The 34 reference contexts in paper A. Nikulchin V., E. Starovoitov I., N. Zubov E., V. Ivashov V., А. Никульчин В., В. Ивашов В., Е. Старовойтов И., Н. Зубов Е. (2016) “Исследование эффективности и оптимизация параметров лазерного локационного прибора для измерения скорости сближения космических аппаратов // Study of efficiency and optimization parameters of laser device for measuring the range rate of a spacecraft” / spz:neicon:technomag:y:2014:i:6:p:247-269

  1. Start
    812
    Prefix
    Для ручного управления сближением в нештатных ситуациях без использования радиотехнических систем взаимных измерений на борту пилотируемых КА типа «Союз» предназначен лазерный дальномер. Впервые его использовали в 1985-1986 гг. при сближении с орбитальными станциями «Салют-7» и «Мир»
    Exact
    [1]
    Suffix
    . На борту применялся штатный армейский лазерный дальномер ЛПР-1 (1Д13), введенный впоследствии в состав всех пилотируемых КА «Союз». Диапазон измеряемых дальностей ЛПР-1 составлял 145...20000 м при погрешности измерения дальности 10 м.
    (check this in PDF content)

  2. Start
    1105
    Prefix
    На борту применялся штатный армейский лазерный дальномер ЛПР-1 (1Д13), введенный впоследствии в состав всех пилотируемых КА «Союз». Диапазон измеряемых дальностей ЛПР-1 составлял 145...20000 м при погрешности измерения дальности 10 м. Использовалась рабочая длина волны 1,06 мкм
    Exact
    [2]
    Suffix
    . Большая мощность зондирующего импульса в данном спектральном диапазоне не позволяет отнести ЛПР-1 к безопасным для органов зрения приборам, согласно действующим стандартам лазерной безопасности.
    (check this in PDF content)

  3. Start
    1553
    Prefix
    В дальнейшем ЛПР-1 был заменен на лазерный дальномер с безопасным для органов зрения излучением (рабочая длина волны 1,54 мкм) ЛДИ-11. Диапазон измеряемых дальностей ЛДИ-11 составляет 60...10000 м при погрешности измерения дальности 10 м
    Exact
    [3]
    Suffix
    . Аналогичный лазерный дальномер использовался на борту КА «Space Shuttle» (Hand Held Lidar – HHL) [4]. НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ Эл No ФС77 - 4 . Государственная регистрация No042 00025. 821112ISSN 1994-0408 э л е к т р о н н ы й н а у ч н о - т е х н и ч е с к и й ж у р н а л НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ.
    (check this in PDF content)

  4. Start
    1649
    Prefix
    Диапазон измеряемых дальностей ЛДИ-11 составляет 60...10000 м при погрешности измерения дальности 10 м [3]. Аналогичный лазерный дальномер использовался на борту КА «Space Shuttle» (Hand Held Lidar – HHL)
    Exact
    [4]
    Suffix
    . НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ Эл No ФС77 - 4 . Государственная регистрация No042 00025. 821112ISSN 1994-0408 э л е к т р о н н ы й н а у ч н о - т е х н и ч е с к и й ж у р н а л НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ.
    (check this in PDF content)

  5. Start
    5198
    Prefix
    Зондирующее излучение безопасно для органов зрения, рабочие длины волн 1,54...1,57 мкм. Преимуществом времяпролетного канала являются большие дальности измерений и помехоустойчивость. Однако, точность импульсных измерений, обычно составляет около 3...10 м
    Exact
    [3]
    Suffix
    (погрешность единичного наблюдения). Достоинством фазового канала является точность измерения дальности порядка нескольких миллиметров, но при этом его дальность не превышает 100...200 м.
    (check this in PDF content)

  6. Start
    6273
    Prefix
    На практике для достижения максимальной эффективности прибора необходимо найти определенные значения параметров, которые могут существенно отличаться при оценке по различным критериям. Для этого выполняется оптимизация, методы которой определяются особенностями объекта оптимизации, но при этом существует общий порядок данной процедуры
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Следует сказать, что по проблемам оптимизации параметров лазерных приборов в имеющейся литературе имеется очень мало информации. Оптимизация по нескольким критериям параметров бортовых лазерных локационных систем (ЛЛС) для управления сближением КА и уголковых отражателей, используемых в качестве ответных устройств, рассмотрена в работах [6,7].
    (check this in PDF content)

