Модели и методы прогнозирования и компенсации помех в системах миллиметровой, субмиллиметровой и оптической локации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, доктор наук Головков Владимир Алексеевич

• Головков Владимир Алексеевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Головков Владимир Алексеевич

Введение

1. Постановка задачи, модели помех в локационных системах

1.1. Обзор литературы и постановка задачи

1.2. Модели помех при анализе сигналов в локационных системах

1.3. Пути борьбы с помехами в локационных системах

1.4. Выводы

2. Прогнозирование и интерполяция помех в локационных системах

2.1. Постановка задачи

2.2. Структура линейных прогнозирующих фильтров

2.3. Параметры линейных прогнозирующих фильтров

2.4. Коэффициент передачи линейных прогнозирующих фильтров

2.5. Эффективность линейного прогнозирования случайных процессов

2.6. Выбор параметров цифровых прогнозирующих фильтров

2.7. Относительная эффективность различных типов выборок

2.8. Особенности прогнозирования производной случайного процесса

2.9. Оптимальная линейная интерполяция случайных процессов

2.10. Выводы

3. Компенсация помех при выделении сигналов

3.1. Постановка задачи

3.2. Компенсация помехи методом интерполяции

3.3. Компенсация помехи в реальном времени

3.4. Эффективность компенсации помехи в реальном времени

3.5. Экспериментальное исследование компенсации помехи

3.6. Выводы

4. Нелинейные процессы в локационных системах

4.1. Постановка задачи

4.2. Прогнозирование релеевского случайного процесса

4.3. Выбросы мультипликативного случайного процесса

4.4. Выводы

5. Борьба с помехами путем выбора диапазона излучения

5.1. Постановка задачи

5.2. Обнаружение быстродвижущихся целей в УФ диапазоне

5.2.1. Постановка задачи

5.2.2. Фоноцелевая обстановка УФ диапазона

5.2.3. Теоретическое обоснование исследований

5.2.4. Описание экспериментальной установки

5.2.5. Результаты экспериментальных исследований

5.2.6. Выводы

5.3. Обнаружение оптических приборов в УФ диапазоне

5.3.1. Постановка задачи

5.3.2. Фоноцелевая обстановка

5.3.3. Исследование оптических материалов ИК диапазона

5.3.4. Исследование оптических материалов и линз видимого диапазона

5.3.5. Исследование оптических приборов

5.3.6. Выводы

5.4. Пассивное обнаружение быстродвижущихся целей локационными системами

5.4.1. Постановка задачи

5.4.2. Фоноцелевая обстановка

5.4.3. Описание экспериментальной остановки

5.4.4. Результаты экспериментальных исследований

5.5. Выводы

6. Техническое обеспечение локационных систем

6.1. Постановка задачи

6.2. Вибрационные помехи при испытании оптико - электронных систем

6.2.1. Математическое и программное обеспечение при исследовании

вибрационных помех

6.2.2. Корреляционные функции и спектральные плотности вибрационных

помех, приводящих к смещению изображения

6.2.3. Влияние вибрационных возмущений на смещение изображения в ОЭС

6.2.4. Вероятностная модель случайных процессов, смещения изображения

при вибрационных воздействиях и возможность контроля испытаний

6.2.5. Волоконно-оптический гирометр для измерения угловой скорости

оптических элементов.

6.3. Оптико-электронный ретранслятор цифровых сигналов

6.4. Перехват информации открытой оптической линии связи

6.5. Одноэлементный термодетектор

6.6. Выводы

7. Заключение

8. Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы прогнозирования и компенсации помех в системах миллиметровой, субмиллиметровой и оптической локации»

Введение

Актуальность темы. Борьба с помехами различной физической природы в локационных системах (ЛС) радио и оптического диапазона электромагнитного излучения является «вечной» задачей. В радиолокационных системах (РЛС) миллиметрового (ММ), субмиллиметрового (СМ) и оптических локационных системах (ОЛС) облучение цели, как правило, нестационарно, так как используются короткие зондирующие импульсы, что позволяет достичь высокой разрешающей способности локационной системы, но делает неизвестными форму и длительность отраженных от целей импульсов, что исключает классическую согласованную фильтрацию принимаемых сигналов. Описать принимаемые сигналы как случайный процесс с определенными параметрами невозможно, что не позволяет использовать фильтрацию Винера или Калмана. Таким образом, для РЛС диапазонов ММ, СМ и ОЛС актуальным является создание аппарата фильтрации, согласованной только с характеристиками помехи, или фильтрации, компенсирующей помеху. При этом необходимо провести исследование моделей случайных процессов, характерных для локационных систем, развить аппарат прогнозирования и интерполяции случайных процессов и, используя этот аппарат, исследовать возможность компенсации помехи, что позволит повысить эффективность работы локационных систем. Обнаружение целей с малой эффективной отражающей площадью (ЭОП) принципиально затруднено. Поэтому актуальным является выявление новых информационных признаков цели, поиск диапазона электромагнитного, в котором цель максимально контрастна, что позволит повысить вероятность обнаружения целей с малой ЭОП и уменьшить воздействие на локационные системы антропогенных и природных помех. Актуально также исследование и компенсация вибрационных помех, приводящих к «смазу» оптического изображения на фотоприемной матрице при испытаниях оптико-электронных систем (ОЭС), и разработка технического обеспечения локационных систем, что позволяет решать конструктивные проблемы и обеспечивать электромагнитную совместимость узлов локационных систем.

Степень разработанности темы.

Вопросы исследования моделей помех и борьбы с ними в РЛС диапазонов ММ, СМ, и ОЛС рассматривались в работах различных авторов, например, Ю.М.Казаринова, П.А.Бакулева, А.Б. Борзова, И.Б. Федосеева, Ю.Г. Якушенкова, М.М. Мирошникова, Е.Г. Лебедько, И.А. Непогодина, Б.А. Ермакова, Г.Г. Ишанина, В.Е. Карасика, В.М. Орлова, В.Е. Зуева, В.И. Татарского, Э. Шанда, Б. Кросиньяни, Дж. Гудмена, R.A. Mc Clathey, Н.Н. Красильникова, М.М. Гуревича, Д.П. Лукьянова, П.А. Бакут, Л.Ф. Порфирьева, Д.Н. Еськова, С.И. Муравьева, C.F. Cowan, P.M. Grant и других. В этих работах рассмотрены вопросы приёма сигналов, влияния атмосферы на распространения электромагнитного

излучения, построение технического обеспечения РЛС и ОЛС. Помехой при этом в широком смысле являются все факторы припятствующие правильному приёму сигналов, а не только шумы приёмников. При обработке сигналов после приёмника согласованная фильтрация, широко применяемая в радиолокации, когда форма принимаемого отраженного сигнала известна, может использоваться при приеме сигналов РЛС диапазонов ММ и СМ и ОЛС лишь частично, при стационарном облучении целей. Это обусловило для автора необходимость поиска путей повышение отношения сигнал/помеха в ЛС или фильтрации, согласованной только с помехой с учетом неизвестной формы сигнала при нестационарном облучении цели короткими зондирующими импульсами. При этом сигнал на выходе приемного устройства как, например, диода Шотки или охлаждаемых болометров, для ММ и СМ диапазонов, так и на выходе фотоприемных устройств (ФПУ) может быть рассмотрен как кратковременная флуктуация математического ожидания случайного процесса-помехи неизвестной длительности и формы. Помеха в виде малой ЭОП цели затрудняет её обнаружение и приводит к необходимости поиска дополнительных информационных признаков целей, которые проявляются в оптическом диапазоне за счет взаимодействия оптического излучения и создаваемых целью турбулентных потоков воздуха, как установлено автором в эксперименте. Выбор оптического диапазона может увеличить контраст оптических элементов цели на фоне земной поверхности при уменьшении влияния антропогенных и природных помех. При работе и испытаниях оптических систем большое влияние оказывают вибрационные помехи, вызывающие «смаз» изображения на фотоприемной матрице ОЭС, что приводит к необходимости исследования статистических характеристик вибрационных возмущений при испытаниях ОЭС. Необходимо также исследование и создание технического обеспечения ММ и СМ локаторов и ОЛС с целью обеспечения электромагнитной совместимости и решения конструктивных проблем.

Целью диссертационной работы является решение проблемы борьбы с помехами различной физической природы в системах миллиметровой, субмиллиметровой и оптической локации путем создания аппарата оптимальной фильтрации согласованной только со статистическими характеристиками помехи, поиска новых информационных признаков сверхзвуковых малоразмерных целей с помощью спектральной оптической фильтрации, исследование обнаружения оптических приборов, а также исследование и разработка технического обеспечения систем локации в виде устройств и приборов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Развитие теории и разработка математического аппарата оптимального линейного и квазилинейного прогнозирования и интерполяции случайных процессов, модели которых используются при описании помех в приемных системах; оценка эффективности этого аппарата

для дифференцируемых неограничено и дифференцируемых конечное число раз случайных процессов для создания новых методов борьбы с помехами в локационных системах.

2. Анализ и создание математической модели процесса компенсации помех путем оптимальной линейной интерполяции помехи с использованием выборок случайного процесса различного вида и оценка эффективности этого метода.

3. Анализ и создание математической модели процесса компенсации помех и выделения сигнала в системах реального времени с использованием аппарата прогнозирования случайных процессов и оценка его эффективности.

4. Исследование среднего числа выбросов мультипликативной помехи в виде произведения нормального и релеевского случайных процессов, возникающей при замираниях сигнала в атмосфере и вибрационных возмущениях в механических каналах.

5. Обоснование и поиск методов обнаружения сверхзвуковых малоразмерных воздушных целей в диапазоне солнечно-слепого ультрафиолетового (УФ) излучения при минимизации помех солнечной засветки и увеличении ЭОП целей; экспериментальное подтверждение предлагаемых методов решения проблемы.

6. Обоснование и экспериментальное исследование методов обнаружения оптических приборов в УФ диапазоне за счет минимизации воздействия помех, вызванных отражением от природных образований и антропогенных помех.

7. Исследование теплового поля быстродвижущейся в атмосфере малоразмерной цели и оценка возможности её пассивного обнаружения.

8. Разработка модели и экспериментальное исследование вибрационных помех на оптическом испытательном стенде, влияющих на случайные смещения изображения при испытаниях ОЭС.

9. Разработка и исследование технического обеспечения локаторов в виде оптического ретранслятора цифровых сигналов, пассивного одноэлементного термодетектора для обнаружения «теплых» целей.

Научная новизна работы Основными новыми научными результатами диссертации являются:

1. Разработан математический аппарат оптимального нерекурсивного линейного и квазилинейного прогнозирования и интерполяции дифференцируемых и дифференцируемых конечное число раз случайных процессов по выборкам различного вида, и выполнена оценка эффективности прогнозирования, в том числе при построении цифровых фильтров.

2. Предложен алгоритм компенсации помех и выделения сигнала неизвестной формы с использованием оптимальной интерполяции помехи по выборкам различного вида и

размерности в двух узловых точках, оценена его эффективность и проведена подтвердившая его экспериментальная проверка.

3. Предложен алгоритм компенсации помех на основе прогнозирования случайных процессов для реального времени, оценена его эффективность и проведена экспериментальная его проверка методом имитационного моделирования и при обработке сигнала.

4. Впервые исследовано среднее число выбросов мультипликативной помехи в виде произведения нормального и релеевского случайных процессов, возникающей при замираниях сигналов в различных средах.

