Оптико-электронные высотомеры-скоростемеры беспилотных летательных аппаратов мониторинга подстилающей поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Рябокуль, Артем Сергеевич

• Рябокуль, Артем Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Рябокуль, Артем Сергеевич

Оглавление

Введение

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ВЫСОТОМЕРОВ

1.1 Задачи лазерной высотометрии. Высотомеры

1.2 Обзор применения отечественных импульсных высотомеров-скоростемеров на основе полупроводниковых лазеров

1.3 Обзор применения зарубежных лазерных лидаров

и дальномеров-высотомеров

2. НОВЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОСТИ-ВЫСОТЫ

2.1 Методы обработки локационной информации.

Селекция целей и помех

2.1.1 Принцип зондирования наземных

объектов дальномером-высотомером

2.1.2 Метод некогерентного накопления светолокационных сигналов

2.1.3 Угловая селекция целей [15, 23]

2.1.4. Оптическая схема лазерного дальномера-высотомера ДЛ-5

2.2 Дальность действия и энергетическая оценка

дальномера-высотомера

2.2.1 Расчетная методика

2.2.2 Оценка влияния фона

2.2.3 Результаты расчета в моноимпульсном режиме,

в ДОС «ПОЛИГОН-6,0»

2.2.4 Энергетический расчет ДЛ-5 в режиме некогерентного накопления, в ПО «МАТЛАБ-7.0»

2.3 Экспериментальная проверка технических решений по увеличению дальности дальномера-высотомера ДЛ-5М

2.3.1 Результаты применения цилиндрической микролинзы для корректировки мощности излучения

2.3.2 Результаты использования оптической схемы с двулучепреломляющим кристаллом (сумматором)

2.3.3 Результаты экспериментальной проверки использования цилиндрической микролинзы

2.3.4 Результаты использования оптической схемы с двулучепреломляющим кристаллом

3. НОВЫЕ МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ВЫСОТОМЕРОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ

3.1 Особенности работы дальномера-высотомера на малых дальностях (в ближней зоне)

3.2 Схемы формирования аппаратной функции

3.2.1 Параксиальная (бистатическая) оптическая схема

3.2.2 Коаксиальная (моностатическая) оптическая схема

3.3 Требования к работе дальномера-высотомера в ближней зоне. Предлагаемые методы корректировки аппаратной функции

3.3.1 Функция перегрузки

3.3.2 Новые методы корректировки аппаратной функции

4. НОВЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОМЕРОМ-ВЫСОТОМЕРОМ

4.1 Точность измерения дальности в моноимпульсном режиме

4.1.1 Дискретность измерителя временных интервалов

4.1.2 Нестабильность временной фиксации принятого сигнала

4.2 Точность измерения дальности в режиме накопления

4.3 Новый метод измерения временного интервала

4.3.1 Полученные точностные результаты

4.4 Новый метод временной привязки светолокационного сигнала

4.4.1 Формирование цифрового шаблона

4.4.2. Принцип формирования массивов [8ц}ш=1 и

4.5 Примеры интерполяции

4.6 Работа высотомера в условиях внешних мешающих факторов

4.7 Проведение измерений в полетном режиме

5. НОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ВЫСОТОМЕРОМ-СКОРОСТЕМЕРОМ ДЛЯ ВЗЛЁТА И ПОСАДКИ БПЛА

5.1 Метод построения импульсного лазерного высотомера-скоростемера

5.2 Новые методы измерения высоты и вертикальной составляющей скорости ЛА

5.3 Новые методы взлета и посадки БПЛА

5.4 Устройства для реализации методов взлета и посадки БПЛА

Заключение. Основные результаты и выводы

Список литературы

Сокращённые слова

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронные высотомеры-скоростемеры беспилотных летательных аппаратов мониторинга подстилающей поверхности»

Введение

Актуальность работы

В охране окружающей среды и ее экологическом управлении и развитии большая роль отводится формированию системы мониторинга подстилающей поверхности. Понятие «мониторинг» рассматривается как система наблюдений за состоянием объектов изучения подстилающей поверхности, динамики происходящих в них изменений и прогноза развития ситуаций. Разработка, создание и внедрение, отвечающих современным требованиям оптико-электронных комплексов является одной из важнейших задач науки и техники [4]. Среди них значительное место занимают импульсные дальномеры-высотомеры-скоростемеры на основе полупроводниковых лазеров [5] БПЛА для мониторинга подстилающей поверхности. Они дали возможность БПЛА применять для исследования подстилающей поверхности дистанционный лазерно-локационный метод как наиболее современный и достоверный метод, позволяющий посредством лазерных зондирующих поверхность лучей получать информацию о ней [60,61].

Исследования в области использования импульсных полупроводниковых лазеров в лидарах обеспечили подготовку технологической базы для разработки современных малогабаритных лазерных сканеров.

Выделение лазерных систем в отдельный класс приборов стало возможным благодаря разработке интегральных бортовых навигационных комплексов. Они позволили обеспечить высокую точность вычислений в реальном времени пространственных (5-7 см) и угловых (0,5-1,0 мрад) координат носителя. Современные лазерно-локационные технологии сочетают в себе достоинства обоих направлений — точность и конкретность фотограмметрии и высокую информативность и производительность ЛЛ зондирования [35, 53, 66].