  7. Start
    6676
    Prefix
    Оптимизация по нескольким критериям параметров бортовых лазерных локационных систем (ЛЛС) для управления сближением КА и уголковых отражателей, используемых в качестве ответных устройств, рассмотрена в работах
    Exact
    [6,7]
    Suffix
    . Там же предложено использование метода поиска множеств Парето (Парето-оптимизация) для решения этих задач и представлен соответствующий математический аппарат. В работе [6] рассмотрено применение комплексного критерия при оптимизации ЛЛС по критериям максимальной дальности и дистанции безопасного наблюдения и сделан вывод, что результаты такой оптимизации не всегда применим
    (check this in PDF content)

  8. Start
    6859
    Prefix
    по нескольким критериям параметров бортовых лазерных локационных систем (ЛЛС) для управления сближением КА и уголковых отражателей, используемых в качестве ответных устройств, рассмотрена в работах [6,7]. Там же предложено использование метода поиска множеств Парето (Парето-оптимизация) для решения этих задач и представлен соответствующий математический аппарат. В работе
    Exact
    [6]
    Suffix
    рассмотрено применение комплексного критерия при оптимизации ЛЛС по критериям максимальной дальности и дистанции безопасного наблюдения и сделан вывод, что результаты такой оптимизации не всегда применимы на практике.
    (check this in PDF content)

  9. Start
    7099
    Prefix
    В работе [6] рассмотрено применение комплексного критерия при оптимизации ЛЛС по критериям максимальной дальности и дистанции безопасного наблюдения и сделан вывод, что результаты такой оптимизации не всегда применимы на практике. В работах
    Exact
    [6,7]
    Suffix
    при оптимизации параметров ЛЛС не рассматривались такие критерии, как потребляемая мощность, массогабаритные характеристики и др. На практике широко применяется метод справедливого компромисса (или обобщенной функции желательности), подразумевающий непротиворечивый характер критериев оценки  i Riix)(, (1) где Ri – целевая функция; Фi – оцениваемый критерий.
    (check this in PDF content)

  10. Start
    7614
    Prefix
    На практике широко применяется метод справедливого компромисса (или обобщенной функции желательности), подразумевающий непротиворечивый характер критериев оценки  i Riix)(, (1) где Ri – целевая функция; Фi – оцениваемый критерий. Как следует из выражения (1), функция желательности стремиться к нулю, если один из входящих в нее критериев принимает небольшие значения. В работе
    Exact
    [8]
    Suffix
    данный метод использован для оценки эффективности оптических обзорно-поисковых пеленгаторов нескольких поколений. В качестве критериев использовано отношение параметров оцениваемого прибора и прибора «нулевого» поколения.
    (check this in PDF content)

  11. Start
    10835
    Prefix
    Необходимо отметить, что сравниваются приборы разные по идеологии и конструкции. Таблица 1. Технические характеристики и значения обобщенной функции эффективности для лазерных дальномеров разных типов Прибор Габариты, мм φi ЛПР-1
    Exact
    [6,7]
    Suffix
    20 000 145 0,2 2,5 221×226×116 – – + 4,55·10–6 ЛДИ-11 [7] 10 000 60 0,15 2,1 226×203×91 – + + 6,81·10–5 ЛСДК 5 000 0,1 0,33 3,9 150×200×100 + + – 1,35·10–1 Для оценки эффективности в качестве желаемого значения параметра принят наилучший показатель одного из трех рассматриваемых приборов.
    (check this in PDF content)

  12. Start
    10885
    Prefix
    Технические характеристики и значения обобщенной функции эффективности для лазерных дальномеров разных типов Прибор Габариты, мм φi ЛПР-1 [6,7] 20 000 145 0,2 2,5 221×226×116 – – + 4,55·10–6 ЛДИ-11
    Exact
    [7]
    Suffix
    10 000 60 0,15 2,1 226×203×91 – + + 6,81·10–5 ЛСДК 5 000 0,1 0,33 3,9 150×200×100 + + – 1,35·10–1 Для оценки эффективности в качестве желаемого значения параметра принят наилучший показатель одного из трех рассматриваемых приборов.
    (check this in PDF content)

