1 Импульсные лазерные высотомеры для измерения малых высот до морской поверхности

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИЕМА ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

2.1 Вероятностные характеристики отражения оптических сигналов от взволнованной морской поверхности

2.2 Экспериментальные результаты по определению вероятностных характеристик отражения оптических импульсов от взволнованной водной поверхности

2.3 Вероятностные характеристики обнаружения сигналов от морской поверхности в прозрачной атмосфере

2.4 Энергетические характеристики импульсного лазерного высотомера при работе над морской поверхностью в идеальных условиях

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫСОТОМЕРА ДО МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ ТУМАНА И ДЫМКИ

3.1 Анализ временной структуры помехи обратного рассеяния при различных плотностях тумана и дымки

3.1.1 Временная характеристика помехи обратного рассеяния в приближении однократного рассеяния

3.1.2 Временная характеристика помехи обратного рассеяния в приближении двукратного рассеяния

3.1.3 Временная структура помехи обратного рассеяния атмосферы с использованием ее импульсной характеристики

3.2. Метод измерения малых высот до морской поверхности импульсным лазерным высотомером при туманен и дымке

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ПОСТРОЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ВСЕПОГОДНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫСОТОМЕРА ПРИ РАБОТЕ НАД МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

4.1 Анализ пороговых соотношений при измерении высоты до морской поверхности

4.2 Анализ погрешности измерений, обусловленных сдвигом отсчетной точки под действием шума

4.3 Структурная схема всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА БОРТОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТРАЖЕНИЯ ПРИ ЛОКАЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БИ - блок индикации.

БЛА - беспилотный летательный аппарат.

БПиС - блок питания и синхронизации.

ГИ - генератор импульсов запуска лазера.

ГСИ - генератор счетных импульсов

ИВИ - измеритель временного интервала.

ИЛВ - импульсный лазерный высотомер.

ИПЛ - импульсный полупроводниковый лазер.

ИС - измерительная схема.

ИЧ - измеритель частоты.

КП - карданный подвес.

КПД - коэффициент полезного действия.

ЛВ - лазерный высотомер.

ЛИИ - лазерный источник импульсного излучения.

МДВ - метеорологическая дальность видимости.

Одн - одновибратор.

ПК - персональный компьютер.

ПОР - помеха обратного рассеяния.

ПОС - передающая оптическая система.

Пр.Ус - предварительный усилитель.

ПрОС - приемная оптическая система.

ПУ - пороговое устройство.

РВ - радиотехнический высотомер.

САС - схема антисовпадения.

СП - светопровод.

СРУС - схема регулировки уровня срабатывания порогового устройства.

СС - схема совпадения.

ССб - схема сброса (обнуления) счетчиков.

ССИ - схема съема информации о высоте. СУПУ - схема управления пороговым уровнем. СУУВ - схема управления углом визирования.

СФОК - схема фиксации временного положения сигнала опорного канала. СФРУ - схема функциональной регулировки усиления. СФС - схема фиксации временного положения сигнала. Сч - электронный счетчик. Тр - триггер.

Тр.П - триггер переполнения. Тр.Ш - триггер Шмидта. УМ - усилители мощности. УНЧ - усилитель низкой частоты. Ус - усилитель.

УСТрШ - уровни срабатывания триггера Шмидта. ФП - фотоприемник. ФПОК - фотоприемник опорного канала. ФПУ- фотоприемное устройство.

Е - сумматор.

Рж - вероятность ложной тревоги. Р - вероятность пропуска сигнала.

£1(0 - временная функция зондирующего импульса. д ( ^ ) - дельта-функции.

Оп - диаметр входного зрачка приемной оптической системы. ги - длительность зондирующего импульса.

Н (X) = х 1 -ег/(X) ехр(X2) - дополнительный интеграл вероятностей. Сф - емкость р-п перехода фотодиода.

2 г

ег/ (г) = Г в- & - функция Крампа

м емкость монтажа.

См - ■ в - заряд электрона.

х(у) - значение индикатрисы рассеяния в зависимости от угла рассеяния у. gд (^ - импульсная характеристика обратного рассеяния атмосферы. р - коэффициент зеркального отражения гладкой морской поверхности. у - коэффициент инерционности. Ьф (X) - спектральная плотность яркости фоновой поля.

- крутизна вольт-амперных характеристик транзистора.

Рзл - мощность зондирующего импульса.

Р(?) - мощность помехи обратного рассеяния атмосферы.

Р(2)(* ) - мощность помехи обратного рассеяния в приближении двукратного рассеяния.

Р(1) (*) - мощность помехи обратного рассеяния в приближении однократного рассеяния.

Р1ри (¿) - мощность принимаемого сигнала.

5 (/) - нормированное значение энергетического спектра морского волнения.

К (]о) - передаточная функция приемного приемно-усилительного тракта. к - постоянная Больцмана.

М - коэффициент умножения лавинного фотодиода. Т - постоянная времени входной цепи.

Яй - сопротивление нагрузки фотоприемника.

5(]0) - спектральная функция сигнала. С - среднеквадратическое значение.

Р (х) - средняя мощность сигнала, отражаемого от морской поверхности. £ * (- функция, комплексно-сопряженная спектральной функции сигнала.