Мировой опыт и результаты научно-методических разработок отечественных компаний «Геокосмос»[67], «Геолидар», АО «НИИ «Точных приборов», НИИ «Полюс» и др., а также зарубежных Toposys (США), RIEGL, Ю! (Германия) и др. свидетельствует, что ЛЛ — технология мониторинга подстилающей поверхности

имеет неоспоримые преимущества перед традиционными [34, 52, 67]. В диссертации анализируются причины, обуславливающие успех ЛЛ — технологии, ЛЛ — систем авиационного базирования. Исследование в области использования импульсных лазеров в лидарах обеспечили подготовку технологической базы для разработки современных лазерных сканеров [2, 18, 27, 28, 33]. В зависимости от типа лазерного локатора фиксируется до пяти отражений для каждой линии визирования. Например, для локатора с рабочей частотой зондирования 100 кГц информативность достигает 400 тыс. измерений в секунду, что позволяет получить отклик сразу от нескольких комплектов зондирования. ЛЛ — метод свободен от сезонных ограничений (лиственного покрова), измерения применимые к объектам в карьере, тундре, песчаных пляжей, в маркшейдерском деле и других сложных ландшафтов [4, 16, 21].

Однако перечисление достижений в области ЛЛ были бы невозможны без анализа возможностей импульсных лазеров — энергия излучения ЛД, оптические решения, новые методы обеспечения расширения диапазона измерений высоты с высокой точностью и вертикальной скоростной составляющей [1, 5, 6, 9, 12, 22].

Для малогабаритных БПЛА портативные импульсные высотомеры-скоростемеры выполняются только на полупроводниковых лазерах, т.к. они имеют значительно меньшие габариты и массу по сравнению с импульсными дальномерами на основе твердотельных лазеров [6, 9, 15].

Требования к импульсному лазерному диоду с длиной волны излучения 905 нм, предложенного в диссертационной работе, значительно отличаются от требований к твердотельному излучателю импульсного дальномера ДЛ-2 (НИИ «Полюс») [30]:

1) полупроводниковый лазер излучает в угле от 10 до 40 градусов; его можно считать диффузным излучателем размером а^Ь (размеры р-Ы перехода); при а = 200 и Ь « 10 мкм; за счет оптики передающего канала расходимость зондирующего излучения получается ~ 1-2 мрад (у твердотельных 0,5 мрад), обеспечивая полезное использование 50% излучаемой лазером мощности;

2) полупроводниковый импульсный лазер имеет на несколько порядков более низкую энергию излучения и длину когерентности; при энергии выходного излучения 10 Дж твердотельный импульсный лазер (X = 1064 нм) обеспечивает измерение до крупноразмерной цели, на расстояние 10000 м, а п/п лазер с энергией 106 Дж

позволяет обеспечить измерение дальности только до 100 м.

Следовательно, для увеличения измеряемой дальности в дальномерах с полупроводниковыми лазерами необходимо применять метод некогерентного накопления — многократное зондирование цели. Некогерентное накопление позволяет «увеличить» эквивалентную энергию сигнала ЕОЭ=ЕО^ЛГ, где N — количество зондирований в серии (объем накопления), ЕО — энергия в моноимпульпусном режиме [37].

Примером применения импульсного дальномера-высотомера на основе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 905 нм для авиационного ком -плекса экологической разведки является ДЛ-1 (НИИ «Полюс»), для БПЛА — «Ракурс» (АО «НИИ точных приборов») ДЛ-5, а среди зарубежных: малогабаритные лидары — Натеп 24 («Toposys» США); LMS-Q160, ЬБ 90-3-высотомер (RIEGL) и Litemapper 2400 («IGL»), Германия.

Из внедренных и серийно выпускаемых являются отечественные дальномеры-высотомеры ДЛ-1 (для пилотируемых ЛА) и ДЛ-5. По назначению и принципу действия малогабаритный ДЛ-5 аналогичен ДЛ-1, но превосходит его по габаритам, массе, диапазону измеряемой дальности — высоты и среднеквадратическому отклонению значений измеряемой дальности — высоты. Это позволило применить ДЛ-5 для малогабаритного БПЛА мониторинга подстилающей поверхности. Работа с участием автора выполнялась: по Государственному Контракту № 33/08 от 15.02.2008 г.; завершение в 2014 г., шифр — «Красносел»; наименование работы — «Разработка лазерного дальномера для малоразмерных летательных аппаратов», акт внедрения от 29.04.16 г.

Однако для современных малогабаритных БПЛА требуется (для более качественного при низкой трудоемкости измерений) улучшение достигнутых и получение новых характеристик высотомеров по сравнению с ДЛ-5.

Кандидатская диссертация, выполненная соискателем, — научно-квалификационная работа, направленная на решение задачи разработки новых методов и средств, обеспечивающих создание на их основе нового поколения импульсных лазерных дальномеров-высотомеров-скоростемеров для:

- расширения диапазона измеряемой наклонной дальности-высоты;

- уменьшения измеряемой высоты в ближней зоне действия высотомера;

- повышения точности измерения наклонной дальности-высоты;

- сокращения времени измерения наклонной дальности-высоты;

- измерения необходимой вертикальной составляющей скорости с высокой требуемой точностью измерения для обеспечения мягкого взлета и мягкой посадки БПЛА по самолетному, исключив катапульту, парашют и ГЛОНАСС.

Таким образом, актуальность выполненной работы состоит в создании нового поколения лазерного дальномера-высотомера типа ДЛ-5М и лазерного высотомера-скоростемера типа ВСЛ-1. Следует отметить, что имелись публикации, касающиеся темы диссертации только в части дальномеров-высотомеров и они были использованы в виде технических решений, отраженных в данной работе [1, 40, 41, 46]. Публикаций по высотомерам-скоростемерам не было и в этой части диссертация базируется только на публикациях с участием автора.

