The 33 reference contexts in paper E. Starovoitov I., N. Zubov E., Е. Старовойтов И., Н. Зубов Е. (2016) “Прикладные вопросы разработки бортовой лазерной локационной аппаратуры // Applied Questions of Onboard Laser Radar Equipment Development” / spz:neicon:technomag:y:2015:i:9:p:81-105

  1. Start
    1724
    Prefix
    слова: лазерная локационная система; космический аппарат; сближение и стыковка; фотоприемное устройство; лазер; сканирование; погрешность измерений; надежность Введение В настоящее время на борту различных космических аппаратов (КА) для измерений дальности и радиальной скорости во время выполнения сближения и стыковки широко используются лазерные локационные системы (ЛЛС)
    Exact
    [1-4]
    Suffix
    , при спуске КА на поверхность различных небесных тел применяются лазерные высотомеры [5-7], осуществляющие измерения высоты и вертикальной скорости. Известно большое количество моделей бортовых ЛЛС, отличающихся по принципу работы, конструкции, диапазонам измеряемых величин и т.д.
    (check this in PDF content)

  2. Start
    1821
    Prefix
    устройство; лазер; сканирование; погрешность измерений; надежность Введение В настоящее время на борту различных космических аппаратов (КА) для измерений дальности и радиальной скорости во время выполнения сближения и стыковки широко используются лазерные локационные системы (ЛЛС) [1-4], при спуске КА на поверхность различных небесных тел применяются лазерные высотомеры
    Exact
    [5-7]
    Suffix
    , осуществляющие измерения высоты и вертикальной скорости. Известно большое количество моделей бортовых ЛЛС, отличающихся по принципу работы, конструкции, диапазонам измеряемых величин и т.д. Большая часть характеристик ЛЛС определяется типом используемых компонентов.
    (check this in PDF content)

  3. Start
    2119
    Prefix
    Известно большое количество моделей бортовых ЛЛС, отличающихся по принципу работы, конструкции, диапазонам измеряемых величин и т.д. Большая часть характеристик ЛЛС определяется типом используемых компонентов. В работе
    Exact
    [8]
    Suffix
    рассматривалось влияние используемых типов лазеров на дальность измерений и тепловой режим ЛЛС. Зависимость погрешности измерений от частоты повторения лазерных импульсов, влияние чувствительности и динамического диапазона фотодетектора на характеристики ЛЛС, защита фотодетектора от перегрузки мощным сигналом, в ранее опубликованных работах подробно не рассматривалис
    (check this in PDF content)

  4. Start
    3900
    Prefix
    Зависимость дальности измерений лазерных локационных систем от типа используемого фотодетектора Для приема сигналов в ЛЛС, излучающих в импульсном режиме используются ФПУ на основе лавинных фотодиодов (ЛФД), pin-фотодиодов (pin-ФД) и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ)
    Exact
    [9]
    Suffix
    . ФЭУ были использованы в первом российском космическом лидаре «Балкан», предназначенном для дистанционного зондирования Земли с борта орбитальной станции «Мир» [10], но в бортовых ЛЛС широкого применения не нашли (требуется высокое напряжение питания и фотодетектор быстро выходит из строя при сильной засветке).
    (check this in PDF content)

  5. Start
    4079
    Prefix
    типа используемого фотодетектора Для приема сигналов в ЛЛС, излучающих в импульсном режиме используются ФПУ на основе лавинных фотодиодов (ЛФД), pin-фотодиодов (pin-ФД) и фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) [9]. ФЭУ были использованы в первом российском космическом лидаре «Балкан», предназначенном для дистанционного зондирования Земли с борта орбитальной станции «Мир»
    Exact
    [10]
    Suffix
    , но в бортовых ЛЛС широкого применения не нашли (требуется высокое напряжение питания и фотодетектор быстро выходит из строя при сильной засветке). Наибольшей чувствительностью и быстродействием в спектральном диапазоне 0,6...1,2 мкм обладает ЛФД, представляющий собой твердотельный аналог ФЭУ.
    (check this in PDF content)