5. Предсказан и экспериментально обнаружен эффект значительного увеличения ЭОП сверхзвуковой воздушной цели в диапазоне солнечно-слепого УФ излучения за счет рассеяния на турбулентных вихрях, возникающих за ударно-волновым слоем, формируемым целью.

6. Обоснована и экспериментально оценена возможность обнаружения оптических приборов при подсветке их УФ излучением за счет увеличения их контраста на фоне местности.

7. Обоснована и экспериментально оценена возможность пассивного обнаружения быстродвижущихся малоразмерных целей в оптическом и радиодиапазонах ММ, СМ волн при исследовании задач артиллерийской разведки.

8. На основе экспериментальных исследований впервые создана модель вибрационных помех на большом термовакуумном оптическом испытательном стенде, приводящих к случайным смещениям изображения при испытаниях ОЭС. Предложена математическая модель описывающая смещение изображения, и идентификации источников вибрационных возмущений.

9. Предложено техническое обеспечение систем локации в виде открытого оптического ретранслятора цифровых сигналов для передачи информации с вращающейся платформы станции кругового обзора на неподвижную ее часть; предложен одноэлементный оптический термодетектор ИК диапазона.

Теоретическая и практическая значимость работы

Автором работы решены задачи борьбы с помехами различной физической природы, характерными для РЛС и ОЭС, что позволяет разрабатывать, в частности системы локации с улучшенной помехозащищенностью, более широкими возможностями обнаружения малоразмерных целей и оптических приборов. Теоретические результаты автором проверены экспериментально.

Полученные автором комплексные коэффициенты передачи нерекурсивных линейных прогнозирующих фильтров случайных процессов, характерных для локационных систем, при использовании выборок различного вида дифференцируемых случайных процессов развивают

теорию таких фильтров и позволяют объяснить закономерности приближения характеристик таких фильтров к характеристикам идеального прогнозирующего фильтра.

Предложенные и исследованные автором алгоритмы линейного прогнозирования и интерполяции, дифференцируемых и дифференцируемых конечное число раз случайных процессов, при использовании выборок различного вида, в том числе и после аналого-цифрового преобразования, и квазилинейный алгоритм для прогнозирования релеевского случайного процесса позволяет решать задачи компенсации помехи.

Предложенный автором в работе метод интерполяции случайного процесса путем использования выборок различной размерности из его значений и значений его производных в двух узловых точках позволяет выделять кратковременные сигналы неизвестной формы, отраженные от цели при её нестационарном облучении, минимизируя дисперсию помехи.

Предложенный автором в работе алгоритм компенсации помехи и выделения сигнала неизвестной формы на основе прогнозирования случайных процессов и исследование его эффективности позволяет решать задачу выделения сигнала из реализации смеси сигнала с помехой в реальном времени.

Теоретическое исследование среднего числа выбросов мультипликативного случайного процесса в виде произведения нормального и релеевского случайных процессов, проведенные автором, позволяет создать более точную математическую модель для описания замираний при распространения излучения и в вибрационных каналах при работе и испытаниях ОЭС.

Обнаруженный автором эффект увеличения почти на порядок ЭОП летящего со сверхзвуковой скоростью артиллерийского снаряда в солнечно-слепом УФ диапазоне за счет наличия обратного рассеяния лазерного излучения позволяет создавать системы обнаружения сверхзвуковых целей при отсутствии помехи солнечной засветки.

Исследование температурного поля артиллерийского снаряда, проведенное автором, позволяет оценить возможность создания пассивных локационных систем артиллерийской разведки в оптическом и радиодиапазонах ММ, СМ волн.

Автором доказана и экспериментально подтверждена возможность обнаружения оптических приборов при подсветке их ультрафиолетовым излучением, что позволяет считать УФ диапазон перспективным при обнаружении оптических элементов ввиду повышения их контрастности на фоне природных образований и минимизации антропогенных помех.

Экспериментальное исследование вибрационных процессов при испытаниях ОЭС на оптическом испытательном стенде позволяет формировать математическую модель для описания случайных смещений изображения на фотоприемной матрице ОЭС и указать пути идентификации источников возмущений и совершенствования испытательного оборудования.

Предложенное техническое обеспечение систем локации в виде оптического ретранслятора цифровых сигналов позволяет осуществлять передачу цифровой информации с вращающихся систем станции кругового обзора на неподвижную ее часть, позволяет оценить возможность перехвата открытых оптических каналов передачи информации и возможность построения одноэлементных термодетекторов дальнего ИК диапазона.

Результаты диссертационной работы были использованы в двух НИР по заказу Министерства Обороны (МО) РФ, при экспериментальных исследованиях по оценке ЭОП артиллерийских снарядов в УФ диапазоне, при проведении экспериментального исследования температурного поля артиллерийских снарядов на предприятии АО «НИИ ОЭП». Результаты диссертации использовалсь в НИР «Исследование проблем преобразования отображений полипараметрических объектов при рациональном построении распределенных спектрозональных измерительных и локационных оптико-электронных систем», «Исследование проблем комплексирования информации в распределенных оптико-электронных комплексах мониторинга состояния полипараметрических объектов» и в курсах лекций дисциплины «Оптико-электронные приборы оптической локации и связи» в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО).

Методы исследования

Выбор моделей случайных процессов при линейном и квазилинейном прогнозировании, интерполяции и компенсации помех и их исследование проводилось с использованием аппарата теории случайных процессов, а также на базе физических экспериментов. Для подтверждения возможности обнаружения быстродвижущихся целей в диапазонах солнечно-слепого УФ и теплового излучений были проведены эксперименты с наблюдением артиллерийских снарядов. Исследование возможности обнаружения оптических приборов по их бликам в УФ диапазоне проводилось на разработанном оборудовании. Экспериментальное исследование вибрационных помех, влияющих на случайные смещения изображений при испытаниях ОЭС, проводилось на крупногабаритном термовакуумном оптическом испытательном стенде ВК-150. Техническое обеспечение локационных систем реализовано и успешно опробовано в виде макетов. Корректность полученных теоретических результатов подтверждалась в ходе физических экспериментов и методом имитационного моделирования.

Основные положения и научные результаты, выносимые на защиту

1. Комплексные коэффициенты передачи прогнозирующих фильтров с использованием выборок различного вида и размерности сходятся к идеальному прогнозирующему фильтру в зависимости от вида и размерности выборок.

2. Алгоритмы прогнозирования и их эффективность зависят от вида и размерности выборок и от степени дифференцируемости случайного процесса, при этом случайные процессы, дифференцируемые конечное число раз, ближе к физически возможным, поскольку отвечают критерию Пэли-Винера в отличие от процессов, дифференцируемых неограниченно.

3. Эффективность компенсации помехи при оптимальной линейной её интерполяции в двух узлах, между которыми находится сигнал, и эффективность компенсации помехи и выделения сигнала в реальном времени, с использованием аппарата прогнозирования случайного процесса-помехи определяется выбранной моделью помехи, временем прогнозирования, формой сигнала и ограничиваются предельно существующими производными используемой модели случайного процесса

4. Среднее число выбросов мультипликативной помехи, возникающей при многоканальном распространении колебаний, образованной произведением релеевского и нормального случайных процессов определяется соотношением ширины спектральных плотностей процессов.

5. Гипотеза, выдвинутая и экспериментально подтвержденная автором, о значительном увеличении при переходе в ультрафиолетовый диапазон волн ЭОП малоразмерных сверхзвуковых воздушных целей из-за рассеяния оптического излучения на возмущенных потоках воздух позволяет повысить дальность обнаружения системами оптической локации малоразмерных высокоскоростных целей. Перспективно использование ультрафиолетового диапазона для бликового обнаружения оптических приборов наземного применения в условиях малых природных и антропогенных помех.

6. Корпус артиллерийского снаряда незначительно нагревается при выстреле и полёте, исключая ведущий поясок.

7. Спектр случайных смещений изображения на фотоприёмной матрице систем оптической локации из-за вибрационных помех, имеет выраженный резонансный характер, а источники возмущений могут быть идентифицированы.

8. Разработанный открытый оптический ретранслятор цифровых сигналов для передачи информации с вращающейся платформы станции кругового обзора на неподвижную ее часть позволяет обеспечить электромагнитную совместимость локационных систем.

Степень достоверности, апробация результатов и публикации

Подтверждение корректности полученных теоретических результатов исследовалось в ходе физических экспериментов и методом имитационного моделирования.

Результаты работы докладывались: На Всесоюзной научно-технической конференции «Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения» (Львов, 1990), на симпозиуме «Прикладная оптика-

94» (Санкт-Петербург, 1994), на Международных конференциях «Четвертые окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2004), «Пятые окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006), на Международной научно-технической конференции «Четвертые Уткинские чтения» (Санкт-Петербург, 2009), на конференции «Лазеры, измерения, информация». - Санкт-Петербург.: 2007, на «XIV Всероссийской научно-практической конференции. Актуальные проблемы защиты и безопасности. Бронетанковая техника и вооружение.» (Санкт-Петербург, 2011), на «XV Всероссийской научно-практической конференции. Актуальные проблемы защиты и безопасности. Бронетанковая техника и вооружение.» (Санкт-Петербург, 2012). На XXIX Международной конференции. «Лазеры в науке, технике, медицине». (Москва 2018) и на четырех закрытых Всероссийских НТК в период 1998-2000 годов. Список основных публикаций по материалам диссертационной работы составляет:

- публикации, входящие в международные реферативные базы данных и системы цитирования, всего - 12;

- публикации в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых журналов, всего -12;

- одно авторское свидетельство и патент РФ;

- труды, материалы и тезисы докладов на конференциях всего - 11.

По результатам работ опубликована монография: Головков В.А. Прогноз и компенсация помех. Saabrucken.: LAP, 2014. - 80c. Исследования поддержаны грантом Правительства Ленинградской области «Адаптивное прогнозирование, компенсация случайных помех и выделение тренда при обработке статистической информации», согласно распоряжению Губернатора Ленинградской области от 23.07.2013 № 519-рг «О присуждении именных научных стипендий Губернатора Ленинградской области по результатам конкурса, проведенного в июне 2013 года». Полученные научные результаты использованы в НИР проводимых в АО «НИИ ОЭП» и Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики. Личный вклад автора

Все теоретические исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проведены лично автором. Автором разработана большая часть экспериментальной аппаратуры и выполнен анализ экспериментальных результатов. Сложные эксперименты по оценке эффективной отражающей площади артиллерийских снарядов и исследование возможности обнаружения оптических приборов в УФ диапазоне проведены с участием коллег и их фамилии включены в статьи автора работы.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и четырех приложений и включает 228 листов машинописного текста, 14 таблиц, 108 рисунков, список цитированной литературы состоит из 189 наименования.

Содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, состояние вопроса. Сформулированы цель и задачи работы. Описаны методы исследования и основные положения и результаты проведенных исследований. Показана научная новизна, теоретическая и практическая ценность полученных результатов. Указывается личный вклад автора и результаты апробации работы.

Первая глава посвящена постановке задачи исследований, направленных на повышение эффективности борьбы с помехами в РЛС и ОЛС. В главе проведен обзор литературы и определен путь борьбы с помехами в системах ММ, СМ радиолокации и ОЛС. Рассмотрены основные модели случайных процессов, используемых при анализе ЛС. В главе предложены пути уменьшения влияния помех путем обработки сигналов и оптической фильтрации, что позволяет использовать дополнительные информационные признаки целей. Предложено исследовать и разрабатывать техническое обеспечение ЛС.