- чувствительность фотоприемника на принимаемой длине волны излучения.

- энергетический спектр шумов.

V - обобщенный показатель инерционности входной цепи.

4/фФ - эффективная шумовая полоса пропускания приемно-усилительного

тракта.

%(я) - значение индикатрисы рассеяния атмосферной среды в направлении назад (7 = 180°).

и % - коэффициент пропускания приемной оптической системы и светофильтра соответственно.

уи), {уI), {уХ) , (7у) - дисперсии уклонов морской волн в направлении

ветра, поперек направления ветра, в направлении движения (х02) и в плоскости перпендикулярном направления движения (уОт) соответственно . £, О - показатели ослабления и рассеяния атмосферы соответственно. (Хи - расходимость лазерного пучка на выходе передающего объектива.

- угол поля зрения приемного объектива.

гп, ги - радиусы приемной и передающей оптических систем соответственно.

^ 2 - телесный угол поля зрения приемного объектива.

V - скорость приводного ветра. с - скорость света.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможности создания всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот над морской поверхностью»

Актуальность темы исследования

Для измерения малых высот с беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для обеспечения навигации и для исследовательских целей получили применение импульсные лазерные высотомеры, обеспечивающие высокую точность измерения высоты до поверхностей с твердым покрытием. Измерение малых высот до морской поверхности импульсными лазерными высотомерами при посадке гидросамолетов и полетах БЛА связано с особенностью отражающих характеристик облучаемой поверхности, которую можно представлять, как случайную зеркальную поверхность с малым коэффициентом отражения, что приводит к существенному увеличению вероятности пропуска отраженного сигнала в чистой атмосфере фактически в пределах всего измеряемого диапазона высот. Кроме этого, использование лазерных высотомеров ограничивается состоянием атмосферы над морской поверхностью (дымка, туман). Исследование возможности создания всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности, обеспечивающего высокую точность измерений при любых состояниях атмосферы, является актуальной задачей.

Степень научной проработанности проблемы

В работах Мусьякова М.П., Самохвалова И.В., Васильева В.П., Орлова В.М., Козинцева Б.В., Красовкого Р.Р. исследовались вопросы создания импульсных лазерных дальномеров и высотомеров, работающих главным образом, в условиях атмосферы с относительно большой метеорологической дальностью видимости. Указывалось ограничение их применения в условиях тумана и дымки.

Ряд работ посвящен вопросам отражения оптического излучения от морской поверхности, применительно к возможности создания лазерных высотомеров.

Однако недостаточно проработаны задачи измерения малых высот до

морской поверхности в условиях тумана и дымки и возможности создания таких высотомеров, обеспечивающих высокую точность измерений.

Объект исследования - импульсные лазерные высотомеры малых высот до морской поверхности.

Предмет исследования - особенности функционирования высотомеров малых высот при измерении дистанций до морской поверхности в сложных метеорологических условиях, обусловленные отражательными характеристиками поверхности и помехой обратного рассеяния в тумане и дымке.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка нового метода измерения, структуры и алгоритма функционирования импульсного лазерного высотомера до морской поверхности при любых состояниях атмосферы и оценка его энергетических и точностных характеристик.

Задачи диссертационной работы:

1. Провести обзор имеющихся методов и средств измерения высоты и выявить их недостатки.

2. На основе анализа отражательных характеристик морской поверхности определить требования к частоте зондирующих сигналов с учетом заданного времени измерения.

3. В условиях флуктуации принимаемого сигнала скорректировать требования к энергии излучения при локации морской поверхности.

4. На базе анализа помехи обратного рассеяния и отражательных свойств морской поверхности обосновать метод измерения малых высот до морской поверхности в условиях тумана и дымки.

5. Провести оценку обнаружительной способности и точности измерения в условиях чистой атмосферы, тумана и дымки при инерционном и безынерционном приеме оптических сигналов.

6. Разработать метод компенсации динамической погрешности при работе в условиях тумана и дымки.

7. Разработать структурную схему всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности.

Научная новизна работы

1. Разработан метод определения энергии и частоты зондирующих импульсов при локации морской поверхности в чистой атмосфере, обеспечивающий надежное обнаружение как минимум одного сигнала, отраженного от взволнованной водной поверхности.

2. Разработан метод измерения малых высот лазерным высотомером до морской поверхности в условиях тумана и дымки, использующий временную фиксацию спада помехи обратного рассеяния и обеспечивающий высокую точность определения высоты за заданное время измерения.

3. Разработан метод уменьшения динамической погрешности при измерении по спаду помехи обратного рассеяния в условиях априорной неопределенности состояния атмосферы, основанный на компенсации погрешности для более плотных значений тумана по отношению к величине помехи обратного рассеяния в момент контакта импульса излучения с водой при сильной дымке, что позволяет повысить точность измерений в сложных метеоусловиях.

4. Разработаны структура и алгоритм функционирования всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности с двумя измерительными каналами с автоматическим переключением их в зависимости от состояния атмосферы, обеспечивающие высокоточное определение высоты при чистой атмосфере, тумане и дымке.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Техническая реализация предложенных структуры и алгоритма функционирования всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности позволит осуществлять навигацию при посадке гидросамолетов и полета беспилотного низколетящего аппарата над морской поверхностью при любом состоянии атмосферы над морем.