  6. Start
    4663
    Prefix
    Внутреннее усиление фототока осуществляется за счет электрического пробоя p-nперехода и образования лавинного процесса размножения поступающих в p-n-переход неосновных носителей. В результате обеспечивается внутреннее усиление порядка 10 3 и более
    Exact
    [10]
    Suffix
    . Поэтому в бортовых ЛЛС предпочтительно использование ФПУ на основе ЛФД. Фотодетекторы на основе p-n-переходов с большим обедненным слоем называются pin-ФД. Малое влияние процессов диффузии носителей обеспечивает хорошую чувствительность (но ниже, чем у ЛФД) и быстродействие этих фотоприемников.
    (check this in PDF content)

  7. Start
    5493
    Prefix
    Для анализа последствий снижения чувствительности ФПУ используем «классическое» уравнение лазерной локации на основе приближений геометрической оптики для двух предельных случаев, наиболее часто встречающихся на практике
    Exact
    [9,11]
    Suffix
    . Измеряемая ЛЛС дальность до удаленного диффузно отражающего пассивного КА (представляющего собой точечный объект, см. рис. 1) определяется выражением 42 2 пор лобпробперпр qЕ ЕSd D      , (1) где Ел – энергия излучения лазерного источника; Sоб – отражающая площадь пассивного КА; θ – плоский угол расходимости зондирующего пучка; dпр – диаметр приемного объектива; q – от
    (check this in PDF content)

  8. Start
    8457
    Prefix
    Зависимость дальности измерений ЛЛС от расходимости зондирующего пучка более сильная, чем от его мощности, поэтому сужение диаграммы излучения позволяет увеличить дальность. Однако чрезмерное уменьшение расходимости зондирующего излучения может вызвать промах при сопровождении высокодинамичного объекта
    Exact
    [9]
    Suffix
    . Поэтому на практике нецелесообразно использовать зондирующий пучок с очень узкой расходимостью. Еще одно конструктивное решение заключается в увеличении диаметра входного зрачка – использовании приемного объектива большего диаметра.
    (check this in PDF content)

  9. Start
    8870
    Prefix
    Еще одно конструктивное решение заключается в увеличении диаметра входного зрачка – использовании приемного объектива большего диаметра. В бортовых ЛЛС как правило используются линзовые объективы. Масса линзового объектива пропорциональна третьей степени его диаметра
    Exact
    [12]
    Suffix
    М = к·dпр 3 , (5) где к – коэффициент плотности заполнения конструкции объектива. В последнюю очередь можно уменьшить отношение сигнал/шум. Это наименее предпочтительное решение, так как оно приводит к снижению помехоустойчивости ЛЛС и достоверности измерений.
    (check this in PDF content)

  10. Start
    9225
    Prefix
    Это наименее предпочтительное решение, так как оно приводит к снижению помехоустойчивости ЛЛС и достоверности измерений. Для получения надежного измерения на практике отношение сигнал/шум выбирается равным q = 7...10
    Exact
    [9]
    Suffix
    , но не менее чем q = 3 [11]. Чаще всего принимается величина q = 10, которой соответствуют значения вероятностей ложной тревоги 10 –6 и пропуска сигнала 10–7 (определяются с использованием критерия Неймана-Пирсона), обеспечивающие приемлемую надежность измерений.
    (check this in PDF content)

  11. Start
    9251
    Prefix
    Это наименее предпочтительное решение, так как оно приводит к снижению помехоустойчивости ЛЛС и достоверности измерений. Для получения надежного измерения на практике отношение сигнал/шум выбирается равным q = 7...10 [9], но не менее чем q = 3
    Exact
    [11]
    Suffix
    . Чаще всего принимается величина q = 10, которой соответствуют значения вероятностей ложной тревоги 10 –6 и пропуска сигнала 10–7 (определяются с использованием критерия Неймана-Пирсона), обеспечивающие приемлемую надежность измерений.
    (check this in PDF content)