Вторая глава посвящена вопросам прогнозирования и интерполяции помех в виде дифференцируемых и дифференцируемых конечное число раз случайных процессов. Получены комплексные коэффициенты передачи прогнозирующих фильтров, оптимальных для случайных процессов с различными коэффициентами корреляции, алгоритмы прогнозирования и интерполяции, проведен анализ эффективности таких алгоритмов.

Третья глава посвящена вопросам компенсации помех при обработке сигналов ЛС. Получены алгоритмы компенсации помех и, выделения сигнала на базе прогнозирующих и интерполирующих фильтров. Проведен анализ эффективности таких алгоритмов. Использование предложенных алгоритмов позволяет провести компенсацию помех при обработке сигналов.

Четвертая глава посвящена вопросам обработки некоторых нелинейных процессов, которые возникают при обработке сигналов в ЛС. В главе предложен алгоритм прогнозирования релеевского случайного процесса. Приведены результаты исследования среднего числа выбросов мультипликативного процесса, образованного произведением релеевского и нормального случайных процессов.

Пятая глава посвящена повышению эффективности работы ЛС путем выбора диапазона электромагнитного излучения. Приведены результаты экспериментальных исследований при анализе отраженных сигналов УФ диапазона от летящего со сверхзвуковой скоростью артиллерийского снаряда. Приведены результаты экспериментальных исследований

температурного поля артиллерийского снаряда для анализа эффективности ИК систем артиллерийской разведки. В главе рассмотрен вопрос использования УФ диапазона для обнаружения бликующих объективов ОЭС на фоне местности.

Шестая глава посвящена вопросам создания технического обеспечения ЛС, как-то: экспериментальному исследованию вибрационных помех на большом термовакуумном оптическом испытательном стенде; разработке оптико-электронного ретранслятора цифровых сигналов для передачи информации с вращающейся платформы локатора на неподвижную его часть. Проведено исследование вопросов перехвата открытой оптической линии связи между клавиатурой и системным блоком компьютера. Предложен простой одноэлементный термодетектор для обнаружения теплых целей на фоне местности.

После шестой главы приведено заключение по основным материалам диссертации.

В конце работы приведены список используемой в работе литературы и приложения в виде описания физической реализуемости случайных процессов, рассматриваемых в диссертации, результатов эксперимента, а также схемы созданных приборов.

1. Постановка задачи, модели помех в локационных системах 1.1. Обзор литературы и постановка задачи

Принципы построения РЛС достаточно подробно описаны в [1]. В настоящее время существует устойчивая тенденция развития РЛС в диапазонах ММ, СМ и комплексирования их с ОЛС [2]. Весь комплекс помех различной физической природы, воздействующих на РЛС ММ, СМ диапазонов и на ОЛС, отображается на выходе радио или фотоприемных устройств, после обработки сигналов которых принимается то или иное решение. Косвенно эти помехи могут контролироваться датчиками, сопровождающими работу ЛС, например, вибрационными датчиками, датчиками ветра, влажности и другими.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Головков Владимир Алексеевич, 2019 год

/ \

/

/ \ N

7 [мрад]

Рисунок 5.29. Нормированная угловая чувствительность приемного устройства

Как видно из рисунка 5.29, угол зрения приемной оптической системы по уровню 0,5 составляет у к. 4 мрад. Учитывая размер фотоприемной площадки а х Ь = 120мкм х120 мкм и эквивалентное фокусное расстояние приемной системы ¥ = 33 мм, расчетное значение у = аг(а / ¥) = 4 мрад, что подтверждается результатами измерений.

На стенде проводилась измерение коэффициента пропускания приемного устройства. Приемное устройство засвечивалось через электромеханический модулятор от имитатора АЧТ, температура которого изменялась и контролировалась, при этом фиксировалось напряжение с выхода приемного устройства. Полученные данные в виде графика приведены на рисунке 5.30.

Рисунок 5.30. Зависимость напряжения выходного сигнала от температуры АЧТ

Принимаемая мощность, создаваемая протяженным фоном, перекрывающим поле

зрения приемного устройства, определяется как [44]:

—

Ф = — Ь - Б2-у2-г0 , (5.17)

16 0

где Ь — яркость АЧТ, у — угол зрения объектива, т0 — коэффициент пропускания оптической системы, который предполагаем постоянным во всем диапазоне принимаемых длин волн.

Так как величина сигнала приемного устройства и = Ф - £ - к, то учитывая изменение яркости АЧТ АЬ при изменении температуры от Т до Т2 и используя закон Стефана-Больцмана, получим приращение величины сигнала А и на выходе приемного устройства с учетом проведенной калибровки в виде:

ж2 - а 4

Аи = —а Т 4 — Т4)- £ - к - Б2-у2, (5.18)

16-ж

где а — постоянная Стефана-Больцмана.

5.4.4. Результаты экспериментальных исследований

Эксперименты проводились на артиллерийском полигоне, в июле 2005 года, при безоблачном небе, отсутствии тумана, во время с 12 до 18 часов. Солнечная засветка приемного устройства была исключена. В ходе эксперимента угол места приемного устройства, совпадающий с оптической осью объектива, менялся таким образом, чтобы получить максимальную величину сигнала, что приводило к наблюдению снаряда в центральной зоне диаграммы направленности. Геометрия проведения эксперимента приведена на рисунке 5.31.

Образующие конуса диаграммы приемного устройства

z

Орудие\ 1 11 _

у

О

Рисунок 5.31. Геометрия проведения эксперимента

В силу ограниченных возможностей натурного эксперимента, сложности наведения из-за малого угла зрения оптической системы, необходимости расположения приемного устройства позади орудия, измерения проводились при достаточно малых расстояниях от орудия до снаряда. В точке А расположено орудие, в точке О - приемное устройство, в точке В -пересечение оптической оси приемного устройства с траекторией снаряда. Угол у - угол зрения оптического приемного устройства. Величины Roc, Rnc, Ron - расстояние от орудия до снаряда,

от приемного устройства до снаряда, от орудия до приемного устройства соответственно. При этом считаем, что оптическая ось приемного устройства совпадает с осью z и траектория снаряда находится в одной плоскости с оптической осью приемного устройства. Угол места в ходе эксперимента составлял единицы градусов. Непосредственным измерением установлено расстояние Ron = 33 м, которое в ходе эксперимента не менялось. Угол р - угол отворота приемного устройства от среза ствола орудия в ходе эксперимента составлял 51о, 60о, 70о последовательно. Опускаем перпендикуляр из точки О на прямую траектории снаряда в точку С. Определив азимутальное направление ствола орудия из точки О непосредственным измерением был установлен угол ] = 15 о. Тогда зная углы р и ] был определен угол встречи траектории снаряда и оптической оси приемного устройства у, который составил соответственно 54о, 45о, 35о для углов р равных 51о, 60о, 70о соответственно. Величина OC = Ron ■ cos(]) = 31,9 м, величина AC = Ron ■ sin]) = 8,5 м. Тогда величину Rm можно расчитать как R„c = OC/sin(y) = (Ron cos(])) / sin (у). Расстояние от орудия до снаряда в точке В

составит Яос = АС + Япс собЩ). Далее расчитываем коэффициент наклона прямой траектории

снаряда АВ к оси у , величину к = tg(ж /2 — щ). Отсюда уравнение траектории снаряда как

прямой АВ в системе координат у,7 получим в виде г = к ■ у + Япс. Поверхность диаграммы

направленности приемного устройства без учета диаметра входного зрачка телескопа описывается каноническим уравнением вещественного конуса второго порядка с вершиной в точке начала координат:

2 2 2

^ + ут — £г = 0 , (5.20)

а Ь с

где а -полуось эллипса сечения конуса по оси х, а = Япс ■ tg(у /2), Ь - полуось эллипса сечения

конуса по оси у , Ь = Яп&(у /2), с - расстояние до сечения конуса по оси г, с = Япс. Из

уравнения (5.20) можно исключить х = 0, тогда получим уравнение образующих конуса как уравнение прямых. С учетом диаметра входного зрачка телескопа Б нетрудно получить для

у < 0 уравнение образующей г = —к1 ■ у +1, где к1 = tg {ж/2 — у/2), I = —(Б/2) ■ к1, для у У 0,

уравнение образующей г = к1 ■ у +1. Решая последовательно уравнения образующих с уравнением траектории снаряда, получим координаты входа снаряда в зону видимости приемника у1,г1, (точка 1), а также координаты точки 2 выхода снаряда из зоны видимости у2,г2. Длина прохода снаряда в зоне видимости определится как:

Яв =4(г2 — г1)2 +(у2 — у1)2 . (5.21)

Время прохождения элемента оболочки снаряда, например, наиболее нагретого (расчетно) ведущего пояска в зоне видимости ^ = Я / Ус, где Ус - скорость снаряда, которая в

эксперименте составляла около 600 м/с. В ходе эксперимента угол места приемного устройства, совпадающий с оптической осью объектива, менялся в пределах единиц градусов таким образом, чтобы получить максимальную величину сигнала, что приводило к наблюдению снаряда в центральной зоне диаграммы направленности. Результаты расчета геометрических параметров эксперимента сведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6. Геометрические параметры эксперимента.

ф [град] Я0с [м] Япс [м] Япо [м] Яв [м] амс]

51 31,7 39,4 33 0,29 0,51

60 40,4 45,1 33 0,37 0,65

70 54,1 55,6 33 0,52 0,91

Как видно из таблицы 5.6, время прохождения элемента снаряда в зоне видимости приемного устройства в ходе эксперимента не превышало 0,9мс. Источник излучения (корпус снаряда) наблюдается на фоне воздуха при небольших углах подъема объектива от горизонта, то есть можно считать на фоне абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой равной температуре воздуха [167]. Согласно предварительным расчетам, у снаряда, вблизи ствола, на дистанции Яос « 500м...800м, наиболее нагретым является ведущий поясок. Тело снаряда за

счет конвективного аэродинамического нагрева и контактного нагрева от ведущего пояска прогревается позже, хотя и незначительно. Корпус снаряда покрыт краской и на начальной стадии полета его можно считать неселективным излучателем с температурой близкой к температуре воздуха, так что сам корпус снаряда не вызывает сигнала, сравнимого с сигналом, вызываемого нагретым ведущим пояском. Отсюда можно сделать вывод, что при наблюдении элемента снаряда, например, нагретого ведущего пояска, линейный размер которого вдоль оси снаряда 30мм и нахождении его в поле зрения менее 0,9мс реакция приемного устройства может выразиться в виде импульсной реакции длительностью 2,5мс...3мс. На рисунке 5.32, рисунке 5.33, рисунке 5.34 представлены типичные осциллограммы сигнала при углах отворота фот среза ствола орудия 51о, 60о, 70о соответственно.

Рисунок 5.32. Осциллограмма сигнала при угле отворота ф=51о

Рисунок 5.33. Осциллограмма сигнала при угле отворота р=60о

Рисунок 5.34. Осциллограмма сигнала при угле отворота р =70о

Как видно из осциллограмм, длительность сигнала по уровню 0,5 составляет от 3мс до 4мс и по форме совпадает с импульсной реакцией приемного устройства. Это приводит к выводу, что время пребывания нагретого элемента снаряда, формирующего основной сигнал, менее 1,5мс и, что сигнал был вызван нагретым ведущим пояском снаряда. Результаты обработки этих трех

осциллограмм сведены в таблицу 5.7. В этой таблице и - амплитуда сигнала, которая пересчитана с учетом калибровочной кривой приемного устройства на рисунке 5.30, ^ -время пребывания элемента снаряда в зоне видимости по уровню 0,5 от величины амплитуды.