  13. Start
    11623
    Prefix
    Значительное отличие заключается в условиях эксплуатации приборов, так как ЛСДК предназначен для работы в составе КА. ЛСДК можно сравнить по эффективности (при некоторых допущениях) с аналогичными образцами разработки ОАО ГПРЗ
    Exact
    [9]
    Suffix
    , Jenoptik AG – Defense & Civil Systems (ФРГ) [10] и FLIR Systems, Inc. (США) [11]. Для такой оценки будет необходимо изменить обобщенную функцию эффективности (2). Так как наведение зондирующего пучка у всех приборов осуществляется за счет разворота носителя, то также необходимо сравнить ширину диаграммы зондирующего излучения.
    (check this in PDF content)

  14. Start
    11670
    Prefix
    Значительное отличие заключается в условиях эксплуатации приборов, так как ЛСДК предназначен для работы в составе КА. ЛСДК можно сравнить по эффективности (при некоторых допущениях) с аналогичными образцами разработки ОАО ГПРЗ [9], Jenoptik AG – Defense & Civil Systems (ФРГ)
    Exact
    [10]
    Suffix
    и FLIR Systems, Inc. (США) [11]. Для такой оценки будет необходимо изменить обобщенную функцию эффективности (2). Так как наведение зондирующего пучка у всех приборов осуществляется за счет разворота носителя, то также необходимо сравнить ширину диаграммы зондирующего излучения.
    (check this in PDF content)

  15. Start
    11704
    Prefix
    Значительное отличие заключается в условиях эксплуатации приборов, так как ЛСДК предназначен для работы в составе КА. ЛСДК можно сравнить по эффективности (при некоторых допущениях) с аналогичными образцами разработки ОАО ГПРЗ [9], Jenoptik AG – Defense & Civil Systems (ФРГ) [10] и FLIR Systems, Inc. (США)
    Exact
    [11]
    Suffix
    . Для такой оценки будет необходимо изменить обобщенную функцию эффективности (2). Так как наведение зондирующего пучка у всех приборов осуществляется за счет разворота носителя, то также необходимо сравнить ширину диаграммы зондирующего излучения.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    12367
    Prefix
    Питание приборов осуществляется от бортовой сети, а не автономных батарей, поэтому следует также оценивать потребляемую на борту мощность. Для сравнения аналогичных приборов, необходимо оценить максимальную погрешность измерений дальности. У приборов
    Exact
    [9-11]
    Suffix
    результаты измерений автоматически выдаются через интерфейс информационного обмена, при этом частоты выдачи информации у некоторых образцов даже превышают требования, предъявляемые к ЛСДК (десятки Гц), поэтому этот параметр не оценивается.
    (check this in PDF content)

  17. Start
    13841
    Prefix
    При работоспособности прибора в условиях космического полета коэффициент Kк = 1, в противном случае Kк = 0,1. Таблица 2. Технические характеристики и значения обобщенной функции эффективности для ЛСДК и его близких аналогов Прибор φi АТЛД-12
    Exact
    [9]
    Suffix
    12 000 200,0 1,5 2,33 135,0 4,00 270×105×116 – – – – 5,61·10–12 ELEM-DP 10k LRF [10] 10 000 200,0 5,0 0,50 192,0 1,60 223×60×124 – + – – 1,05·10–11 MLR-2K [11] 5 000 25,0 1,0 0,70 1,5 0,13 33×54×89 – + – – 4,86·10–6 ЛСДК 5 000 0,1 5,0 6,00 25,0 3,90 150×200×100 + + + + 8,78·10–6 Как видно из данных таблицы 3, аналоги превосходят ЛСДК по некоторым показателям, однако они не предназначены
    (check this in PDF content)