Структура диссертации, обосновывающая актуальность выбранной темы, показана на рис. В 1. Диссертация состоит из трех частей: 1) «дальностная»; 2) «точностная»; 3) «скоростная».

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 67 наименований. Общий объем работы составляет 140 страниц машинописного текста, включает 63 рисунков, 12 таблиц.

Актуальность —> '

Рис. В.1 Структура диссертации и этапы выполнения подзадач 1, 2, 3 (дальностные, точностные, скоростные)

В итоге, можно сформулировать цель работы и задачи исследований.

Цель работы

Разработка методов построения для беспилотных летательных аппаратов дистанционного мониторинга подстилающей поверхности нового поколения: лазерных высотомеров с расширенным диапазоном и высокой точностью измерения наклонной дальности — высоты по сравнению с отечественными и зарубежными прототипами; лазерных высотомеров-скоростемеров, впервые обеспечивающих не только измерение высоты, но и вертикальной составляющей скорости для мягкого взлета и мягкой посадки аппарата по самолетному типу.

Задачи исследований

Разработка методов построения импульсных дальномеров-высотомеров, обеспечивающих: 1) повышение дальности измерения расстояния в дальней зоне; 2) снижение минимальной дальности измерений расстояний в ближней зоне; 3) повышения точности измерений; 4) измерение вертикальной составляющей скорости БПЛА.

Для увеличения энергии излучения и повышения дальности измерений, впервые в этом качестве использовались технические решения других авторов.

Объект, предмет и методы исследования

Объект исследования. Совокупность технологий, методов и средств мониторинга подстилающей поверхности БПЛА, использующих в своем составе импульсные высотомеры-скоростемеры на основе полупроводниковых лазеров.

Предмет исследования. Возможность разработки нового поколения высотомеров-скоростемеров на основе совокупности новых методов и средств с улучшенными характеристиками по сравнению с прототипами.

Методы исследования: 1) метод некогерентного накопления светолокацион-ных сигналов для расчета измерения расстояний в дальней зоне работы дальномера-высотомера; 2) методы корректировки аппаратной функции, обеспечивающие снижение теневой зоны для измерений расстояний в ближней зоне работы дальномера-высотомера; 3) методы измерений временного интервала (ИВИ) и временной привязки светолокационного сигнала, обеспечивающий повышение точности измерения высоты импульсным дальномером-высотомером; 4) метод обеспечения

мягкого взлета и мягкой посадки БПЛА по самолетному типу за счет изменения режимов измерения высоты и вертикальной составляющей скорости БПЛА импульсным высотомером-скоростемером.

Технические решения. Впервые для высотомеров такого типа использовалось корректирующее излучение цилиндрических микролинз и двух лазерных диодов с цилиндрическими микролинзами и оптическим сумматором для увеличения энергии излучения и повышения дальности измерений.

Научная новизна Предложены и реализованы

1. Метод увеличения измеряемой дальности, основанный на некогерентном накоплении светолокационных сигналов, научная новизна которого состоит в использовании «длинного» импульса, длительность которого превышает несколько тактовых интервалов, что позволяет увеличить эквивалентную энергию зондирующего сигнала, дальность измерения, частоту выдачи информацию о дальности.

2. Метод устранения эффекта влияния многомодовой структуры лазерного пучка на форму отраженного импульса в зависимости от дальности, научная новизна которого состоит во введении рассеивающего элемента на выходе передающего канала для обеспечения не только засветки теневой зоны, но и устранения указанного эффекта, влияющего на погрешность измерений в ближней зоне.

3. Методы повышения точности измерения высоты, основанные на методах измерения временного интервала или временной привязки импульсного светолока-ционного сигнала, обеспечивающих снижение среднеквадратической ошибки измерения расстояний, научная новизна которых состоит:

1) в исключении неучтенной систематической погрешности при определении временного интервала за счет введения дополнительной поправки, определяемой предварительно путем измерения эталонного интервала времени, для вычисления поправки при измерении временного интервала (ИВИ) оценки ИВИ;

2) в формировании поправки временной привязки зондирующего импульса относительно импульса тактовой частоты, соответствующего положению отраженного

сигнала, позволяющей уменьшить дискретность и повысить точность измерений дальности (без увеличения тактовой частоты).

4. Метод и средства, позволяющие впервые высотомером измерять вертикальную составляющую скорости с высокой точностью, обеспечивая мягкие взлет и посадку БПЛА по самолетному типу, научная новизна которых состоит в определении дальности до объекта и вертикальной составляющей скорости путём линейной интерполяции результатов измерений и в оценке их методом наименьших квадратов, а также в определении минимальной высоты летательного аппарата при его посадке по условию, определяемому параметрами глиссады.

Следовательно, полученные автором научные и экспериментальные результаты определяют возможность создания нового поколения лазерных дальномеров-высотомеров-скоростемеров БПЛА.

Новые технические решения

1. Изменение расходимости излучения с использованием цилиндрической микролинзы, установленной параллельно p-n переходу лазерного диода, для увеличения коэффициента использования излучения и дальности измерения.

2. Повышение энергии излучения и дальности действия высотомера за счёт применения двух лазерных диодов, установки перед ними цилиндрических микролинз и использования оптического сумматора из двулучепреломляющего элемента для сложения излучения диодов. Двулучепреломляющие кристаллы ранее не использовались в качестве сумматора. Исследованиями автора доказана такая возможность [патент № 2362120 РФ].