Таблица 5.7. Результаты обработки осциллограмм.

р [град] Rnc [м] Ц[мБ] 4[мс]

51 39,4 800 3

60 45,1 320 3,2

70 55,6 200 4

Различие во времени пребывания элемента снаряда в зоне видимости приемного устройства

приводит к некоторому уширению реакции приемного устройства по времени.

Оценим температуру ведущего пояска снаряда, исходя из экспериментальных данных,

по результатам оценки на различных дистанциях. Поток излучения Ф, приходящий на

объектив приемника [42], определится как:

A • A (ж Л Ф = L ист 2ов cosí--И , (5.22)

Rnc ^ '

где АИСИ! - площадь источника излучения, Аоб - площадь объектива. Разность потоков излучения, создаваемая источником излучения, получим в виде:

АФ = AL Aucm A2° cosí--И, (5.23)

Rnc ^ '

где AL — разность яркостей воздуха и источника излучения. Величина разности потоков излучения связана с амплитудой сигнала U на выходе приемного устройства:

АФ = . (5.24)

S • к

Отсюда получим АЬ в виде:

ци 2

АЬ =-- . (5.25)

я• Аст • Аоб • к• ^(ж/2-¥)

Считая, что ведущий поясок излучает как АЧТ и используя закон Стефана-Больцмана получим:

2

~{Т24 -Т4)=-- , (5.26)

где Т2 - температура источника излучения (ведущего пояска), Т «290 оС - температура воздуха. Отсюда можно найти температуру Т2 в виде:

T = 1 2

nc

\ 0,25

(5.27)

0,25

ж-и ■ /

' 1 1

Если за основной источник излучения принять ведущий поясок снаряда, то его длина вдоль оси

снаряда 30мм, а поперечный размер примем равным калибру, то есть 152мм. Таким образом,

2 2 Аист к 48см, площадь объектива Лобк 50см. На минимальной дистанции Япс = 39,4 м, при

поперечном размере ведущего пояска снаряда ^ = 152 мм, максимальный размер его изображения на приемной площадке у = /^п/Кпс. Отсюда Vк 120 мкм, что примерно равно размеру приемной площадки а = Ь = 120 мкм, то есть можно предполагать, что изображение ведущего пояска полностью помещается на приемной площадке. Для дистанции Кпс = 39,4 м величину , исходя из расчетов, примем равной 54о Амлитуда сигнала на выходе приемного устройства и = 0,8В (таблица 5.7). Учитывая все входящие в (5.27) величины получим радиационную температуру ведущего пояска Т2 к 425 ^ С другой стороны поясок выполняется из меди, коэффициент излучения которой £ к 0,08...0,1 [171]. Тогда физическую температуру ведущего пояска можно ратечитать по выражению Тф = Т2 /л/£. Тогда температура составит Тф к760К...800К. Отсюда, превышение физической температуры ведущего пояска снаряда над температурой воздуха (1 к 290К) на дистанции Яос к 30м может достигать 470°С...510°С. Это не противоречит расчетным данным, выполненным в Военно-механическом институте для снаряда калибра 152мм с начальной скоростью 800м/с (в эксперименте скорость снаряда была около 580м/с). Расчет температур ведущего пояска на дистанции 45м и 55,6м проводился по выше изложенной методике, результаты расчета сведены в таблице 5.8. В этой таблице в первом столбце приведены дистанции от орудия до снаряда, во втором столбце- радиационная температура ведущего пояска в градусах Кельвина, расчитанная из экспериментальных данных по формуле (5.26), в третьем столбце-превышение радиационной температуры пояска над температурой воздуха в градусах Цельсия. В четвертом столбце приведены данные для физической температуры пояска, рассчитанные по формуле (5.27), в пятом столбце приведена температура Т , рассчитанная по интерполированным данным рисунок 5.18 для снаряда с

начальной скоростью 800м/с. Разница расчетных и экспериментальных данных не превышает 10% и может быть объяснена погрешностями расчета и эксперимента, выбором большей начальной скорости снаряда при расчете, а также тем, что не был учтен эффект экранирования снарядом части излучения неба.

Таблица 5.8. Расчет температуры ведущего пояска.

Кос [м] Т2 [К] ДТ [^ ТФ[К] ТР[К]

31,7 425 135 760 800

40,4 406 115 720 783

54,1 398 108 708 719

Как видно из результатов раздела 5.4.4 радиационная температура ведущего пояска снаряда на дистанциях 30м...60м от орудия отличается от температуры окружающего воздуха примерно на 120оС.. .150°С. Если исходить из того, что ведущий поясок снаряда в стволе орудия лишился окраски и был выполнен из меди, то можно предполагать, что физическая температура пояска могла быть порядка Т к 500оС. Это не противоречит расчетам, выполненным в БГТУ. Из результатов проведенных исследований очевиден вывод, что наиболее нагретым элементом артиллерийского снаряда является ведущий поясок, тело снаряда в полете нагревается в ходе полета сравнительно немного. Из приведенных в [167, 169, 170] результатов измерения температурного излучения неба, очевидно, что при небольших углах места излучение неба даже в безоблачную погоду мало отличается от излучения АЧТ с температурой близкой к температуре окружающего воздуха. В обычном случае температура тела снаряда, равна температуре окружающего воздуха, а его окраска позволяет считать его также АЧТ. При расчете возможности пассивного обнаружения снаряда для малых углах места, а также в облачную погоду, температурный контраст может быть рассчитан из материалов теоретических расчетов проведенных в БГТУ, приведенных на рисунках 5.20, 5.22. Наибольший тепловой контраст артиллерийского снаряда может наблюдаться в безоблачную погоду при больших углах места, когда радиационная температура неба ниже температуры окружающего воздуха.

5.5. Выводы

Гипотеза, выдвинутая автором, о значительном увеличении ЭОП сверхзвуковых целей при наблюдении в УФ диапазоне экспериментально подтверждена. Это позволяет повысить дальность обнаружения малоразмерных сверхзвуковых целей. Показана перспективность использования УФ диапазона для обнаружения оптических приборов в условиях малых природных и антропогенных помех. На основании экспериментального исследования теплового портрета артиллерийского снаряда показано, что наибольший тепловой контраст артиллерийского снаряда может наблюдаться в безоблачную погоду при больших углах места, когда радиационная температура неба ниже температуры окружающего воздуха.

6. Техническое обеспечение локационных систем

6.1. Постановка задачи

Большое число задач, стоящих перед РЛС и ОЛС, заставляет решать вопросы разработки разнообразного технического обеспечения для таких систем. Существует многочисленная литература как в России, так и за рубежом, посвященная решению таких задач. Тем не менее, многие частные вопросы не решены до сих пор. В литературе, например [62], рассмотрен анализ методов и средств контроля и стабилизации изображений при оптических наблюдениях с подвижных оснований путем воздействия на отдельные оптические элементы. Однако в этих источниках не рассмотрены статистические модели случайных смещений изображения при испытаниях крупногабаритных оптико-электронных систем на больших термовакуумных испытательных стендах, оснащенных длиннофокусными коллиматорами, и не показаны пути контроля и компенсации таких смещений. Вследствии вибраций фундамента оптической скамьи стенда и вибраций его ферменных конструкций возникают взаимные угловые и линейные колебания оптического коллиматорного оборудования и испытуемых систем, что приводит к случайным смещениям изображения тест-объекта (штриховой миры) в фокальной плоскости системы. Оценка величины и скорости смещения изображения тест-объекта на ход испытаний приведена в работах [59, 60]. Допустимая величина смещения изображения за время экспонирования не должна превышать полпериода штриховой миры. Принимая разрешающую силу объектива ОЭС в 100лин/мм, а время экспонирования 0,02с, получим наибольшую допустимую величину смещения оптического изображения 5мкм, а наибольшую скорость смещения изображения 0,25мм/с. Поэтому оптические системы целесообразно оснащать системой контроля смещения изображения (СКСИ) [62], позволяющей контролировать смещение изображения на фотоприемной матрице за счет воздействия вибрационных помех. Такая система описана, например, в [172-174]. Повышение разрешающей способности коллиматора позволит увеличить количество штрихов тест-объекта, однако при этом пропорционально уменьшатся допустимые величины смещения и скорости смещения тест-объекта в фокальной плоскости системы. Целесообразно было проведение экспериментальных исследований на оптическом испытательном стенде для:

- выбора математической модели, описывающей случайные смещения изображения на фотоприемной матрице испытуемых изделий;

- разработки метода оценки величины и скорости смещения изображений на фотоприемной матрице испытуемых изделий;

- разработки метода идентификации источников вибрационных возмущений на оптических термовакуумных испытательных стендах;

- разработки предложений по борьбе с влиянием вибрационных помех при проведении испытаний ОЭС на оптических термовакуумных испытательных стендах.

Результаты проведенных исследований изложены в работах [172-174]. Техническое обеспечение стенда в виде оптической системы контроля вибраций, позволяющей оценивать величину смещения оптического изображения на фотоприемной матрице ОЭС, создавалось в АО «НИИ ОЭП». Сейсмические станции для контроля абсолютной вибрации были покупными. Программное обеспечение, а также весь анализ вибрационной обстановки, изложенный ниже, выполнил автор диссертационной работы, а результаты размещены в разделе 6.2.

Техническое обеспечение систем оптической локации ставит вопрос передачи сигналов управления и телеметрии на вращающиеся платформы кругового обзора с установленными на них зеркалом, отражающим и направляющим оптическое излучение лазера и фотоприемной системой оптического локатора, поскольку установка лазера на вращающуюся платформу не всегда возможна. В этом случае существует необходимость иметь свободной центральную ось вращения, вдоль которой распространяется лазерное излучение. Механические токосъемники для скоростной передачи данных и управляющих сигналов, например, фирмы SenRing Eltctronics хорошо известны, но их использование требует создание сложной механической системы передачи, поскольку их контакт с центральной осью, вокруг которой происходит вращение, невозможен. По контактным устройствам, включаемым через сложную механическую систему передачи, целесообразнее передавать напряжение питания. В тоже время простые открытые оптико-электронные ретрансляторы, использующие эффект рассеяния оптического излучения на круговой поверхности, вполне могут справиться с этой задачей, что и предложено в разделе 6.3.

Соответственно открытые оптические линии связи, используемые, например, в компьютерных системах, и обеспечивающие работу оптико-электронных систем и локаторов, уязвимы с точки зрения утечки информации за счет рассеяния оптического излучения на различных поверхностях. Целесообразно было исследовать вопрос использования рассеяния оптического излучения в открытых оптических линиях связи для контроля утечки информации, что исследуется в разделе 6.4.

6.2. Вибрационные помехи при испытании оптико-электронных систем

Техническое и программное обеспечение при исследовании вибрационных помех на оптических испытательных стендах создавалась на базе термовакуумного испытательного

стенда ВК-150. На рисунке 6.1 схематично изображены компоненты термовакуумного испытательного стенда ВК-150.

1 - вакуумная камера, 2 - фокальный узел, 3 - главное зеркало коллиматора, 4 -диагональное зеркало, 5 - изделиедержатель, испытуемого изделия, 6 - балки, перемычки - 7

Основным несущим элементом оптической скамьи является металлическая конструкция, сваренная из двух балок - 6 и перемычки - 7. Длина скамьи 45м. По всей длине скамья подвешена на двадцати маятниковых подвесах (по десять с каждой стороны стенда), закрепленных со стороны балок скамьи на маятниковых подвесах, а со стороны фундамента на резиново-войлочных амортизаторах. Вакуумно-плотная развязка конструкции скамьи и вакуумной камеры обеспечиваются сильфонными узлами.