2. Даны рекомендации по выбору частоты импульсов излучения и их энергии при локации морской поверхности для любых высот, обеспечивающие надежное измерение высоты за установленное время измерения.

3. Разработан и изготовлен бортовой оптико-локационный прибор для определения вероятностных характеристик отражения импульсного излучения от морской поверхности, на основе экспериментальных результатов которого разработан метод определения энергии и частоты зондирующих импульсов при локации морской поверхности.

Методология и методы исследования

В работе проведенные исследования базировались на теории светорассеяния в мутных средах, теории случайных процессов и теории статических решений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод определения требуемых частоты и энергии импульсов оптического излучения при лазерной локации морской поверхности, основанный на использовании теоретических и экспериментально установленных вероятностных характеристиках отражения от взволнованной водной поверхности, обеспечивает увеличение вероятности обнаружения как минимум одного отраженного сигнала из серии зондирующих импульсов до уровня 0,99 за установленное время измерения.

2. Метод определения малых высот до морской поверхности в диапазоне от 10 до 60 метров импульсным лазерным высотомером в условиях тумана и дымки, основанный на измерении временного интервала между моментами фиксации спадов излучаемого сигнала и помехи обратного рассеяния, обеспечивает погрешность измерения в 20 раз меньшую по отношению к моноимпульсному зондированию.

3. Метод снижения динамической составляющей погрешности измерения высоты, обусловленной априорной неопределенностью плотности морского тумана, основанный на изменении уровня срабатывания порогового

устройства в зависимости от максимальной величины помехи обратного рассеяния, позволяет уменьшить погрешность временной фиксации ее спада до уровня сопоставимого с величиной погрешности, вызванной амплитудными флуктуациями лазерного излучения.

4. Структура и алгоритм функционирования импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности, основанные на применении двух измерительных каналов - для работы в чистой атмосфере и при тумане с автоматическим переключением между ними, обеспечивают измерение высот в диапазоне от 10 до 60 метров до морской поверхности в расширенном интервале величин метеорологической дальности видимости от 0,1 до 30 километров.

Практическая реализация результатов работы

Практическая значимость результатов исследований подтверждена 3 актами внедрения Университета ИТМО.

Степень достоверности результатов работы основана на корректном применении теории светорассеяния в мутных средах, теории случайных процессов и теории статических решений.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XLIV, XLVI, XLVII научных конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2015, 2017, 2019 гг.); VI, VII, VIII Всероссийских конгрессах молодых ученых СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2017, 2018, 2019 гг.); XIII Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2018 г.); Международной конференции «10th International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation - ISPEMI 2018» (г. Куньмин, Китай, 2018 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, 1 статья в изданиях, включённых в международную базу цитирования Scopus и Web of Science, 1 статья в иных

изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Общий объем диссертации - 118 страница, в том числе рисунков и схем - 40.

Первая глава диссертации посвящена обзору существующих методов и средств для измерения высоты, принципов их построения, особенностей функционирования. В современной высотометрии используются три основных метода измерения высоты: барометрический, радиотехнический и лазерный. На основе приведенного аналитического обзора современных методов измерения высоты показано, что импульсный лазерный высотомер наряду с высокой точностью измерений обеспечивает скрытность работы. Импульсный лазерный высотомер обеспечивает минимальную погрешность и высокую частоту обновления результатов измерения, которые являются самые важные характеристики систем навигации и систем управления взлета и посадки БЛА.

Во второй главе приведен анализ возможности приема оптических сигналов, отраженных от морской поверхности, которую можно представить множеством элементарных зеркальных отражателей с низким коэффициентом отражения, случайно ориентированных в пространстве.

В данной главе исследованы отражающие характеристики морской поверхности при облучении ее оптическими импульсами. В результате исследований приведены основные вероятностные характеристики как: плотность вероятностей отражения оптического излучения от морской поверхности при различных углах ее облучения, плотность вероятностей величины принимаемых сигналов при отражении от морской поверхности при различных углах ее облучения.

На основе рассмотренных вероятностных характеристик разработана методика определения требуемой частоты зондирования такой поверхности при работе в чистой атмосфере для надежного обнаружения одного или

нескольких сигналов.

На основе анализа рабочих характеристик приемника в условиях флуктуации принимаемых сигналов от морской поверхности разработана методика корректировки энергетического расчета и показана необходимость увеличения мощности излучения почти в 2 раза по отношению к условиям приема детерминированного сигнала.

В третьей главе приведен анализ временной структуры помехи обратного рассеяния при различных состояниях атмосферы и на основе которого предложен новый метод измерения малых высот до морской поверхности в условиях тумана и дымки.

Необходимость осуществления измерения малых высот до морской поверхности в условиях тумана и дымки приводит к поиску возможного метода измерения малых высот в этих условиях.

Прежде всего необходимо рассмотреть возможность использования такого отрицательного фактора, как помеха обратного рассеяния на малых дистанциях над водной поверхностью.