  18. Start
    13911
    Prefix
    Технические характеристики и значения обобщенной функции эффективности для ЛСДК и его близких аналогов Прибор φi АТЛД-12 [9] 12 000 200,0 1,5 2,33 135,0 4,00 270×105×116 – – – – 5,61·10–12 ELEM-DP 10k LRF
    Exact
    [10]
    Suffix
    10 000 200,0 5,0 0,50 192,0 1,60 223×60×124 – + – – 1,05·10–11 MLR-2K [11] 5 000 25,0 1,0 0,70 1,5 0,13 33×54×89 – + – – 4,86·10–6 ЛСДК 5 000 0,1 5,0 6,00 25,0 3,90 150×200×100 + + + + 8,78·10–6 Как видно из данных таблицы 3, аналоги превосходят ЛСДК по некоторым показателям, однако они не предназначены для применения на борту КА (ЛСДК размещается в негерметичной зоне).
    (check this in PDF content)

  19. Start
    13972
    Prefix
    Технические характеристики и значения обобщенной функции эффективности для ЛСДК и его близких аналогов Прибор φi АТЛД-12 [9] 12 000 200,0 1,5 2,33 135,0 4,00 270×105×116 – – – – 5,61·10–12 ELEM-DP 10k LRF [10] 10 000 200,0 5,0 0,50 192,0 1,60 223×60×124 – + – – 1,05·10–11 MLR-2K
    Exact
    [11]
    Suffix
    5 000 25,0 1,0 0,70 1,5 0,13 33×54×89 – + – – 4,86·10–6 ЛСДК 5 000 0,1 5,0 6,00 25,0 3,90 150×200×100 + + + + 8,78·10–6 Как видно из данных таблицы 3, аналоги превосходят ЛСДК по некоторым показателям, однако они не предназначены для применения на борту КА (ЛСДК размещается в негерметичной зоне).
    (check this in PDF content)

  20. Start
    16297
    Prefix
    Принципиально возможно ее снижение до величины σD < 1,0 м, за счет увеличения тактовой частоты измерителя временных интервалов (дискретность измерений дальности) и повышения точности временной привязки принятого сигнала
    Exact
    [12,13]
    Suffix
    . Таким образом, требования к точности измерения дальности времяпролетным методом при моноимпульсном зондировании, вытекающие из требований к точности измерения скорости (табл. 3), оказываются жестче по сравнению с изначально заданными в ТЗ.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    18563
    Prefix
    Такие частоты повторения импульсов можно получить с использованием неодимового лазера, однако энергия его импульсов на длине волны 1,06 мкм ограничена требованиями лазерной безопасности. Здесь возникает проблема оценки надежности лазера. В работе
    Exact
    [14]
    Suffix
    показана взаимосвязь частоты повторения импульсов излучения и вероятности безотказной работы лазерного прибора. Там же показано, что ресурс твердотельного лазера с диодной накачкой определяется в первую очередь количеством импульсов ЛД накачки, при этом ресурс других элементов конструкции (активный элемент, резонатор) в нормальных условиях эксплуатации больше на много порядков.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    19700
    Prefix
    по экспоненциальному закону P(t) = e –К··t , (11) где К – обобщенный эксплуатационный коэффициент; t  [t0, Tf] – оцениваемый период времени активной работы, ч; t0 – начало работы изделия; Tf – окончание работы изделия. Примем период активной работы лазера в этом режиме равным t = 1 ч. Значения ресурса ЛД накачки и обобщенного эксплуатационного коэффициента составляют Nи = 109
    Exact
    [14]
    Suffix
    , К = 1,5 [5]. Зависимость ВБР от σD при συ = 0,1 м/с для трех значений Δt представлена на рис. 2. Рис. 2. Зависимость ВБР твердотельного лазера с диодной накачкой от σD при συ = 0,1 м/с: 1 – Δt = 1,0 с; 2 – Δt = 1,5 с; 3 – Δt = 2,0 с Из рисунка видно, что увеличению σD соответствует снижение ВБР и наоборот.
    (check this in PDF content)