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость заключается в разработанных: 1) методах, значительно расширяющих диапазон измеряемых расстояний (некогерентное накопление светолокационных сигналов, снижение теневой зоны, технические оптические решения); 2) методах и алгоритмах ИВИ, временной привязки светолокаци-онного сигнала, обеспечивающих снижение среднеквадратической ошибки измерения дальности; 3) методах и средствах измерения вертикальной составляющей

скорости БПЛА, позволяющих осуществить мягкие взлёт и посадку его по самолётному типу, упростить технологию и снизить себестоимость мониторинга.

Практическая значимость. Полученные результаты используются: 1) при разработке лазерных дальномеров-высотомеров ДЛ-5, ДЛ-5М и лазерного высотомера-скоростемера ВСЛ-1 в АО «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» (г. Москва); 2) для БПЛА «Ракурс» (ДЛ-5) в АО «НИИ точных приборов» (г. Москва).

Реализация результатов работы. ДЛ-5 и ВСЛ-1 в составе БПЛА используются в геодезии, картографии, аэрофотосъёмках, мониторинге подстилающей поверхности и др.

Положения, выносимые на защиту

1. Новый метод некогерентного накопления светолокационных сигналов позволяет: уменьшить шум в приёмном канале благодаря соответствующему сужению его полосы пропускания; ограничить процедуру накопления минимальным объемом; обеспечить не менее чем четырехкратное увеличение эквивалентной энергии зондирующего сигнала, расширить диапазон дальности действия высотомера от 200 м до 1000 м (у прототипа ДЛ-1 400 м) и частоту получения информации о дальности до 10-50 Гц (вместо 30 Гц у ДЛ-1 и 0,3-10 Гц у ЬБ90-3).

2. Новый метод построения высотомера, основанный на введении рассеивающего элемента на выходе передающего канала, позволяет: устранить вредное влияние боковых мод на точность измерений в ближней на зоне, уменьшить теневую зону и, в результате, снизить в 4 раза минимальную измеряемую дальность в ближней зоне по сравнению с ДЛ-5 (с 2 до 0,5 м).

3. Новые методы определения временного интервала и временной привязки зондирующего импульса относительно начала отраженного сигнала уменьшают дискретность и обеспечивают среднеквадратическую ошибку измерения 0,4 нс (0,06 м) по сравнению с прототипом ДЛ-5 — 3,3 нс (0,5 м).

4. Новый метод измерения вертикальной составляющей скорости БПЛА не более 2 м/с, с точностью не менее 0,2 м/с впервые позволяет реализовать мягкий взлет и мягкую безаварийную посадку по самолетному типу и снизить себестои-

мость мониторинга за счет неиспользования катапульты, парашюта и ГЛОНАСС. Прототип ДЛ-5 и аналог ЬБ90-3 такой функции не имеют.

Результаты использования технических решений

1. Техническое решение использования корректирующей цилиндрической микролинзы увеличивает коэффициент излучения ЛД до 80% и обеспечивает повышение дальности измерения расстояния (высоты) на 30% (1300 м), у прототипа ДЛ-5 1000 м.

2. Техническое решение по использованию двух лазерных диодов, установке на них микролинз и применения оптического сумматора из исландского шпата позволяет повысить энергию излучения в 3,6 раза, дальность действия высотомера в 1,9 раза (с 1000 м до 1900 м) в сравнении с прототипом ДЛ-5.

Апробация работы и публикации. Материалы и основное содержание работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, и 7 патентах на изобретения, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Материалы, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии: автором лично выбраны пути решения поставленных задач. Соискатель провел анализ существующих методов измерения дальности, энергетический расчёт дальномеров в моноимпульсном и в режиме некогерентного накопления, создал стенд измерения зондирующей энергии, разработал алгоритмы процессов измерения дальности, временных интервалов и дискретности в режимах некогерентного накопления. Также рассмотрел три возможных варианта уменьшения минимальной измеряемой высоты. Принимал участие в написании статей и оформлении заявок на патенты.

Достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов определяются: использованием известных положений фундаментальных наук; совпадением теоретических и экспериментальных результатов с данными опубликованных работ других авторов; экспертизой Федеральной службы по

интеллектуальной собственности с выдачей патентов РФ; результатами натурных испытаний.

Соответствие диссертации научной специальности 05.11.13

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.13 — «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:

1) научно обоснованные новые и усовершенствованные существующие ла-зерно-локационные методы неразрушающего контроля объектов подстилающей поверхности и её мониторинга позволяют применять разработанные приборы (оптико-электронные высотомеры-скоростемеры) в БПЛА и соответствуют п. 1 области исследований («Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

2) разработанные и оптимизированные высокоточные методы энергетического расчета приборов определения максимальной наклонной дальности-высоты, минимальной высоты и измерение вертикальной составляющей скорости БПЛА обеспечивают аналитический и неразрушающий контроль с учётом особенностей объектов контроля подстилающей поверхности и соответствуют п. 2 области исследований («Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля»);

3) разработанное алгоритмические и программно-техническое обеспечение процессов обработки информативных светолокационных сигналов в режиме некогерентного накопления позволяет автоматизировать процесс контроля наклонной дальности-высоты до объектов подстилающей поверхности и посадку БПЛА по самолетному типу и соответствует п. 6 области исследований («Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля»).