Ниже приведены основные технические характеристики стенда: Диаметр главного зеркала коллиматора, [м] - 1,3; Фокусное расстояние, [м] - 25;

Объем вакуумной камеры,

[м3 ] - 150;

Рабочее давление, [мм.рт.ст.] - 3*10-5.

На стенде была установлена система контроля вибрационной обстановки в виде автоколлимационного оптического датчика динамического состояния оптического тракта для

5

3

Рисунок 6.1. Схема испытательного стенда ВК-150:

оценки вибрационных наклонов оптических элементов по всем степеням свободы. Фотоприемники оптического датчика 4-ех сегментные. Используя суммарно-разностный сигнал на выходах фотоприемников соответственно для горизонтального и вертикального направления, можно получить сигнал, характеризующий смещение энергетического центра тяжести пятна оптического излучения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальные и вертикальные наклоны оптических элементов коллиматорного оборудования приводят к смещению светового пятна на фотоприемниках оптического датчика, по которым и оцениваются случайные смещения изображения тест-объекта в фокальной плоскости изделия. Излучение автоколлимационного датчика 8 от фокального узла коллиматора, отразившись от диагонального зеркала 4 и главного зеркала коллиматора 3, приходит к автоколлимационному зеркалу 9 и, отразившись от него, попадает на фотоприемники датчика. По величине смещения светового пятна на фотоприемниках можно судить о смещении изображения в фокальной плоскости испытуемой системы, так как оптическое излучение проходит тот же оптический путь, что и излучение от тест объекта, только увеличенный в два раза. Кроме того, следует учитывать и разницу в фокусных расстояниях испытуемой системы и главного зеркала коллиматора, которое при повторном прохождении излучения, по сути, имитирует объектив испытуемой системы. Путь оптического излучения автоколлимационного датчика показан на рисунке 6.1. Чувствительность оптического датчика 0,1В/мкм, полоса частот 0,1Гц...80Гц, фокусное расстояние объектива, расположенного перед фотоприемниками - 2м. Кроме того, в состав системы контроля вибрационной обстановки были включены сейсмостанции абсолютной вибрации на базе сейсмоприемников типа СМ3-КВ с рабочей полосой частот 0,4Гц...40Гц и чувствительностью 1В/мкм, которые устанавливались на различных конструкциях стенда. В состав сейсмостанции входили три сейсмоприемника, подключаемые к блоку усиления и формирования характеристик БФХД-Л.000-01. Абсолютное значение вибрации измерялось по двум горизонтальным (вдоль и поперек оптической оси стенда) и вертикальном направлениях, а также по двум выходам оптического датчика. При более сложных измерениях подключалась еще одна сейсмостанция, и велось одновременное наблюдение по 8 каналам. В ходе проведения экспериментальных исследований использовался компьютер, оборудованный интерфейсной платой с многоканальным 12 разрядным аналого-цифровым преобразователем, позволяющим измерять напряжение в диапазоне ± 5 В. Интервал времени считывания устанавливался программно с интервалом Дt = 10 мс или Дt = 20 мс, что позволяло оценивать вибрационные колебания в диапазоне частот до 50Гц. Так как все измерения проводились при выключенном оборудовании, а частоты сейсмических колебаний, возбуждающих колебания элементов конструкции стенда не превышают 30Гц, то проявление эффекта маскировки частот [175] было маловероятно. При этом формировался двоичный файл,

в котором были последовательно записаны служебная информация, в виде номеров подключенных каналов и сигналы каждого из каналов. Программа обработки этого файла, первоначально написанная на языке «Фортран», позволяла их разделить. В дальнейшем обработка производилась в программе «Маткад».

6.2.1. Математическое и программное обеспечение при исследовании вибрационных помех

Как показали эксперименты, вибрационные процессы на стенде являются явно нестационарными, однако при выключенном оборудовании, запрете на перемещение людей и грузов в зале можно получать осциллограммы случайных процессов с более или менее устойчивыми характеристиками. Поэтому при создании математического и программного обеспечений использовался аппарат статистической обработки стационарных случайных процессов. Чисто эмпирически было установлена невозможность соблюдать вибрационную тишину в зале, более чем на несколько минут, что накладывало ограничения на длительность наблюдаемой реализации. С датчиков абсолютной вибрации и оптического датчика поступает центрированные дискретные последовательности ), где интервал считывания

составлял А! = 10мс или А! = 20мс. Число точек, считываемых по каждому каналу г = 1...М, где N составляла до 6000, таким образом, измерение происходило на интервале времени до 60с. В первую очередь оценивалась корреляционная функция [172 - 174] в дискретные моменты времени тг = гА!, где г е [0, т\ в виде:

1 N-г

)=—Е^+г . «л)

Корреляционная функция оценивалась на конечном интервале времени наблюдения (N - г)А!. Максимальное число шагов при расчете- т, максимальное расчетное время корреляции определяется как тт = тА!. Максимальная частота при расчете спектральной плотности

определяется в виде: /с = 1/2А!, а эквивалентная разрешающая способность при расчете спектральной плотности определяется как: А/ = 1/тт . В случае, если на интервале тт функция корреляции убывает незначительно, что и было характерно при проведении исследований на стенде ВК-150, возникают значительные паразитные осцилляции при оценке через корреляционную функцию спектральной плотности ^ (/) случайной последовательности .

Поэтому экспериментально полученную корреляционную функцию целесообразно умножить на весовое временное окно [106, 175], что позволяет уменьшить паразитную осцилляцию

(/), сохранив при этом полезную информацию. Хорошие результаты позволяет получить использование весовое окно Парзена:

! \) =

(и / У ги /V

1 - 6

г

т

у/ т у

+ 6

т

V т У

,гд^Г <'

2

1-

, где т/ ^ \т\ < т

(6.2)

у

0, т\>т„

Численными методами нетрудно показать, что весовое окно Лапласа-Гаусса:

/ (т) =

ехр

-2 ( „ V

У Т т У

, гдеГ < тт

(6.3)

0, где\ У \

практически совпадает с окном Парзена при выборе параметра дк 3,317. Тогда корреляционную функцию можно представить в виде: = К(тг)/ (\). Спектральная плотность случайного процесса, оцененная из случайной последовательности ^ =^(}Д1), определяется в виде:

S.(f ) = 2Дt

К0 + 2£ К соб

л

+ Я соб

( /Л п-т-/

(6.4)

т=1 у ¿с у

Кроме оценки спектральной плотности случайных процессов смещения изображения в фокальной плоскости оптического датчика по двум осям и сигналов сейсмических датчиков проводилась оценка спектральной плотности скорости смещения по выражению:

Sv (/) = (2п-/) Бе(/). (6.5)

Также целесообразно оценивать взаимные корреляционные функции случайных процессов в виде:

^ М-т

Кху (тт ) =--£ х(п)У(п + Т) ,

М - т п=1

2 М-т

КУХ (тт ) = 77" £ У(п)х(п + Т) ,

М т П=1

(6.6) (6.7)

где х(п) = х(пД), у(п) = y(nДt) - случайные последовательности, полученные на выходах различных датчиков. Для последующей оценки взаимной спектральной плотности ^ (^),

связывающей реализации х(п), у(п), следует оценивать четную и нечетную части взаимной корреляционной функции соответственно в виде:

г

3

<

2

Ar = Ау (гА/) = 1 ^ (гА/) + Ryx (гА/)] , (6.8)

Br = Ву (гА/) = 1 ^ (гА/) - Ryx (гА/)]. (6.9)

Оценка взаимной спектральной плотности случайных процессов х(п), у(п) производится на частотах к//т, где к = \...т в виде:

^ (/)=Су (/)-зОху (/). (6.10)

Величины С (/), ^ (/) определяются в виде [106, 175]:

т-\ ГК-г ■ к'

Су (/ ) = Сху (/ ) = 2 А/

Л0 Аг 1 + (-\)кАт

¿=\ V т )

(6.11)

0ХУМ) = 4Щ = 4А/ТВг вхпГ^^ 1. (6.12)

_ г

т ) Г=1 V т

V т ) г=\

Исследование динамических характеристик стенда производилось за счет одновременной записи и обработки случайных процессов с выходов датчиков абсолютной вибрации и автоколлимационного оптического датчика оптического тракта. Для оценки достоверности полученных результатов на каждой из анализируемых частот / = к/ /т используется функция когерентности в виде нормированной спектральной плотности:

'2 м=Ш) (б1з>

Отношение нормированной дисперсии оценки спектральной плотности реализации нормального случайного процесса М2|_£Д/)] к квадрату спектральной плотности самого

случайного процесса )2 определяется в виде [106]:

/ ч М2 \3£(/)] \

(/) = 21 , (6.14)

(/)2 Т ■А/' ( )

где А/ = 1 тт . Относительную точность оценки спектральной плотности нормального

случайного процесса, полученную преобразованием Фурье корреляционной функции, можно принять в виде:

:(/ )* 1 . (6.15)

Как показали проведенные экспериментальные исследования, техническое и программное обеспечение оказалось достаточным для решения поставленных задач.

6.2.2. Корреляционные функции и спектральные плотности вибрационных помех,

приводящих к смещению изображения

Всего было записано и обработано несколько десятков реализаций вибрационных процессов на выходах оптического датчика в вертикальном и горизонтальном направлениях и шести сейсмических датчиков, объединенных в две сейсмостанции. При проведении исследований никакая штатная аппаратура стенда ВК-150, насосы и прочее не была включена. Однако исключить работу всего оборудования в корпусе было невозможно, также невозможно было исключить транспортные и иные помехи. Даже простое перемещение персонала в корпусе сказывалась на результатах измерения. Вследствие этого реализации случайных процессов достаточно сильно разнились между собой. Однако было возможно выделить определенные закономерности при измерениях. В разделе приведены характерные реализации корреляционных функций и спектральных плотностей случайных процессов, полученных при проведении измерений. На рисунке 6.2, для иллюстрации, приведена часть реализации случайного процесса в интервале времени 0с < t < 6с на выходе оптического датчика по вертикальному направлению.

30 20

20-

■ЗС>1-1-1-

О 2 4 t [с] 6

Рисунок 6.2. Часть реализации процесса на выходе оптического датчика

На рисунке 6.3 приведена реализация случайного процесса на выходе оптического датчика в вертикальном направлении записанная в течение 60с.

Рисунок 6.3. Характерный вид реализации случайного процесса на выходе

оптического датчика

Для анализа вибрационной обстановки использовались реализации длительностью до 60с, записанные с интервалом времени Аt = 10 мс или 20мс, максимальная длительность оценки корреляционной функции составляла тт = тА = 6 с, однако использовались и меньшие

длительности тт с тем, чтобы выполнялось неравенство Т > 10ги [ 106]. Граничная частота расчета (частота Найквиста):

= 2А = 50 Гц

(6.16)

В результате наблюдения вибрационной обстановки на стенде ВК-150 установлено, что частоты свыше 40Гц в спектральной плотности вибраций отсутствуют, так что для анализа выбранный интервал времени Аt был вполне достаточен. Эквивалентная минимальная разрешающая способность при расчете спектральной плотности составляла:

А/ = — = 0,16 Гц.