  23. Start
    19712
    Prefix
    экспоненциальному закону P(t) = e –К··t , (11) где К – обобщенный эксплуатационный коэффициент; t  [t0, Tf] – оцениваемый период времени активной работы, ч; t0 – начало работы изделия; Tf – окончание работы изделия. Примем период активной работы лазера в этом режиме равным t = 1 ч. Значения ресурса ЛД накачки и обобщенного эксплуатационного коэффициента составляют Nи = 109 [14], К = 1,5
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Зависимость ВБР от σD при συ = 0,1 м/с для трех значений Δt представлена на рис. 2. Рис. 2. Зависимость ВБР твердотельного лазера с диодной накачкой от σD при συ = 0,1 м/с: 1 – Δt = 1,0 с; 2 – Δt = 1,5 с; 3 – Δt = 2,0 с Из рисунка видно, что увеличению σD соответствует снижение ВБР и наоборот.
    (check this in PDF content)

  24. Start
    20667
    Prefix
    Во множество Парето включаются только те решения х * , для которых выполняется следующее неравенство Ф (х ** ) ≥ Ф (х * ). (12) Если условие (12) выполняется, то х * называется эффективным или Паретооптимальным решением задачи многокритериальной оптимизации
    Exact
    [15]
    Suffix
    . Р(Х) = {х′′  Х| не существует такого х′  Х, что Фi (х′) ≥ Фi (х′′)}. (13) Роль множества Парето при решении задач многокритериальной оптимизации определяется следующей теоремой. Если для некоторых весовых коэффициентов μi, i  [1, k] и вектора х *  Dх имеет место равенство    k i ii k iDx iixx 1x1 * ()min(), (14) то вектор х* оптимален по Парето.
    (check this in PDF content)

  25. Start
    20894
    Prefix
    Р(Х) = {х′′  Х| не существует такого х′  Х, что Фi (х′) ≥ Фi (х′′)}. (13) Роль множества Парето при решении задач многокритериальной оптимизации определяется следующей теоремой. Если для некоторых весовых коэффициентов μi, i 
    Exact
    [1, k]
    Suffix
    и вектора х *  Dх имеет место равенство    k i ii k iDx iixx 1x1 * ()min(), (14) то вектор х* оптимален по Парето. Для бортовой аппаратуры обычно задается значение ВБР не менее P(t) ≥ 0,999, которое требует σD ≤ 0,9 м.
    (check this in PDF content)

  26. Start
    21372
    Prefix
    С учетом ограниченного ресурса других компонентов ЛСДК, недопустимо снижение ВБР лазерного источника, так как надежность прибора в целом снизиться еще больше. Для лазерного модуля в составе прибора на практике значение ВБР составляет не менее P(t) = 0,9993
    Exact
    [16]
    Suffix
    . Если допустить, что в составе ЛСДК полностью отсутствуют подвижные части, а надежность электронных компонентов и соединений не меньше P(t) = 0,9999, то обеспечить значение P(t) = 0,999 для ЛСДК в целом возможно при ВБР лазера P(t) = 0,9991.
    (check this in PDF content)

  27. Start
    23250
    Prefix
    В перспективе следует рассмотреть возможности использования волоконных лазеров (ВЛ), широко применяемых в настоящее время в технологических процессах, ресурс источника накачки у которых составляет свыше 50000 ч при частотах генерации более 20 кГц
    Exact
    [17]
    Suffix
    . В этом случае ВБР для ВЛ (λ = 2,0·10 –5 1/ч) составит P(t) = 0,99997. 4. Энергетическая оценка лазерной подсветки Рассмотрение ВЛ в качестве источника излучения для ЛЛС показывает, что в настоящее время их основным недостатков является ограниченная энергия импульса – до 1 мДж [17-19].
    (check this in PDF content)

  28. Start
    23525
    Prefix
    Энергетическая оценка лазерной подсветки Рассмотрение ВЛ в качестве источника излучения для ЛЛС показывает, что в настоящее время их основным недостатков является ограниченная энергия импульса – до 1 мДж
    Exact
    [17-19]
    Suffix
    . В результате сильно падает плотность излучения в сечении зондирующего пучка ЛДСК, имеющего широкую диаграмму (γ = 6 мрад). Требования к энергетике ЛСДК можно оценить с использованием «классического» уравнения лазерной локации [20].
    (check this in PDF content)