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ВЫСОТОМЕРОВ

Человек — биопсихосоциальное существо, высшая материя развития. Он является «геологической силой», способной разрушить среду своего обитания или найти компромисс с природой, непрерывно взаимодействуя с окружающей средой. Она является его местообитанием и источником всех благ, необходимых ему для жизни и производственной деятельности.

Окружающая среда — среда обитания и деятельности человечества, природный и созданный им материальный мир. Она включает природную среду и искусственную (техногенную) среду. Она — совокупность элементов среды, созданных из природных веществ трудом и сознательной волей человека и не имеющих аналогов в девственной природе (здания, сооружения и т.п.). Общественное производство изменяет окружающую среду, воздействуя прямо или косвенно на все ее элементы. Воздействие и его негативные последствия особенно усилились в эпоху современной научно-технической революции. Масштабы человеческой деятельности охватили почти всю географическую оболочку Земли и стали сравнимы с действием глобальных природных процессов.

Трудовая деятельность дала человеку колоссальные преимущества в борьбе за выживание перед остальными животными. Однако она поставила его перед опасностью стать со временем силой, способной разрушить природную среду — среду своей собственной жизни. В экологическом смысле процесс накопления изменений в науке, технике коснулся и состояния окружающей среды, которые, конце концов, переросли в современный экологический кризис: «парниковый эффект», «озоновая дыра», «кислотные дожди», нехватка чистой воды и продуктов питания, сырьевые и энергетические кризисы, загрязнение Мирового океана. Экологические проблемы требуют от человечества немедленного их решения.

Следовательно, изучение местопребывания человека в земных условиях, адекватно связано с изучением окружающей среды его обитания и в том числе подстилающей поверхности.

Подстилающая поверхность — неотъемлемая часть природы, включающая все компоненты земной поверхности. Проблема взаимоотношений человека и

природы, а как следствие и подстилающей поверхности, всегда была предметом глубокого интереса. Подстилающую поверхность можно определить как часть природы, в которой существует человек, средоточием которой он является, непосредственно сталкиваясь с ней в своей деятельности. Поскольку главный канал связи между человеком и подстилающей поверхностью идет через производство, специфика взаимоотношений человека с подстилающей поверхностью и перспективы их существеннейшим образом зависят от уровня развития производительных сил общества и характера производственных отношений.

Таким образом, можно отметить две тенденции в развитии взаимоотношений между человеком и подстилающей поверхностью:

1) начиная с далёкого прошлого, мера господства человека над природой постоянно расширяется, ускоряющимися темпами увеличивается состав веществ и энергий, вовлекаемых в сферу производительного труда, а современная научно-техническая революция открывает перспективу абсолютной власти человека над природными процессами в планетарном масштабе;

2) неуклонно нарастает дисгармония в отношениях между человеком и подстилающей поверхностью.

Одним из эффективных методов контроля объектов подстилающей поверхности считается мониторинг с помощью оптического зондирования лазерными локаторами.

Мониторинг — систематический сбор и обработка информации, которая может быть использована для улучшения процесса принятия решения, а также, кос -венно, для информирования общественности или прямо как инструмент обратной связи в целях осуществления проектов, оценки программ или выработки политики [2]. История оптического зондирования и мониторинга объектов началась в 1905 году, когда наш соотечественник В.В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений он определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.

На момент работы над диссертацией разработан и создан целый класс приборов и устройств, позволявших с высокой точностью определять расстояние от источника оптического излучения до интересующего объекта. Эти приборы по принципу работы аналогичны радиолокатору (радару). «Термин лидар (LIDAR — английская аббревиатура Light Detection and Ranging) — «свет детектирует и измеряет расстояние» для обозначения этого класса приборов по аналогии с термином «радар» (RADAR — Radio Detection and Ranging) впервые появился в 1953 году в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» (Middleton,

rd

W.E.K. and Spilhaus, A.F. Meteorological Instruments, University of Toronto, 3 ed., 1953) и прочно занял свое место в мировой научно-технической терминологии. Создание лазеров (1960) и использование их в качестве источника оптического излучения в лидарах (1963) привело к качественному изменению возможностей последних как приборов, предназначенных для исследования окружающей среды. Лазер, в качестве источника оптического излучения, обладает рядом неоспоримых и даже принципиальных преимуществ перед обычными источниками оптического излучения. В первую очередь — высокой монохроматичностью и когерентностью излучения, а во вторую — связанной с этим высокой спектральной плотностью излучения. Использование лазеров позволило не только расширить диапазон измеряемых расстояний, но и существенно увеличить потенциальные возможности использования этих приборов для диагностики зондируемых сред. Эффект от использования в последние годы лазерно-локационных (ЛЛ) технологий оказался столь значительным, что его можно сравнить только с внедрением в повседневную геодезическую практику в начале 90-х годов навигационно-геодезических систем GPS и ГЛОНАСС [33, 34]. Технология и средства контроля подстилающей поверхности неотделимы друг от друга. Совокупность методов (способов), лежащих в основе применяемых технических средств, обеспечивают последовательность операций наблюдения (измерения) показателей подстилающей поверхности и кон -троля конкретных ее объектов, их качественного и количественного состава. Целью настоящей главы является выбор из известных средств, тех, которые наилуч-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рябокуль, Артем Сергеевич, 2017 год

Список литературы

1. Абазадзе Ю.В., Лицарев Н.А., Почтарев В.Л., Пашков В.А., Хачиев А.Ю., Казаков А.А., Коваль Ю.П., Симаков В.А., Неуструева В.Н., Егорова Г.С., Залевский И.Д., Бородкин А.А., Сапожников С.М. Особенности построения лазерного измерителя скорости и дальности ЛИСД-2М. // Квантовая электроника. — 2002. — №3(32). — С. 247-250.