Для проведения измерения малых высот импульсным лазерным высотомером до морской поверхности в условиях тумана и дымки необходимо иметь априорные сведения о временной структуре помехи обратного рассеяния. Анализ этой помехи для различных состояний атмосферы дает возможность сформулировать принцип использования этого вредного и неустранимого явления для измерения малых высот до морской поверхности.

В данной главе приведен анализ временной структуры помехи обратного рассеяния тремя методами при заданной мощности излучения в различных состояниях атмосферы: в приближении однократного рассеяния, двукратного рассеяния и метод численного моделирования с использованием импульсных характеристик обратного рассеяния атмосферы.

Полученные результаты указывают на то, что временные функции помехи обратного рассеяния в приближении двукратного рассеяния незначительно отличаются от приближения однократного. Метод численного

моделирования с использованием импульсной характеристики помехи обратного рассеяния учитывает не только мощность излучаемого сигнала, но и форму его, что позволяет получить более точную временную структуру помехи обратного рассеяния, что важно для определения временной структуры спада помехи обратного рассеяния в момент контакта с водой импульса излучения.

В работе также приведены расчеты средней мощности возможных принимаемых сигналов, отраженные от морской поверхности при различных высотах в различных состояниях атмосферы.

На основе анализа временной структуры помехи обратного рассеяния предложен метод определения малых высот до морской поверхности оптическими импульсами в условиях тумана и дымки, основанный на измерении временного интервала между моментами временной фиксации спадов зондирующего импульса и помехи обратного рассеяния.

В четвертой главе на основе анализа обнаружительной способности и погрешностей измерения формулируются требования к разработке всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности.

Проведен анализ пороговых соотношений и потенциальной точности с использованием фотодетекторов, для которых энергетический спектр шумов, приведенных ко входу, рассматривался как равномерный (безынерционный прием), так и функционально зависимый от частоты (инерционный прием).

Анализ обнаружительной способности высотомера показал, что в условиях безынерционного приема (с использованием лавинных фотодиодов) для заданных характеристик излучаемого импульса при работе в чистой атмосфере надежное обнаружение за время измерения одного сигнала, отраженного от морской поверхности, может осуществляться на высотах 120 м. При величинах отраженных сигналов от морской поверхности существенно меньших порогового значения надежный контакт с морской поверхностью, а, следовательно, и измерение высоты, может осуществляться по спаду сигнала

обратного рассеяния уже в условиях сильной дымки начиная с дистанции 50 м. При туманах с дистанции 65 метров. В случае наличия отраженного сигнала, превышающего пороговый уровень, измерения можно осуществлять при сильной дымки на дистанциях до 100 м и очень сильной дымки на дистанциях до 85 метров. При слабом тумане до 85 метров, а при сильном тумане до 80 метров.

При инерционном приеме (с использованием фотодиодов и p-i-n фотодиодов) для наиболее характерной величины обобщенного показателя инерционности входной цепи в условиях тумана и дымки измерение по спаду сигнала обратного рассеяния надежное измерение в условиях сильного тумана обеспечивается на высотах до 55 метров, среднего и слабого тумана до 60 метров, при сильной дымке до 50 метров. При меньшей инерционности входной цепи при сильной дымке надежное измерение можно осуществить до высот 55 метров.

Анализ потенциальной точности показал, что максимальная погрешность измерения высоты по спаду помехи обратного рассеяния для безынерционного приема имеет место при сильной дымке даже при расширении полосы пропускания в 1,73 раза и составляет ±1м, а в условиях инерционного приема погрешность измерения достигает ±4,5м. При этом расширение полосы пропускания аналогично безынерционному приему приводит к увеличению погрешности.

В результате проведенного анализа погрешностей измерения показано, что при заданном времени измерения погрешность высотомера при работе в условиях тумана и дымки может быть значительно меньше, чем в чистой атмосфере.

Приведенный анализ также показано, что наиболее опасной при измерении высоты в условиях априорной неопределенности плотности тумана и дымки является динамическая погрешность при фиксации временного положения спада помехи обратного рассеяния. В работе предложена методика и схема, позволяющая существенно сократить динамическую погрешность.

Разработана структурная схема всепогодного импульсного лазерного высотомера малых высот до морской поверхности с двухканальными измерительными каналами, позволяющими измерить с высокой точностью в условиях тумана и сильной дымки высоты до 50 метров.

Пятая глава диссертации посвящена разработке бортовой импульсной измерительной системы для исследования вероятностных характеристик отражения при локационном зондировании морской поверхности.

Приведены лабораторные испытания работоспособности прибора при имитации изменения углов крена и тангажа ±45°, которые показали надежную стабилизацию направления излучения в этих условиях, а также надежную работу устройства для всех режимов измерения.

Работа была выполнена на факультете Прикладной оптики Университета ИТМО.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ

1.1 Барометрические высотомеры

Барометрический метод измерения высоты основан на определении давления атмосферы, которое уменьшается с увеличением высоты. Итак, сущность этого принципа заключается в том, что барометрический высотомер на самом деле измеряет не высоту, а давление воздуха. Давления воздуха в зависимость от высоты до 11000 м выражается следующей формулой [1]

Р. = Р

1 -

г я

гр

т

л

т„

(1.1)

о у

Решая это уравнение относительно высоты, получим:

н

1 -

РН

Р

V Ро

т

Г\

гр

(1.2)

где Я - газовая постоянная (29,27 м/град).