(6.17)

Относительная точность оценки спектральной плотности вибрационных случайных процессов или нормированная среднеквадратичная ошибка оценки спектральной плотности [106] составила:

£

(/ ■ )■

1

л/ТтА/

(6.18)

При выбираемых Т,гот величина £(/) не превышала 0,26...0,32.

На рисунке 6.4 приведена экспериментально полученная достаточно характерная реализация корреляционной функции на выходе оптического датчика в вертикальном направлении, согласно (6.1). Так как корреляционная функция слабо затухала даже на интервале времени в 6с, то экспериментально полученная корреляционная функция умножалась на весовое окно Лапласа-Гаусса согласно (6.3).

3-,-,-

[мкм2]

2 -

1

О 2 4 Т [с] 6

Рисунок 6.4. Корреляционная функция процесса на выходе оптического датчика по

вертикальному направлению

Как видно из рисунка 6.4 дисперсия случайного вибрационного процесса на выходе оптического датчика в вертикальном направлении составила величину порядка Я(0) « 2,2 мкм . На рисунке 6.5 приведена оцененная спектральная плотность случайного процесса на выходе оптического датчика в вертикальном направлении, согласно выражению (6.4), при использовании корреляционной функции, приведенной на рисунок 6.4.

15 / [Гц] 20

Рисунок 6.5. Спектральная плотность процесса на выходе оптического датчика по

вертикальному направлению

Как видно из рисунка 6.5 спектральная плотность случайного процесса на выходе оптического датчика в вертикальном направлении имеет ярко выраженный линейчатый характер. На рисунке 6.6 приведена экспериментально полученная характерная реализация корреляционной функции на выходе оптического датчика в горизонтальном направлении (поперек оптической оси).

101-1-1-

Ж*)

[мкм2]

5 ■

5_I_I_

0 2 4 г [С] 6

Рисунок 6.6. Корреляционная функция процесса на выходе оптического датчика по

горизонтальному направлению

Как видно из рисунка 6.6 дисперсия случайного вибрационного процесса составила величину порядка Я(0) « 6,8 мкм . На рисунке 6.7 приведена одна из типичных оцененных спектральных плотностей случайного процесса на выходе оптического датчика в горизонтальном направлении (поперек оптической оси).

Рисунок 6.7. Спектральная плотность процесса на выходе оптического датчика по

горизонтальному направлению

При проведении измерений сейсмические датчики абсолютной вибрации СМ-3КВ устанавливались вблизи оптических элементов: на изделиедержателе, вблизи диагонального зеркала, вблизи главного зеркала коллиматора, на фокальном узле коллиматора. На рисунке 6.8 приведена корреляционная функция случайного вибрационного процесса в вертикальном направлении, полученная на выходе сейсмического датчика абсолютной вибрации СМ-3КВ, который был установлен вблизи главного зеркала коллиматора. Как видно из рисунка 6.8, дисперсия случайного вибрационного процесса составила величину порядка Я(0) « 1 мкм .

1,5 [мкм2]

-1-1-1-

О 2 4 т [с] 6

Рисунок 6.8. Корреляционная функция процесса на выходе датчика СМ-3КВ

по вертикальному направлению

На рисунке 6.9 приведена спектральная плотность случайного вибрационного процесса в вертикальном направлении, полученная на выходе сейсмического датчика вибрации СМ-3КВ, по корреляционной функции на рисунке 6.8.

^(Я

[мкм2/Гц]

1

Рисунок 6.9. Спектральная плотность процесса на выходе датчика СМ3-КВ

по вертикальному направлению

Как видно из рисунка 6.9, спектральная плотность вибрационного процесса на выходе датчика СМ-3КВ сосредоточена, в основном, в области более низких частот, чем спектральная плотность на выходах оптического датчика.

Как видно из рисунка 6.5, рисунка 6.7, спектральная плотность случайной величины смещения изображения на выходе оптического датчика как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях за счет вибрационных воздействий имеет ярко выраженный линейчатый характер. Основные частоты узкополосных процессов в ходе экспериментов были оценены приближенно как 0,5Гц, 3,6Гц, 4,5Гц, 5,5Гц, 12Гц, 14Гц, 17Гц. Как показали результаты измерений дисперсия случайного процесса на выходе датчика абсолютной вибрации, как правило, ниже, чем дисперсия смещения «светового пятна» в оптическом датчике. Поэтому датчики абсолютной вибрации могут использоваться только для косвенной оценки величины смещения изображения. Оценка величины смещения изображения, производимая по показаниям автоколлимационного датчика более объективна, чем оценка величины смещения по датчикам абсолютной вибрации.

6.2.3. Влияние вибрационных возмущений на смещение изображения в ОЭС

Вибрационные возмущения оптических элементов, как вынужденные, так и собственные, проводят к смещению изображения в испытуемых ОЭС. Линейчатый характер спектральной плотности на выходе оптического датчика позволил выдвинуть гипотезу, состоящую в том, что каждая из частот узкополосных процессов порождается как вынужденными, так и собственными колебаниями каждого из оптических элементов, формирующих изображение в испытуемых ОЭС. При проведении измерений на стенде сейсмические датчики абсолютной вибрации СМ-3КВ устанавливались вблизи оптических элементов, формирующих изображение в испытуемых ОЭС. Используя оценку функции когерентности, удалось идентифицировать собственные частоты колебаний оптических элементов. Так на рисунке 6.10 приведена функция когерентности у2 (/), полученная согласно выражению (6.13), при обработке сигнала оптического датчика и датчика абсолютной вибрации СМ-3КВ в вертикальном направлении, установленного вблизи главного зеркала коллиматора.

Рисунок 6.10. Функция когерентности колебаний главного зеркала коллиматора

Как видно из рисунка 6.10, функция когерентности у2(/)«1 на частоте 4,5Гц, то есть случайный процесс абсолютных вибраций главного зеркала и случайный процесс на выходе оптического датчика когерентны на этой частоте. Таким образом, одна из собственных частот колебаний главного зеркала коллиматора /с « 4,5 Гц. Подобным же образом установлено, что собственная частота колебаний диагонального зеркала /с « 14 Гц. Было установлено, что одна из собственных частот колебаний автоколлимационного зеркала жестко связанного с изделиедержателем (без установленного в нем изделия) составила /с «12 Гц [172-174]. Кроме

того, оценивалась функция когерентности у2 (/) сигналов оптического датчика в вертикальном и горизонтальном направлениях, которая изображена на рисунке 6.11.

20 /[Гц]

Рисунок 6.11. Функция когерентности колебаний вертикального и горизонтального

каналов оптического датчика

Из равенства функции когерентности у2(/)«1 на рисунке 6.11 видно, что на частоте / « 4Гц...5Гц смещение изображения по вертикали и горизонтали когерентны. Очевидно, это связано с колебаниями главного зеркала, которые приводят к одновременному смещению изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Равенство у2 (/)« 1 на частоте / « 17 Гц объяснить не удалось, особенно потому, что это проявлялось не на всех реализациях. Следует указать, что на рисунке 6.11 только одна из реализаций функции когерентности, однако практически все ее реализации позволяют получить у2(/) « 1 на частотах / « 4Гц..5Гц. Наблюдаются вибрационные наклоны зеркал коллиматора (диагонального и автоколлимационного), а также вибрации изделиедержателя и фокального узела коллиматора, приводящие к случайным смещениям изображения светового пятна на фотоприемнике оптического датчика в вертикальном и горизонтальном направлениях. Эти вибрационные возмущения приводят к смещениям изображения в фокальной плоскости испытуемых изделий.

Если считать плотность вероятности случайных процессов, выраженных в единицах смещения изображения близкими к нормальным, то их предельные значения могут быть выражены в единицах дисперсии этих процессов. Таким образом, на стенде ВК-150 получены следующие результаты:

- интегральная величина вибрационных наклонов оптических элементов стенда, выраженная в линейном смещении светового пятна в горизонтальном направлении ±3а « ±(4...40) мкм;

- интегральная величина вибрационных наклонов оптических элементов стенда, выраженная в линейном смещении светового пятна в вертикальном направлении, составляет ± 3ст«+(7...30) мкм;

- случайная скорость смещения светового пятна в горизонтальном направлении составляет ± 3^ « ±(200...3000) мкм/с;

- случайная скорость смещения светового пятна в вертикальном направлении составляет ± 3а « ±(100...2000) мкм/с.

При этом а2, а2 - дисперсия процесса смещения и скорости смещения светового пятна

на выходе оптического автоколлимационного датчика соответственно. Такой большой разброс в величинах смещения и скорости смещения светового пятна получен в результате обработки различных реализаций, снятых в разное время суток, при различной скорости ветра, наличии помех, при проезжающем транспорте и прочих мешающих факторах. Оборудование стенда (насосы и другое) не были включены.

Величина смещения на выходе оптического датчика больше величины смещений изображения в фокальной плоскости испытуемых изделий в 2Е/Е раз, где Е -фокусное

расстояние коллиматора, Е -фокусное расстояние изделия. Так как фокусное расстояние коллиматора составляет 25м, а фокусное расстояние крупногабаритных оптико-электронных изделий составляет единицы метров, то величину смещения изображения на фотоприемной матрице испытуемого изделия можно оценить как в 5.. .10 раз меньшую, чем величины смещения на выходе оптического датчика. Как видно из результатов анализа, при испытаниях объектива с разрешающей силой 100лин/мм и временем экспонирования 0,02с, вибрационная обстановка на стенде ВК-150 вполне удовлетворительна.

6.2.4. Вероятностная модель случайных процессов, смещения изображения при вибрационных воздействиях и возможность контроля испытаний

Для правильного описания реальных случайных процессов обычно выбирают комбинацию простейших аддитивных и мультипликативных случайных процессов [ 176, 177]. Вибрационное поле, возникающее в сложных инженерных конструкциях, является результатом воздействия многих факторов и приводит к необходимости в каждой точке конструкции суммировать большое число некогерентных возмущений. Так как механические конструкции имеют собственные резонансные частоты и подвергаются воздействию сторонних вынужденных колебаний, то эти возмущения могут быть описаны случайными узкополосными квазигармоническими колебаниями с различными частотами, распространяющимися по

различным элементам механической конструкции или различным каналам. Интерференция этих колебаний, когда разности хода лучей не остаются постоянными, приводит к флуктуациям как амплитуд, так и фаз вибрационных возмущений. Можно провести аналогию между распространением такого рода колебаний в механическом оборудовании и распространением гармонических колебаний в каналах связи, когда приходящие к приемнику сигналы отражаются (или рассеиваются) в некотором объеме ионосферы или тропосферы и называются каналами с общими медленными замираниями [109]. В простейшем случае, когда передаваемый сигнал-монохроматический, сигнал на приемном устройстве подвержен мультипликативной и аддитивной помехам. В случае вибрационных возмущений при испытаниях ОЭС временная реализация случайных смещений изображения по горизонтальному и вертикальному направлениям может быть описана как:

к

4)=£д (О" ^ (0+ «(О, (619)

г=1

где к - количество оптических элементов, через которые проходит тестовый оптический сигнал, д (}) - мультипликативная составляющая вибрационной помехи, ^ (?) - узкополосный

нормальный случайный процесс с центральной частотой ®г [рад/с] равной резонансной частоте конструкции и оптического элемента на ней установленного, п() - аддитивная составляющая вибрационной помехи. Как правило, аддитивная составляющая вибрационной помехи пренебрежимо мала. Величину ^ (}), с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно считать гармоническим процессом со случайной, но постоянной амплитудой и начальной фазой, что соответствует модели случайного процесса 3 в таблице 1.1. Одномерная плотность вероятности мультипликативной составляющей помехи представляется плотностью вероятности Релея. При испытании ОЭС существенное значение имеет только амплитуда смещения изображения на фотоприемной матрице. В литературе [177] также рассмотрен случай проявления вибраций на сложных механических конструкциях. Простейшим вероятностным одномерным описанием величины амплитуды вибраций является плотность вероятности Релея. На случай к групп вибраций с амплитудами а1 одномерная плотность вероятности амплитуды А описывается в виде:

( \

f(А)= к 2а ехР

Ё «гаг 2

п=1

к

Ё «гаг 2

V п=1 У

(6.20)

2

Как можно видеть из осциллограмм сигналов, на обоих выходах оптического датчика, например, на рисунке 6.3 по характерному виду реализации случайного процесса ему свойственны замирания.