2. Афанасьев Ю.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды.// Ч2. М.: МНЭПУ.- 2001. — 208с.

3. Балашов И.Ф. Энергетическая оценка импульсных дальномеров.// Учебное пособие СПбГИТМ. -2000. -19 с.

4. БерикашвилиВ.Ш., Засовин В. А., Черепанов А.К. Оптоэлектронные и радиооптическиеустройства и системы. // М.: МИРЭА. - 2010. — 200 с.

5. Д.В.Васильев. Сравнение эффективности непрерывных доплеровских лидаров с разными длинами волн излучения// Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика.-Ы7. 2014. - С.62-66.

6. Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С.. Новые методы повышения энергии зондирующего излучения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2013. -№11-12. — С.33-37.

7. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рудь Е.Л.. Оценка возможностей светоло-кационного измерителя дальности с накоплением// Фотоника.-2007. - № 6. — С. 22-26.

8. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера// Фотоника. -2013. -№3. — С.42-61.

9. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Мартынов В.Н., Рябокуль А.С. Усовершенствование импульсных полупроводниковых лазерных дальномеров для измерения в ближней зоне // Вестник МЭИ. - 2014.-№3. - С.83-88.

10. Вильнер В.Г Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога // Оптико - механическая промышленность.-1984. -№5. — С. 39-42.

11. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой кор -рекцией // Оптико-механическая промышленность. -1981.-№9 — С. 59.

12. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Оптико-электронные высотомеры-скоростемеры на основе полупроводниковых лазеров для БПЛА// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2015. -№5-6. -С.127-133.

13. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рудь Е.Л. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров.//Электроника/Наука. Технология/Бизнес. -2008. -№3. -С. 118-123.

14. Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Казаков А.А., Рябокуль Б.К. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера//Мир измерений. №7,2010. -С. 17-21.

15. Вознюк А.С., Кошелев Б.В., Изучение возможности построения малогабаритного лазерного высотомера-дальномера. // Пятая международная конференция "Авиация и космонавтика -2006". Тез.докл. М., 2006.-С. 214-215.

16. Волохатюк В.А., Кочетков В.М., Красовский Р.Р. Вопросы оптической локации // Под ред. Р.Р. Красовского. М.: Советское радио, 1971. -256 с.

17. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. // М.: Высш. шк., 2003. -479 с 49.

18. Горелик А.Л., Барабаш Ю.Л., Кривошеев О.В., Эпштейн С.С. /Под ред. А.Л. Горелика. Селекция и распознавание на основе локационной информации. // М.: Радио и связь, 1990. — 240 с.

19. Гурин Е.И. Нониусный измеритель временных интервалов с вычисляемым коэффициентом интерполяции // Приборы и техника эксперимента. -1998. -№4. — С. 82-84.

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

21. Даничкин С.А. Границы действия геометрического фактора лидара. IV Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы.// Тезисы докладов. Томск, 1976, — С. 79-82.

22. Дмитриев А.М. Полупроводниковые источники света для систем передачи и обработки информации. // С.Пб: СПбГУИТМО, 2006. — 48 с.

23. Ермаков Б.А., Возницкий М.В.. Получение и обработка информации в импульсных лазерных дальномерах // Оптический журнал. -1993. -№10. -С. 15-32.

24. Ермаков Б.А., Балашов И.Ф., Мотенко Б.Н. Импульсная дальнометрия с оптическими квантовыми генераторами // Сб. статей. Л.: Машиностроение, 1973. -С. 241-255.

25. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин В.С., Потемин А.Э. Теория и расчет элементов приборов: учебник для приборостроительных специальностей. СПб.: Политехника, 1993. -224с.

26. Ковтун А.К., Шкуро А.Н.. Принципы построения цифровых преобразователей интервалов времени // Приборы и техника эксперимента, 1973. -№1. — С. 7-14.

27. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М. Основы импульсной лазерной локации. // Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 512 с.

28. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований // АН СССР. М. -Л.: 1947. -271 с.

29. Ландсберг Г.С. Оптика. // М.: Наука, 1976. — 928 с.

30. Ларюшин А.И., Вильнер В.Г., Рудь Е.Л. Модифицированное устройство временной привязки импульсного лазерного дальномера для летательных аппаратов. // Электроника и электрооборудование транспорта. №2, 2008 г., — С. 23-26.

31. Ларюшин А.И. Оптоэлектроника в промышленности и медицине. // Казань: Абак, 1997. — 478 с.

32. Маркин В.А. Расчет пороговой чувствительности фотодиодных устройств приема световых импульсов// Оптико-механическая промышленность, 1973, № 12, С 13-16.

33. Медведев Е.М., Данилик И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие. // М.: Московский государственный университет геодезии и картографии, 2007. — 230с.

34. Медведев Е.М. Лазерная локация и аэрофототопография //Сб. статей. М.: Проспект, 2006. — 60 с.

35. Матвеев И.Н., Протопопов В.В., Троицкий И.Н. и др. Лазерная локация. // М.: Машиностроение, 1984. -272 с.

36. Митяшев Б.Н. Определение временного положения импульсов при наличии помех. // М.: Сов.радио, 1962. - 120с.