Соотношение (1.2) указывает на функциональную зависимость текущей высоты от давления на высоте полета Рн и температурного градиента г при

известных исходных значениях давления и температуры Р0 и Т0.

При заданных постоянных значениях Р0, Т0 и г определяемая высота

является функцией атмосферного давления, которое можно измерить на борту летательного аппарата с помощью барометра, шкала которого градуируется в единицах высоты.

Барометрический метод определения высоты связан с рядом погрешностей, которые приводят к значительной ошибке в указанных значениях высотомера. Несмотря на это барометрические высотомеры широко применяются в авиации из-за их простоты построения и удобства пользования.

Измерение высоты барометрическими высотомерами сопряжено с инструментальным, аэродинамическим и методическим погрешностями.

Инструментальные погрешности АН возникают вследствие несовершенства изготовления прибора, неустойчивость чувствительного элемента и неточности его регулировки. Причины возникновения инструментальных погрешностей обычно находятся в механизме высотомера. Каждый высотомер имеет собственные инструментальные погрешности, которые определяются поверкой и фиксируется в специальной таблице для учета в полете.

Аэродинамические погрешности АНа связана с изменениями

воздушного потока для больших скоростей летательного аппарата, а также датчика давления и его расположения. Эта погрешность также заносятся в таблицу поправок.

Методические погрешности связаны отступлением фактического состояния атмосферы от расчетных параметров, которые обычно принимаю следующие значения: температурный градиент £ = 6,5° на 1000 м высоты,

давление атмосферы на уровне моря Ро = 760 мм рт. ст., температуре ^ = + 15°С.

Барометрический высотомер определяет высоту с погрешностью, обусловленной отступлением реальных условий атмосферы от стандартных, а также не учитывается изменение рельефа местности, над которой происходит полет.

Таким образом, методическую погрешность можно разделить на три составляющие, зависящие от:

1) изменения атмосферного давления на уровне пролетаемой поверхности;

2) изменения температуры воздуха;

3) изменения рельефа местности по маршруту полета. Составляющая методической погрешность от изменения атмосферного

давления на уровне пролетаемой поверхности АНб зависит от маршрута

полета вследствие неодинаковых значений давления атмосферы на земной

поверхности. В этом случае барометрический высотомер определяет высоту относительно уровня изобарической поверхности, на которой истинная высота не одинаковая в различных точках. Например, на рисунке 1.1 показано, что, если в исходной точке давление составляло величину 760 мм рт. ст., а на маршруте полета оно составляло значения 750 и 765 мм рт. ст., то возникает погрешность в определении истинного значения высоты.

Рисунок 1.1 - Составляющая методической погрешности высотомера из-за изменения давления на поверхности по маршруту полета

Важной характеристикой является барометрическая ступень, под которой понимается интервал высоты, соответствующий изменению давления на 1 мм рт. ст.

При низких высотах изменению давления на один миллиметр соответствует 11 м высоты. Таким образом, можно считать, что барометрическая ступень равна 11 м. Отсюда следует, что составляющую методической погрешности, обусловленную изменением атмосферного давления на уровне пролетаемой поверхности, можно определить простой

зависимостью АНб = ПАР.

Так как шкала высотомера калибруется по расчетной средней температуре воздуха на измеряемой высоте, а в реальных условиях температура воздуха не совпадает с расчетной, то возникает составляющая

методическом погрешности, связанная с изменением температуры воздуха

АН,.

Методическую температурную коррекцию барометрического высотомера можно определить по следующей формуле [4]

АТ

АН, = Нпр

ТА

(1.3)

где Тд - действительная температура воздуха на данной высоте; Нпр -

значение высоты, показываемая высотомером; АТ - разность между действительной температурой и расчетной температурой для данной высоты. Знак коррекции определяется знаком АТ.

Формула (1.3) позволяет представить приближенное выражение для определения температурной коррекции, обеспечивающее достаточную

точность для измерения малых высот [4]:

АН = Н„

' пр 300

(1.4)

где ^ - действительная температура у земли в градусах Цельсия.

Формула (1.4) свидетельствует о том, что при температурах у поверхности земли ниже +15° высотомер будет завышать показания о высоте, а в случае, при котором температура выше этой величин, будет занижение значений высоты (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Составляющая методической погрешности при изменении температуры воздуха

Необходимо учитывать эту составляющую погрешности лишь для полетов на малых высотах при отрицательной температуре. Можно считать, что изменение реальной температуры воздушной среды на 3 градуса от расчетной увеличивает погрешность на 1%. Методическая температурная коррекция барометрического высотомера обычно учитывается с помощью навигационной линейки НЛ-10 [2].

Составляющая методической погрешности, зависящая от изменения рельефа местности, возникает вследствие того, что определение высоты осуществляется относительно установленного в барометрическом высотомере исходного атмосферного давления, а не давления над реально пролетаемой поверхностью. На рисунке 1.3 показана возникновение рассматриваемой составляющей методической погрешности. На рисунке обозначены: Ни -истинная высота полета; Набс - абсолютная высота, отсчитываемая от уровня моря Нотн - относительная высота, отсчитываемая от некоторого условного уровня; Нр - высота рельефа; Нэш - высота эшелона, отсчитываемая от уровня с давлением 760 мм рт. ст.