  29. Start
    23760
    Prefix
    В результате сильно падает плотность излучения в сечении зондирующего пучка ЛДСК, имеющего широкую диаграмму (γ = 6 мрад). Требования к энергетике ЛСДК можно оценить с использованием «классического» уравнения лазерной локации
    Exact
    [20]
    Suffix
    . Поскольку орбитальный комплекс типа МКС имеет сложную пространственную конфигурацию, то его эффективная площадь отражения будет зависеть от ракурса, с которого осуществляется визирование (рис. 3).
    (check this in PDF content)

  30. Start
    25653
    Prefix
    В конструкции МКС имеется большое количество металлических поверхностей и теплоизоляционных матов белого цвета. Поэтому минимальный коэффициент отражения диффузно рассеивающих поверхностей принимается равным ρп = 0,5. Для получения надежного измерения отношение сигнал/шум выбирается равным q = 7...10
    Exact
    [20]
    Suffix
    , но не менее чем q = 3 [12]. Во втором случае рассмотрим ситуацию, когда конструкция МКС не полностью покрывается зондирующим пучком, а сечение пучка пересекает только протяженный элемент постоянной ширины h, концы которого выходят за края поля зрения (для модулей МКС среднее значение h = 4 м).
    (check this in PDF content)

  31. Start
    25680
    Prefix
    Поэтому минимальный коэффициент отражения диффузно рассеивающих поверхностей принимается равным ρп = 0,5. Для получения надежного измерения отношение сигнал/шум выбирается равным q = 7...10 [20], но не менее чем q = 3
    Exact
    [12]
    Suffix
    . Во втором случае рассмотрим ситуацию, когда конструкция МКС не полностью покрывается зондирующим пучком, а сечение пучка пересекает только протяженный элемент постоянной ширины h, концы которого выходят за края поля зрения (для модулей МКС среднее значение h = 4 м).
    (check this in PDF content)

  32. Start
    25968
    Prefix
    Во втором случае рассмотрим ситуацию, когда конструкция МКС не полностью покрывается зондирующим пучком, а сечение пучка пересекает только протяженный элемент постоянной ширины h, концы которого выходят за края поля зрения (для модулей МКС среднее значение h = 4 м). Тогда, согласно
    Exact
    [20]
    Suffix
    имеем вхпперпр пор л hd DqЕ Е      2 3 1,9 4 . (18) В тоже время на корпусе МКС расположено большое количество УО. При засветке с большого расстояния будет визироваться хотя бы один из них.
    (check this in PDF content)

  33. Start
    28896
    Prefix
    прибора Диаметр отраженного от УО пучка определяется выражением dотр = 2∙(dУО + D∙αУО). (20) Приемная апертура заполняется отраженным пучком излучения на величину, равную              отр пр пр отр пр пр покр отр пр r d b d rb d b S S r d b 2 1, 22 , 2 0, . (21) Определение значения Sпокр сводится к вычислению площади пересечения двух окружностей, по выражению
    Exact
    [21]
    Suffix
    , соответствующему случаю, когда центр координат находится в центре приемной апертуры, и рассчитывается суммарная площадь двух сегментов окружностей, соответствующих диаметру приемной апертуры и отраженного от УО пучка:                                отр отр пр отр пр отр пр пр покр br r d b r bd r d db S 2 4 arccos 4 arccos 4 2 2 2 2 2 2 22         
    (check this in PDF content)

  34. Start
    30970
    Prefix
    А сохранение необходимого уровня энергии подсветки, в свою очередь, позволяет проводить измерения при отношении сигнал/шум, обеспечивающем помехоустойчивость ЛСДК. 6. Оценка эффективности лазерных источников разных типов В работе
    Exact
    [19]
    Suffix
    проведен анализ возможностей лазерных источников для бортовых ЛЛС, в том числе с точки зрения теплового режима лазерного прибора в целом. Зависимость выделяемого тепла от частоты повторения импульсов можно сформулировать следующим образом )1(     л л E P f, (24) где Рл – тепловыделение лазера; η – КПД лазера; Ел – энергия лазерного импульса.
    (check this in PDF content)