37. Патент РФ №2390724, МПК 004Б3/08. Способ светолокационного определения дальности / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Рудь Е.Л., Рябокуль Б.К. — 2007137273/28; заявл. 10.10.2007, Опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15 - 6 с.: 2 ил.

38. Патент РФ №2133053, МПК 001С10/04. Способ ускоренной нониусной интерполяции временных интервалов / Гурин Е.И. — 97112132/28; заявл. 21.07.1997, Опубл. 10.07.1999, Бюл. № 19 - 13 с.: 6 ил.

39. Патент РФ №2378705, МПК 00801/052. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Казаков А.А., Рябокуль Б.К. — 2008122030/11; заявл. 03.06.2008, Опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1 - 7 с.: 1 ил.

40. Патент РФ №2385471, МПК 00Ш7/50. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Казаков А.А., Рябокуль Б.К. — 2008116164/28; заявл. 25.04.2008, Опубл. 27.10.2009, Бюл. № 9 - 5 с.: 1 ил.

41. Патент РФ №2399560, МПК B64F1/02. Способ посадки беспилотного самолета на аэрофинишер / Рябуха Н.Н. — 2009124730/11; заявл. 30.06.2009, Опубл. 20.09.2019, Бюл. № 26 - 20 с.: 11 ил.

42. Патент РФ № 2451950, МПК G01S17/02. Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала / В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев,

A.А. Казаков, Рябокуль А.С. — Опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.

43. Патент РФ № 2451962, МПК G04F10/04. Способ измерения временного интервала / В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев, Д.И. Игнатьев, А.А. Казаков, Рябокуль А.С. — Опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.

44. Патент РФ №2455615, МПК G01C3/08. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Игнатьев Д.И., Казаков А.А., Рябокуль А.С. — Опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.

45. Патент РФ №2475702, МПК G01C3/08. Лазерный дальномер (варианты) / ВильнерВ.Г., Волобуев В.Г., Лицарев Н.А., Казаков А.А. Почтарев В.Л., Рябокуль А.С.. — Опубл. 27.12.2013, Бюл. № 5.

46. Патент РФ №2362120, МПК G04F3/08. Лазерный дальномер / Вильнер

B.Г., Волобуев В.Г., Михайлов С.С., Моисеев Д.И., Рябокуль С.Б. — 2007145830/28; 12.12.2007, Опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20 - 5 с.: 3 ил.

47. Патент РФ №2385471, МПК G01S17/50. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Казаков А.А., Рябокуль Б .К. — 2008116164/28, 25.04.2008, Опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9 - 5 с.: 1 ил.

48. Патент РФ №2563607, МПК G01C5/00. Способ измерения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата / ВильнерВ.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. — Опубл. 20.09.2015, Бюл. № 26.

49. Патент РФ № 2563608, МПК G01S17/58. Способ определения дальности и/или скорости удалённого объекта / Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. — Опубл. 20.09.2015, Бюлл. № 26.

50. Патент РФ №2562147, МПК G01S17/88. Устройство для определения дальности и/или скорости / Вильнер В.Г., Игнатьев Д.И., Ларюшин А.И.,

Лицарев Н.А., Почтарев В.А., Рябокуль А.С., Седов В.А. - Опубл. 10.09.2015, Бюлл. №. 25.

51. Рачкулик В.И., Ситникова М.В., Отражательные свойства и состояние растительного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-287с.

52. Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. // М.: Советское радио, 1973, - 189 с.

53. Современная радиолокация /под ред. Кобзарева Ю.Б.. //М.: Советское радио, 1969. -704 с.

54. Черепанов А.К., БерикашвилиВ.Ш., Засовин В.А. Радиотехнические системы извлечения, обработки и передачи информации. // М.: МИРЭА, 2011. — 234 с.

55. Хайтун Ф.И., Плешанов Ю.В.. Дискретное накопление сигнала в лазерных локаторах // Оптический журнал, 1993.- № 10.- С 55-56.

56. Ширман Я.Д., МанжосВ.Н..Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. // M.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

57. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. // М.: Логос, 2004. — 472 с.

58. Barr Keith E. Method for improving the received signal to noise ratio of a laser rangefinder/ Barr Keith E. //US Patent No 7184130, February 27, 2007, Appl. No.: 10/893,044; Filed: July 15, 2004; US CI. 356/4.01, Int. CI. G01C 3/08 -7p.: 2 draw. sheets.

59. Conrad Stenton. Rangefinder with transmitter, receiver, and viewfinder on a single common optical axis. //US patent No 5517297, May 14, 1996. Appl. No.: 08/322,974; Filed: October 13, 1994; US CI. 356/4.01, Int. CI. G01C 3/08 - 7 p.: 1 draw. sheet.

60. Coulson K.L. The spectral reflectance of natural surfaces /Coulson K.L., Reynolds S.W. //J. Appl. Met., 1971, vol. 10, №6, p.p 24-28.

61. Danilin, I.M.,EM. Medvedev, and T. Sweda, 2001. Use of airborne laser terrain mapping system for forest inventory in Siberia. In: Precision Forestry.

Proc. of the First Int. Precision Forestry Cooperative Symp., Seattle, Washington, June 17-20, 2001, Univ. of Washington, pp. 67-75.

62. Method and apparatus for determining the light transit time over a measurement path arranged between a measuring apparatus and a reflecting object. US Pat. 5805468, Publ. 8 sep. 1998.

63. John Morcom. Optical distance measurement/ John Morcom //US Patent No 6753950, June 22, 2004; Appl. No.: 10/182,458; US CI. 356/4.01, Int. CI. G01S 17/00; G01S 17/08; G01C 003/08 - 10 p.: 4 draw. sheets.