1 к : 1

и (в к а К г К К Ен О К

1

Уровень моря Ул Нр , ^^^Аэродром взлета

Г р = 760 мм рт. ст ..--""'

Рисунок 1.3 - Методическая погрешность барометрического высотомера от изменения рельефа местности Важно отметить тот факт, что этой составляющей погрешности при определении высоты над морской поверхностью можно пренебречь при

использовании барометрических высотомеров. Однако суммарная погрешность барометрических высотомеров остается достаточно большой.

Из изложенного следует, что вследствие большой величины погрешности измерения барометрические высотомеры не могут использоваться для измерения с высокой точностью малых высот над морской поверхностью.

1.2 Радиотехнические высотомеры

Принцип действия радиотехнического высотомера (радиовысотомера) основан на измерении интервала времени между моментами передачи радиосигнала и приема его, соответствующего времени распространения электромагнитного колебания от передающей антенны до облучаемой поверхности и обратно, к приёмной антенне. Известно, что радиоволны распространяются в атмосфере с определенной скоростью (~ 3.108 м/с), следовательно, измеряемая высота в зависимости от времени задержки радиосигнала определяется формулой:

„ с • г

=т (15)

где с ~ 3.108 м/с - скорость радиоволн, Н - измеряемая высота, ? - время задержки.

Метод определения времени задержки радиосигнала зависит от его типа:

• при использовании импульсных радиосигналов: с помощью цифровых счетчиков времени измеряется временной интервал между временными положениями излучаемого и принимаемого импульсов.

• при использовании частотно-модулированного радиосигнала: излучаемый сигнал представляет собой высокочастотные колебания, частота которых меняется по времени (частотная модуляция). Более широко применяется радиосигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-радиосигнал), частота которого линейно меняется по времени.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Дык Тунг, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Иткинов Х.Г. Штурманский справочник. М.: ДОСААФ, 1978. 271 с.

2. Кормашов В.А. Навигационная счетная линейка НЛ-10. М.: Воениздат, 1956. 100 с.

3. Волкоедов А.П., Паленый Э.Г. Оборудование самолётов. М.: Машиностроение, 1980. 230с.

4. Черный М.А., Кораблин В.И. Самолетовождение. М.: Изд-во «Транспорт», 1973. 368 с.

5. Bufton J.L. Laser altimetry measurements from aircraft and spacecraft // Proc. IEEE. 1989. V. 77. P. 463-477.

6. Лебедько Е.Г. Системы импульсной оптической локации. Учеб. пособие. СПБ.: Лань, 2014. 368 с.

7. Волохатюк В.А., Кочетков В.М., Красовский P.P. Вопросы оптической локации. М.: Советское радио, 1971. 176 с.

8. Сергеев А.П., Прошлецов А.А. Радиоэлектронное оборудование вертолета Ми-8(Т) и его модификаций. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2017. 48 с.

9. P. Keranen, K. Maatta and J. Kostamovaara, "A Wide Range Time-to-Digital Converter With 1ps Single-Shot Precision", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 60, Issue 9, 2011, pp. 3162-3172.

10. J. Jansson, A. Mantyniemi, J. Kostamovaara, "A CMOS Time-to-Digital Converter with Better than 10ps Single-Shot Precision", IEEE Journal of SolidState Circuits, Vol. 41, No. 6, June 2006, pp. 1286 - 1296.

11. TDC-GPX. Datasheet. ACAM. December 2006. - Режим доступа к ресурсу http://acam-e.ru/7page id=43 свободный.

12. THS788 Quad Channel Time Measurement Unit. Datasheet. Texas Instruments. - Режим доступа к ресурсу http://www.ti.com/product/THS788 свободный.

13. Цуканова Г.И., Бахолдин А.В. Спецразделы прикладной оптики, Учебное пособие. СПбНИУ ИТМО, 2008, 77с.

14. Пат. №2012907 Рос. Федерация: МПК G02B17/08. Зеркально-линзовый объектив / Щеглов С.И.

15. Способ дискретного измерения временных интервалов: а. с. / Лебедько Е.Г., Аверьянов Г.А., Хайтун Ф.И. - Пат. № 340340 от 28 .02.1972.

16. Ruotsalainen T., Palojarvi P., Kostamovaara J. A current-mode gain-control scheme with constant bandwidth and propagation delay for transimpedance preamplifier // IEEE J. Solid-State Circuits. 1999. Vol. 34, N 2. P. 253-258.

17. Raisanen-Ruotsalainen E., Rahkonen T., Kostamovaara J. Integrated time-to-digital converters based on interpolation // J. Analog Integr. Circ. Signal Process. 1998. Vol. 15, N 1. P. 49-57.

18. Longuet-Higgins M. S. The effect of non-linearities on statistical distribution in the theory of sea waves // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, N 3. P. 459-480.

19. Браславский А. Б. Расчет ветровых воли // Труды ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1952. Т. 35, № 89.