Таким образом, случайное смещение изображения на фотоприемной матрице испытуемого изделия может быть описано суммой узкополосных случайных процессов, подверженных мультипликативной помехи. Качество проведения испытаний при воздействии вибрационной помехи можно описывать как модуль величины смещения изображения фиксируемого автоколлимационным датчиком. Плотность вероятности смещения изображения, учитывая вышеизложенное, можно принять релеевской. Время замираний на стенде ВК-150 составляет от нескольких до десятков секунд, в то время как период частот узкополосных процессов много меньше этого времени. Если использовать результаты раздела 4.2 то нетрудно видеть, что эффективное прогнозирование огибающей квазигармонического случайного процесса с А/э = 1 Гц возможно на время 0,2с.0,4с, при использовании выборки третьего порядка. Для стенда ВК-150 такой интервал времени прогнозирования вполне реален.

6.2.5. Волоконно-оптический гирометр для измерения угловой скорости

оптических элементов.

Изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости вращения оптических элементов и описано в авторском свидетельстве [178]. Волоконно-оптический гирометр работает на основе эффекта Саньяка, когда когерентное излучение лазера проходит в прямом и обратном направлении контур, образованный волоконно-оптической катушкой. Если катушка не имеет угловой скорости, то разность фаз между двумя оптическими волнами равна нулю, так как оптический путь одинаков для прямой и обратной волны. При наличии угловой скорости катушки появляется разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, которая выражается как:

А^ = — О, (6.21)

еЛ

где Ь — длина волокна, а — радиус катушки, О - угловая скорость, с — скорость света, Л — длина волны излучения.

Блок-схема волоконно-оптического гирометра приведена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12. Блок-схема волоконно-оптического гирометра

Волоконно-оптический гирометр содержит лазер 1, излучение которого разделяется на два одинаковых по интенсивности пучка в разветвителе 2 и поступает в волоконно-оптический контур 3, в одном из плеч которого установлен фазовый модулятор 4, управляемый задающим генератором 5. Пучки излучения, прошедшие через волоконно-оптический контур 3, по взаимно противоположным направлениям с помощью разветвителя 6 обратного излучения, направляются в фазовый модулятор обратной связи 7, интерферируют в сумматоре 8 и результирующий оптический сигнал поступает на фотоприемник 9. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 9 поступает на вход фазового детектора 10 с коэффициентом передачи К, на второй вход которого подается напряжение с задающего генератора 5. Выходной сигнал фазового детектора 10 усиливается усилителем 11 с коэффициентом усиления Кус и поступает

на управляющий вход фазового модулятора 7 обратной связи. Фазовый модулятор обратной связи включен в оптический тракт так, что при подаче на его управляющий вход электрического сигнала с выхода усилителя 11 разность фаз излучения, прошедшего через контур в прямом и обратном направлениях уменьшается. В результате сигнал на выходе фазового детектора выражается в виде:

ифД = К 81п(К10-^),

(6.22)

где в- приращение фазы, внесенное фазовым модулятором обратной связи. Коэффициент К определяется чувствительностью волоконно-оптического гирометра, зависит от диаметра и числа витков волоконно-оптического контура. При замкнутой цепи обратной связи скорость углового вращения выражается следующим образом:

О = — агсБт К

(и Л

и фд V К У

+ -

К ~ К

(и^л к к

- агсБт

фд

V К У

+ ■

К

и

фд

(6.23)

где Кк коэффициент передачи фазового модулятора обратной связи. При достаточно большом К первый член этого выражения много меньше второго и соответственно скорость вращения может быть определена как величина, пропорциональная напряжению на выходе фазового детектора, то есть О ~ ифд. Поскольку Ку(,ифд представляет собой напряжение на выходе усилителя 11, то выражение (6.23) можно переписать в виде:

О = +-К

агсБт

г и Л

вых

V ^с У

+ К и,

к вых

(6.24)

При больших значениях Кус и К ~ 1 нетрудно получить скорость вращения:

О иы, [рад/с] (6.25)

К1

Сигнал на выходе усилителя будет расти пропорционально скорости вращения волоконно-оптической катушки. По этому сигналу можно определить скорость вращения волоконно-оптической катушки. При этом устраняется нелинейная зависимость скорости вращения от величины выходного сигнала, что позволяет повысить точность измерения скорости вращения во всем дипазоне измеряемых скоростей. Выполнение гирометра подобным образом позволяет получить максимальную и постоянную на всем диапазоне измерения точность. Подобный первичный датчик в виде волоконно-оптической катушки конструктивно гораздо легче датчиков абсолютной вибрации на базе СМ3-КВ и может быть установлен на оптических элементах стенда для измерения угловой скорости вращения оптических элементов стенда.

6.3. Оптико-электронный ретранслятор цифровых сигналов

В системах локации кругового обзора часто требуется осуществлять обмен информацией между неподвижной и поворотной частями. Примером является одна из возможных схем лазерного локатора кругового обзора [19, 179], изображенная на рисунке 6.13. Здесь

вращающаяся платформа 1 установлена на неподвижном основании 2, а лазер, жестко связанный с неподвижным основанием, формирует излучение, распространяющееся вдоль вертикальной оси вращения 3. Зеркало 4, установленное на поворотной платформе и отражающее падающее на него излучение лазера, имеет возможность поворота вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Благодаря общему приводу угломестного сканирования 5, визирная ось приемного блока 6 всегда параллельна оси уходящего лазерного пучка. Оставшиеся обозначения на рисунке 6.13 включают выходное окно лазера 7 и ретранслятор сигналов 8. Ретранслятор 8 состоит из двух частей, одна из которых жестко связана с неподвижным основанием, а другая с поворотной платформой [180, 181]. Обмен информацией между подвижной и неподвижной частями осуществляется через кольцевую зону вокруг вертикальной оси 3, не перекрывая проходящее через центральную зону лазерное излучение. При данной конструкции передача сигналов телеметрии с неподвижного основания на поворотную платформу для управления углами наклона зеркала и прием в обратном направлении сигналов фотоприемной матрицы путем применения механических вращающихся контактных устройств трудно реализуемы. Беспроводная связь по радиоканалу наталкиваются на проблему электромагнитной совместимости. Привлекательным выглядит решение задачи с привлечением оптико-электронных методов, если построить ретранслятор в виде составного кольца со свободной центральной зоной, размер которой определяется апертурой оптической системы. Известен ряд «кольцевых токосъемников» со скоростью передачи дискретных сигналов порядка 500Мбит/с и выше, например, устройство SNB050, выпускаемое фирмой Senring Electronics Co., Limited (сайт www.senring.com). Однако эти устройства имеют высокую стоимость и необходима их адаптация к задаче, стоящей перед разработчиком оптико-электронной системы кругового обзора. Для приборов лазерной локации, имеющих в своем составе фотоприемную матрицу с параметрами, близкими к телевизионным, скорость передачи информации при ретрансляции сигнала с подвижной платформы на неподвижную должна быть порядка 6Мбит/с и более на вращающейся платформе. Для РЛС и ОЛС кругового поиска и сопровождения с неподвижным основанием достаточно ретранслятора с функцией дуплексной связи, обеспечивающей передачу команд управления и контроль положения подвижных элементов антенны РЛС, зеркал, направляющих оптическое излучение, расположенных на азимутальной платформе. По этой причине построение простого, малогабаритного и относительно низкоскоростного многоканального ретранслятора является актуальной задачей.

Рисунок 6.13. Схема ретранслятора для станции кругового обзора: 1 - подвижная азимутальная платформа, 2 - неподвижное основание, 3 - вертикальная (азимутальная) ось вращения, 4 - угломестное зеркало, 5 - привод угломестного сканирования, 6 - приемный блок, 7 - выходное окно лазера, 8 - ретранслятор сигналов

В результате анализа возможных вариантов построения схемы передачи сигналов, было получено решение, позволяющее построить ретранслятор с тремя независимыми каналами передачи сигналов при жестких ограничениях на его габариты. При построении оптической схемы использовалось свойство зеркально отражающей цилиндрической поверхности, заключающееся в том, что при падении излучения на вогнутую цилиндрическую поверхность под большими углами излучение распространяется вдоль этой поверхности, многократно отражаясь от нее. На рисунке 6.14а показан ход лучей, идущих от светодиода вдоль поверхности канала. Потери светового потока при отражениях от поверхности можно компенсировать, установив несколько светодиодов, как показано на рисунке 6.14б. Для ограничения смещения отраженных лучей вдоль оси цилиндрической поверхности кольцевого канала в схему введены две плоские отражающие поверхности.

2

1

б!

Рисунок 6.14. Кольцевой канал ретранслятора: а) ход лучей при отражении от вогнутой сферической поверхности 1 - светодиод, 2 - цилиндрическая поверхность канала; б) Размещение светодиодов и фотодиодов вдоль цилиндрической поверхности, 1 - светодиоды, 3 - фотодиоды

На рисунке 6.15 показан фрагмент такого конструктивного решения с тремя независимыми каналами. Основание 2 и крышка 1 состоят из плоских кольцевых отражающих поверхностей с цилиндрическими отражающими стенками. В собранном виде они обеспечивают возможность взаимного разворота и образуют каналы для распространения излучения. Внутри каждого канала размещаются светодиоды 3 и один или несколько фотодиодов 4 с фокусирующей системой, совмещенной с корпусом фотодиода. В каждом канале светодиоды крепятся на одну плоскую поверхность, а фотодиоды на другую. При такой схеме поворот крышки относительно основания вокруг оси 5 с изменением расстояния между установленными на них фотодиодами и светодиодами не приводит к существенному изменению уровня сигнала, снимаемого с фотодиодов.

5 1 3

Рисунок 6.15. Конструктивное решение с тремя каналами: 1 - крышка, 2 - основание, 3 - фотодиоды, 4 - светодиоды, 5 - ось вращения

Для проверки работоспособности предложенной схемы был изготовлен и испытан трехканальный макет ретранслятора. Внешний диаметр кольцевого ретранслятора составил 140мм, внутренний диаметр 86мм. Ширина каждого канала равнялась 7мм. Светодиоды в количестве 4 штук располагались в каждом канале равномерно, угол между ними составил 900 относительно начала координат в центре канала. Фотодиоды, в каждом канале в количестве 2 штук, располагались под углом 135о, с угловым шагом, не кратным угловому шагу между светодиодами. Оба фотодиода были включены по фотодиодной схеме [182] параллельно друг другу. Как показали эксперименты, в этом случае обеспечивается уверенный прием сигналов в ретрансляторе при любом угле поворота крышки, относительно основания. В качестве светодиодов использовались светодиоды типа L-34SFC с силой света I = 45 мВт/ср, при полном угле излучения 50о, длине волны Я = 880нм. В качестве фотодиода использовался кремниевый фотодиод SFH203, работающий в диапазоне длин волн 400нм <Я< 1100 нм с инерционностью около 5нс и площадью фоточувствительной площадки 1мм . В качестве широкополосного операционного усилителя, включенного после фотодиода, был выбран усилитель типа AD8130 с полосой единичного усиления 270МГц, что позволило получить достаточно широкую полосу частот ретранслятора. Вход усилителя сигнала был открытый, что обеспечивало передачу цифровых сигналов без искажений при передаче длительных нулей или единиц. Восстановление цифрового сигнала на выходе усилителя обеспечивалось компаратором AD8611, имеющим время задержки 4нс. В ретрансляторе использовалось двухполярное питание ± 5 В.