64. HallddrssonT. and LangerhoicJ.. Geometrical form factors for the lidar function. //Applied Optics,1978, vol. 17, No. 2, р. 15.

65. Lee Seok-Hwan et al. Laser rangefinder and method thereof/ Lee Seok-Hwan et al //Intern. Patent WO 2005/006016, 20.01.2005, Int. CI. G01S 17/10.

66. М.-С. Amann et al. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement / М.-С. Amann et al //Opt. Eng. January 2001, vol. 40, No 1, p.p. 13-14.

67. Medvedev, E. and D. Vagners, 2004. Practical use of Geokosmos real-time cartography technologies based on Optech'S Airborne Laser Terrain Mapping System. In: Proc. Annual Int. Conf. Map-India, New-Delhi, India.

Полнота изложения результатов диссертации в работах, опубликованных

автором

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 1 статья в научно-техническом журнале, в 7 патентах РФ на изобретения.

Статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ

1. Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Новые методы повышения энергии зондирующего излучения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. — 2013. — №11-12. — С. 33-37 (вклад соискателя — 25%).

2. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Мартынов В.Н., Рябокуль А.С. Усо-вершенствование импульсных полупроводниковых лазерных дальномеров для измерения в ближней зоне // Вестник МЭИ. — 2014. — №3. — С. 83-88 (вклад соискателя — 25%).

3. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Оптико — электронные высотомеры — скоростемеры на основе полупроводниковых лазеров для БПЛА // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. — 2015. — №5-6. — С. 127-133 (вклад соискателя — 30%).

В других научно — технических изданиях

4. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера // Фотоника. — 2013. — №3. — С. 42-61 (вклад соискателя — 30%).

Патенты на изобретения

5. Пат. 2451950 Рос. Федерация: МПК G01S17/02. Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала / В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев, А.А. Казаков, Рябокуль А.С. - № 2011101615/28; заявл. 18.01.2011, опубл. 27.05.2012; Бюл. № 15 - 6 с.: 3 ил. (вклад соискателя — 25%).

6. Пат. 2451962 Рос. Федерация: МПК G04F10/04. Способ измерения временного интервала / В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев, Д.И. Игнатьев, А.А. Казаков, Рябокуль А.С. - № 2011101614/28; заявл. 18.01.2011, опубл. 27.05.2012; Бюл. № 15 - 8 с.: 4 ил. (вклад соискателя — 20%).

7. Пат. 2455615 Рос. Федерация: МПК G01C3/08. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Игнатьев Д.И., Казаков А.А., Рябокуль А.С. - № 2011101613/28; заявл. 18.01.2011, опубл. 10.07.2012; Бюл. № 19 - 8 с.: 3 ил. (вклад соискателя 20%).

8. Пат. 2475702 Рос. Федерация: МПК G01C3/08. Лазерный дальномер (варианты) / Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Лицарев Н.А., Казаков А.А., Почтарев В.Л., Рябокуль А.С. - № 2011140188/28; заявл. 04.10.2011, опубл. 20.02.2013; Бюл. № 5 -

5 с.: 3 ил. (вклад соискателя — 15%).

9. Пат. 2563607 Рос. Федерация: МПК G01C5/00. Способ измерения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата / Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. - № 2014123293/28; заявл. 09.06.2014, опубл. 20.09.2015; Бюл. № 26 -

6 с.: 3 ил. (вклад соискателя — 30%).

10. Пат. 2562147 Рос. Федерация: МПК G01S17/88. Устройство для определения дальности и/или скорости / Вильнер В.Г., Игнатьев Д.И., Ларюшин А.И., Лицарев Н.А., Почтарев В.А., Рябокуль А.С, Седов В.А. — № 2014123296/28; заявл. 09.06.2014, опубл.10.09.2015; Бюл. № 25 - 5 с.: 2 ил. (вклад соискателя 10%).

11. Пат. 2563608 Рос. Федерация: МПК G01S17/58. Способ определения дальности и/или скорости удалённого объекта / Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. - № 2014123304/28; заявл. 09.06.2014, опубл. 20.09.2015; Бюл. № 26 -6 с.: 1 ил. (вклад соискателя — 30%).

Сокращённые слова

- ЛА — летательные аппараты;

- БПЛА — беспилотные летательные аппараты;

- ПП — подстилающая поверхность;

- ЛЛ — лазерная локация;

- ВАРУ — временная автоматическая регулировка усиления;

- ДЛ -1- дальномер лазерный (прототип ДЛ-5);

- ДЛ-5 — дальномер лазерный (прототип ДЛ-5М);

- ЬБ90-3-лазерный дальномер - зарубежный аналог ДЛ-5М;

- ФПУ — фотоприёмное устройство;

- ШАРЛ — шумовая автоматическая регулировка лавинного режима фотодиода;

- МДВ — метеорологическая дальность видимости;

- ФЧЭ — фоточувствительный элемент;

- ИВИ — измеритель временных интервалов;

- ШАРП — шумовая автоматическая регулировка порога срабатывания;

- ВП — временная привязка;

- п/п - лазер — полупроводниковый лазер;

- т/т - лазер — твердотельный лазер;

- ЛД — лазерный диод;

- АФ — аппаратная функция;

- ТЗ — теневая зона;

- ДОС — диалого-операционная система;

- СКО - среднеквадратическая ошибка;

- ПО — программное обеспечение.