20. Bass F. G., Fuks I. M. Wave Scattering from Statistically Rough Surfaces. Pergamon Press, Oxford. 1979.

21. Крылов Ю. М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. Л.: Гидрометеоиздат. 1966.

22. Судольский А. С. Исследование ветровых течений в аэрогидравлических потоках // Труды ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. № 173.

23. Нгуен Д.Т., Нгуен В., Лебедько Е.Г. Особенности проектирования бортового импульсного лазерного высотомера до морской поверхности // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61. №2 9. С. 745-750.

24. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск: Наука и техника. 1975. 526 с.

25. C. D. Mobley Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters. Academic. 1994.

26. Jelalian A.V. Sea echo at laser wavelengths // Proc. IEEE. 1968. Vol. 56, N 5. P. 828-835.

27. Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В. Моделирование плотности вероятностей уклонов морской поверхности в задачах рассеяния радиоволн // Изв. вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 2. С. 110-121.

28. Cox C., Munk W. Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the sun's glitter // J.O.S.A. 1954. Vol. 44, N 11. P. 838-850.

29. Гуревич Г.С. О статистических характеристиках лазерного излучения, отраженного от морской поверхности // Оптика моря. М.: Наука, 1983. С. 137-142.

30. Шифрин К.С., Гардашев Р.Г. Модельные расчеты отражения света от морской поверхности // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21, № 2. С. 162-169.

31. Tsai B.M., Gardner C.S. Remote sensing of sea state using laser altimeter // Appl. Opt. 1982. Vol. 21, N 21. P. 3932-3940.

32. Лебедько Е.Г., Покровский Ю.П., Порфирьев Л.Ф., Симовский P.A., Иванов В.И. Вероятностные характеристики отражения импульсных сигналов от взволнованной водной поверхности // Изв. вузов. Приборостроение. 1976. Т. 19, № 6. С. 109-113.

33. Лебедько Е.Г. Теоретические основы передачи информации / Учебное пособие. СПБ.: Лань, 2011. 352с.

34. Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И. Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем. Л.: Машиностроение, 1984. 191 с.

35. Козлов В.П., Федорова Е.О. Отражение света от рассеивающей среды // ОМП. 1967. № 1. С. 1-7.

36. Скрелин А.Л., Иванов А.П., Калинин И.И. Пространственно-временная структура световой дымки от импульсного излучателя в атмосфере // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1970. Т. 6. С. 889-899.

37. Козинцев М.П., Белов В.М. и др., Основы импульсной лазерной локации. М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 512 с.

38. Зуев B.E. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981. 288 с.

39. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Н.: Наука, 1987. 173 с.

40. Орлов В.М., Самохвалов И.В., Матвиенко Г.Г., Белов М.М., Кожевников А.Н. Элементы теории светорассеяния и оптическая локация. Н.: Наука, 1982. 224 с.

41. Орлов В.М., Самохвалов И.В., Креков Г.М. и др. Сигналы и помехи в лазерной локации. М.: Радио и связь, 1985. 264 с.

42. Chandrasekhar S. Radiative transfer. Oxford University Press, 1950. 405 рр.

43. Kokhanovsky A.A. Aerosol Optics. Springer, 2008. 153 p.

44. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles. Cambridge University Press, 2002.

45. van de Hulst H.C. Multiple Light Scattering: Tables, Formulas and Applications, New York. Academic Press, 1980.

46. Zege E.P., Katsev I.L., Ivanov A.P. Image Transfer through Scattering Media. Berlin: Springer, 1991.

47. Sobolev V.V. Light Scattering in Planetary Atmospheres. Pergamon Press, Oxford, 1975.

48. Седунов Ю.С. Атмосфера: Справочник (справочные данные, модели). Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 508 с.

49. Green H., Lane W. Particulate clouds: dusts, smokes and mists. 2nd ed., Van Nostrand Co., Inc., Princeton, N.J., 1964.

50. Henyey L.C., Greenstein J.L. Diffuse radiation in the galaxy. Astrophysical Journal, 1941, vol. 93, p. 70-83.

51. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоретической атмосферной оптики. Учебно-методическое пособие. СПб.: Физический ф-т СПбГУ, 2007. 152 с.

52. Bass F.G., Fuks I.M. Wave Scattering from Statistically Rough Surfaces. Pergamon Press, Oxford, 1979.

53. Phillips D.M. Effects of the wavenumber spectrum of sea surface on laser beam reflection // Aust. J. Phys. 1979. V. 32. N 5. P. 469-489.

54. Hieronymi M. Polarized reflectance and transmittance distribution functions of the ocean surface // Opt. Express. 2016. V. 24. N 14. P. 1045-1068.

55. Белов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.А., Стрелков Б.В. Мощность лазерного сигнала, принимаемого локатором от случайного участка неровной морской поверхности // Вестник МГТУ. Сер. «Приборостроение». 2008. № 3. C. 3-15.

56. D. E. Barrick, "Rough surface scattering based on the specular point theory," IEEE Trans. Antenn. Propag. 16(4), 449-454 (1968).

57. Damien Josset, Peng-Wang Zhai, Yongxiang Hu, Jacques Pelon, and Patricia L. Lucker, "Lidar equation for ocean surface and subsurface," Opt. Express 18, 20862-20875 (2010).