Изготовленный макет оптико-электронного ретранслятора сигналов обеспечил передачу цифровых сигналов со скоростью свыше 6Мбит/с. При ретрансляции выходной сигнал

усилителя, включенного на выходе фотоприемника, находился в режиме насыщения, так что сигналу «нуль» соответствовало напряжение -4,5В, а сигналу «единица» +4,5В. Необходимости измерения вероятности ошибки в зависимости от угла поворота не возникало. Основным недостатком такого ретранслятора являются флуктуации переднего и заднего фронтов передаваемого цифрового сигнала при повороте основания относительно крышки, поскольку уровень принимаемого сигнала хоть и незначительно, но менялся. Однако величина флуктуаций фронтов не превышала 4нс, что не превышало несколько процентов от минимальной длительности битового сигнала и не нарушало работоспособность ретранслятора.

Таким образом, в результате проверки работоспособности макета установлено, что оптический ретранслятор сигналов может быть успешно реализован по предложенной выше схеме с соблюдением ограничений на его габариты, вытекающих из требований оптической системы. Схема не требует оригинальных оптических деталей и допускает изготовление каналов ретранслятора из алюминиевого сплава путем алмазного точения без жестких требований на качество формы отражающих поверхностей.

6.4. Перехват информации открытой оптической линии связи

Эффект рассеяние оптического излучения на различных поверхностях может быть использован также для контроля или перехвата сигналов цифровой открытой оптической линии связи [183]. Такие линии связи могут быть использованы при построении оптических локаторов, когда возникает вопрос электромагнитной совместимости, так как мощные лазеры и их блоки питания являются источниками помех, и для беспроводной линии передачи информации вблизи оптических локаторов могут быть использованы открытые оптические каналы. В качестве примера исследовался вопрос перехвата открытой оптической линии связи между клавиатурой и компьютером. Был разработан блок приема цифровой информации открытой оптической линии связи, причем перехват осуществлялся путем приема оптического излучения, рассеянного на стене жилого помещения коридорного типа, когда расстояние от стены до клавиатуры составляло около 50м. При этом ретранслятор, также установленный в 50м от стены, перехватывал это рассеянное излучение и направлял через интерфейсный блок это излучение в системный блок компьютера. В качестве фотоприемника использовались кремниевые фотодиоды ФДУК-12С, имеющие максимум спектральной чувствительности Я = 0,5 А/Вт с удельной обнаружительной способностью (10 см Гц /Вт ...101 см Гц /Вт).

Блок-схема ретранслятора приведена на рисунке 6.16.

[^Объектив

Рисунок 6.16 Блок схема ретранслятора

Фотоприемное устройство включает в свой состав:

- объектив диаметром 40мм с фокусным расстоянием 25мм, полный (двойной) угол зрения объектива составил 6,9о;

- фотодиод ФДУК-12С - с диаметром фоточувствительной площадки 3 мм, максимальная чувствительность фотодиода на длине волны Л = 0,9 мкм, перед фотодиодом устанавливался фильтр из цветного стекла КС-19, отрезающий излучение с длиной волны Л < 0,7 мкм;

- усилительный каскад, включающий каскад согласования, усилитель, фильтр нижних частот с частотой среза / = 20 кГц, фильтр высоких частот с частотой среза / = 50 кГц, так что средняя частота усилительного каскада составила / = 36 кГц и практически совпала с несущей частотой при передаче сигналов. Общий коэффициент усиления каскада около 66дБ.

Выход оконечного усилителя подключался к интерфейсному блоку Е20-10, передававшему информацию на системный блок компьютера.

Для повышения обнаружительной способности ретранслятора в каскаде согласования был использован малошумящий операционный усилитель КР544УД2. После каскада согласования последовательно включен активный фильтр Баттерворта 2-ого порядка нижних частот (ФНЧ) и активный фильтр Баттерворта 2-ого порядка высоких частот (ФВЧ). Спад частотной характеристики составил 12дБ на октаву. Средняя частота образованного ФНЧ и ФВЧ полосового фильтра /0 = 36кГц. Для реализации ФНЧ, ФВЧ и усилителей использованы инструментальные усилители А0622. Принципиальная электрическая схема ретранслятора для перехвата цифровых сигналов открытой оптической линии связи приведена в приложении 4.

Как показали результаты эксперимента [183], подобный ретранслятор обеспечивал прием рассеянного на стене, покрытой маслянной краской, на расстоянии около 50м безошибочный перехват сигналов открытой оптической линии связи. Принципиальная схема оптико-электронного ретранслятора приведена в приложении 4 диссертационной работы.

Таким образом, рассеянное на различных средах излучение открытой оптической линии связи может быть перехвачено с помощью достаточно простых средств. Более защищенными являются волоконно-оптические линии связи. С другой стороны открытые линии цифровой оптической связи защищены в смысле электромагнитной совместимости и могут работать в составе оптических локаторов.

6.5. Одноэлементный термодетектор

В настоящее время на рынке, кроме тепловизионных приборов (ТВП) на базе микроболометрических и пироэлектрических матричных фотоприёмников [184], имеются достаточно простые приборы с невысокой стоимостью, использующие одно или двухэлементные приемники теплового излучения, ориентированные на использование полицией, охотниками или спасателями. Так, например, термодетектор Heatseeker HS3500C, позволяет обнаруживать источник повышенного теплового излучения, на дальности примерно 90м, а при идеальных условиях (ночь, открытое поле, безветрие, температура 20оС дальность до 270м). Термодетектор имеет простую светодиодную индикацию и относительно недорог (около 300$). Недостатком этого прибора является необходимость ручного сканирования после обнаружения цели. Очевидно, это связано с быстрым дрейфом сигнала, снимаемого с фотоприемника, что вынудило бы использовать электромеханический модулятор, перед приемником, либо осуществлять ручное сканирование, как и предусмотрено в этом термодетекторе. В продаже имеется термодетектор Game Finder GF-PRO 2000, обнаруживающий тепловую цель за счет последовательного появления цели в поле зрения двух фотоприемников и обнаружения разности сигналов фотоприемников. Этот термодетектор также требует ручного сканирования.

Целесообразно было проектирование, изготовление и испытание прибора, работа которого не требует ручного или механического сканирования [185-187].

Термодетектор должен иметь минимально возможную массу и габариты и устойчиво работать при изменении температуры окружающей среды. Приемник излучения должен иметь минимальный собственный дрейф, чтобы обеспечивать возможность в течение продолжительного времени обнаруживать теплые объекты на фоне местности без необходимости осуществлять ручное сканирование или частую принудительную калибровку. Требования к быстродействию термодетектора не очень важны, они определяются временем реакции человека и могут составлять десятые доли секунды, что позволяет использовать накопление сигнала. Приемник должен иметь возможность адаптации, уменьшая влияние изменяющейся температуры внешней среды.

Существуют разные типы тепловых приемников излучения [188]. Пневматические приемники непригодны для работы в полевых условия, пироэлектрические приемники излучения требуют для своей работы модуляции входного потока. Болометрические приемники излучения имеют высокую удельную обнаружительную способности, малую инерционность, небольшую чувствительную площадку. Однако, болометрические приемники имеют большой дрейф нуля даже при постоянной окружающей температуры несмотря на наличие компенсирующего сопротивления, так как выполнить чувствительную площадку и площадку компенсирующего сопротивления одинаковыми сложно технологически, и нагреваются они под действием протекающего через них тока несколько по-разному. Это приводит к дрейфу нуля сигнала.

По результатам рассмотрения наименьший дрейф нуля имеют термоэлементы, которые оснащаются термосопротивлениями для оценки температуры холодных спаев, что позволяет производить адаптацию термоэлемента при изменении температуры окружающей среды и компенсировать дрейф. Термоэлементы несколько уступают, например, болометрическим приемникам, как по величине удельной обнаружительной способности D *, так и размеры приемной площадки у них больше, однако их, указанные выше достоинства, позволяют рекомендовать их для использования в одноэлементных термодетекторах. Для усиления сигнала в термодетекторе целесообразно использовать операционные усилители, имеющие малый фликкер-шум, так как работа термодетектора осуществляется в области сигналов низкой частоты. Сигналы можно обрабатывать с помощью недорогих микроконтроллеров, а сигнализировать об обнаружении теплой цели с помощью шкалы светодиодов шкалы как и в известных термодетекторах.

Был исследован термоэлемент MLX90247, выпускаемый фирмой Melexis. Рабочий спектральный диапазон термоэлемента 7,5мкм <Л< 13,5мкм, чувствительная площадка термоэлемента имеет диаметр ^~1,2мм. Спектральную величину шума термоэлемента (Noise) v = 32 нВ/Гц12, приведенную в описании, легко получить как тепловой шум внутреннего сопротивления R = 60 кОм термоэлемента в виде:

где к = 1,38 -10 23Дж/К - постоянная Больцмана, Т - абсолютное значение температуры (298К согласно описанию), А/ - энергетическая полоса частот усилителя после приемника. Величина

чувствительность приемника. Сопротивление терморезистора, с помощью которого

(6.26)

NEP = 2,6 нВт/Гц12 получается, исходя из выражения NEP = v/ S, где S = 12 В/Вт

оценивается температура «холодных» спаев, нелинейно зависит от температуры. Зависимость сопротивления от температуры, приведенная в описании МЬХ90247, выражается в виде:

Я(Т) = Я(Т0 )|_1 + 6,5 -10 3 (Т — Т0 ) +1,6 -10 5 (Т — Т0 )2 ] (6.27)

где Т0 = 25 оС, Я(Т0)- сопротивление терморезистора при температуре 25оС, это сопротивление 24кОм. Из литературы [186, 42] известно, что при обнаружении теплых, биологических объектов (человека или животного) их кожный покров можно рассматривать как абсолютно черное тело (АЧТ) в диапазоне оптического излучения 8мкм...12мкм. Так человеческая кожа имеет коэффициент излучения ет = 0,98. В виде предварительной оценки рассмотрим случай обнаружения человеческого лица площадью Ал на фоне АЧТ. Этот случай соответствует снайперу, лежащему на земле. Величина потока от фоновой поверхности:

ф = М. Аист А0 = а' Т 4 . Аисш А0 (6 28)

ж Я2 ж Я2 ' где М-энергетическая светимость, Я — расстояние до объекта, а — постоянная Стефана-Больцмана а = 5,67 -10 8 Вт - м- 2'К-4, Т — радиационная температура фона, Аисот - площадь источника излучения, А0 - площадь входного зрачка объектива. Гипотетический объектив ручного пользования может иметь диаметр V « 0,05 м, фокусное расстояние Р « 0,1 м. Угол зрения, с учетом размера площадки:

/ = ^ ^ (6.29)