58. Нгуен Д.Т., Лебедько Е.Г., Нгуен В. Возможность измерения малых высот над морской поверхностью в условиях дымки и тумана // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 5. С. 758-764.

59. Ле Д., Лебедько Е.Г., Нгуен Д.Т., Лю Лу Потенциальная точность измерения наклонной дальности с учетом инерционности входной цепи приемной системы // Известия высших учебных заведений. Приборостроение . 2017. Т. 60. № 7. С. 654-659.

60. Фалькович С.Е. Оценка параметров сигналов. Москва. Сов радио, 1970. 334с.

61. Нгуен Д.Т., Лебедько Е.Г. Анализ отражательных импульсных характеристик поверхностей при измерении наклонной дальности. // XLIII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО. Сборник тезисов - СПб. 2014 г.

62. Нгуен Д.Т., Лебедько Е.Г. Особенность энергетического расчета при измерении наклонной дальности. // XLIV научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, Альманах научных работ молодых ученых -СПб. 2015 г.

63. Нгуен Д.Т. Анализ отражённых сигналов при измерении наклонной дальности //Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых - СПб. 2015 г.

64. Пат. №2013155092 Рос. Федерация: МПК G01S 17/08. Способ измерения наклонной дальности и устройство для его осуществления / Лебедько Е.Г., Серикова М.Г., Нгуен Дык Тунг.

65. Мусьяков М.П., Миценко И.Д., Ванеев Г.Г. Проблемы ближней лазерной локации: Учебное пособие для ВТУЗов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 - 295 с.

66. Балашов И.Ф. Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров (Пособие по методике инженерного расчета). СПбГИТМО, 2000. - 19 с.

67. Молебный В.В. Оптико-локационные системы. М.: Машиностроение., 1981. 180с.

68. Crittenden E.C., Rodeback G.W., Cooper A.W., Bourne C.M. Laser altimeter for use over the ocean. Naval Postgraduate School, 1989.

69. Bruzzi J.R. и др. A Compact Laser Altimeter for Spacecraft Landing Applications // Johns Hopkins Apl. Tech. Digest. 2012. V. 30. N 4. PР. 331345.

70. Небылов A.B. Измерение параметров полета вблизи морской поверхности. СПб.: СПб ГУАП, 1994.

71. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.

72. Zapevalov A.S., Lebedev N.E. Simulation of statistical characteristics of sea surface during remote optical sensing // Atmos. Ocean Opt. 2014. V. 27. N 6. pp. 487-492.

73. Гурин Е.И. Построение быстродействующих высокоточных преобразователей временных интервалов с использованием ускоренной нониусной интерполяции //Автометрия. 1999. № 3. С. 57-64.

74. C. S. Gardner, "Target signatures for laser altimeters: an analysis," Appl. Opt. 21, 448-453 (1982)

75. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. M.: Радио и связь, 1982.

76. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.

77. Cramer H. Mathematical Methods of Statistics. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1946.

78. Абрамовица М., Стигана И. Справочни по специальным функциям. М.: Наука, 1979. 548 с.

79. Лебедько Е.Г. Оценка параметров сигналов в оптико-электронных приборах. Учебное пособие. СПб: ИТМО, 2001. 39 с.

80. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981.

81. Васильев В.П. (ред.) и др. Лазерная дальнометрия. М.: Радио и связь, 1995.

82. Анисимова У.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники. М.: Радио и связь, 1984. 216с.

83. Ермаков Б.А. Оптико-электронные приборы с лазерами. Л.: ГОИ, 1982.

84. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989, 432 с.

85. Kilpela A. (2004) "Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast, high precision measurement applications". (Doctoral dissertation, University of Oulu, Finland).

86. Peremans H., Audenaert K., Van Campenhout J.M. A High-Resolution Sensor Based on Tri-aural Perception // IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1993. Vol. 9., No. 1.

87. Watanabe S., Yoneyama M. An Ultrasonic Visual Sensor for Three-Dimensional Object Recognition Using Neural Networks // IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1992. Vol. 8, No. 2, pp. 240 - 249.

88. Boehmke S.K., Bares J., Mutschler E., Lay N.K. A High-Speed 3D Radar Scanner for Automation. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2777-2782.

89. Fisher P. Improving on police radar. IEEE Spectrum July 1992, pp. 38-43.

90. Nguyen T.D., Lebedko E.G. The possibility of measuring low altitudes above the sea surface with pulsed laser altimeter under conditions of fog // Proceedings of SPIE, Vol. 11053, pp. 1105311 (2019).

91. Nanostack Pulsed Laser Diode in Plastic Package 75 W Peak Power - Radial T1 3/4, SPL PL90_3. OSRAM. Datasheet. - Режим доступа к ресурсу https://www.osram.com/os/ecat/Radial%20T 1 %2034%20SPL%20PL90 3/co m/en/class pim web catalog 103489/global/prd pim device 2220019/ свободный.

92. Si PIN photodiode - S5971. Hamamatsu. Datasheet. - Режим доступа к ресурсу https : //www.hamamatsu.com/j p/en/product/type/S5971/index.html свободный.