  12. Start
    13110
    Prefix
    Поиск и определение ориентации пассивного космического аппарата с использованием оптико-механического сканирования Оптико-механическое сканирование по определенным траекториям зондирующим пучком, совмещенным с узким полем зрения приемного канала, используется в ЛЛС для поиска и обнаружения удаленного точечного объекта
    Exact
    [3,13]
    Suffix
    , а также определения ориентации пассивного КА на малых дальностях [1,2,4]. Важной характеристикой сканирующей ЛЛС является время, необходимое для просмотра всей области целеуказания (поля обзора).
    (check this in PDF content)

  13. Start
    13184
    Prefix
    ориентации пассивного космического аппарата с использованием оптико-механического сканирования Оптико-механическое сканирование по определенным траекториям зондирующим пучком, совмещенным с узким полем зрения приемного канала, используется в ЛЛС для поиска и обнаружения удаленного точечного объекта [3,13], а также определения ориентации пассивного КА на малых дальностях
    Exact
    [1,2,4]
    Suffix
    . Важной характеристикой сканирующей ЛЛС является время, необходимое для просмотра всей области целеуказания (поля обзора). В первом приближении, длительность просмотра будет определяться выражением [14] пер обз обз с D t    2 , (6) где Ωобз – телесный угол, соответствующий полю обзора ЛЛС; с = 3∙108 м/с – скорость света в вакууме; Ωпер = π∙θ2/4 – телесный угол расходим
    (check this in PDF content)

  14. Start
    13403
    Prefix
    Важной характеристикой сканирующей ЛЛС является время, необходимое для просмотра всей области целеуказания (поля обзора). В первом приближении, длительность просмотра будет определяться выражением
    Exact
    [14]
    Suffix
    пер обз обз с D t    2 , (6) где Ωобз – телесный угол, соответствующий полю обзора ЛЛС; с = 3∙108 м/с – скорость света в вакууме; Ωпер = π∙θ2/4 – телесный угол расходимости зондирующего пучка.
    (check this in PDF content)

  15. Start
    14276
    Prefix
    Максимальная частота повторения зондирующих импульсов определяется отношением D c f 2 . (10) Принципиально это ограничение можно обойти, если использовать линейку фотодетекторов или ввести в схему два спектральных канала и кодирование сигнала
    Exact
    [3]
    Suffix
    , т.е. реализовать более сложную конструкцию ЛЛС. Из (6) и (10) следует, что Ωобз = tобз·Ωпер·f. (11) Допустим, с дальности 500 м требуется определить ориентацию пассивного КА. Из выражения (10) следует, что на этой дальности частота повторения зондирующих импульсов может составлять до 300 кГц.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    14833
    Prefix
    Частота выдачи результатов измерений из ЛЛС должна быть не менее 5 Гц (tобз = 0,2 с). В ЛЛС в качестве источников излучения используются волоконные лазеры (ВЛ), твердотельные лазеры с диодной накачкой (ТТЛ), а также полупроводниковые лазерные диоды (ЛД)
    Exact
    [8]
    Suffix
    . Частоты повторения импульсов разных лазерных источников представлены в таблице 1. Таблица 1. Частоты повторения импульсов разных лазерных источников, используемых в ЛЛС Тип лазерного источника Частота повторения импульсов излучения ВЛ [15] 35...700 кГц ТТЛ [16] Er:стекло Nd:YAG 3...20 Гц 30 Гц Полупроводниковые ЛД [17] 5...10 кГц На дальностях менее 500 м можно использовать
    (check this in PDF content)

  17. Start
    15074
    Prefix
    Частоты повторения импульсов разных лазерных источников представлены в таблице 1. Таблица 1. Частоты повторения импульсов разных лазерных источников, используемых в ЛЛС Тип лазерного источника Частота повторения импульсов излучения ВЛ
    Exact
    [15]
    Suffix
    35...700 кГц ТТЛ [16] Er:стекло Nd:YAG 3...20 Гц 30 Гц Полупроводниковые ЛД [17] 5...10 кГц На дальностях менее 500 м можно использовать практически любой из данных типов лазеров. Наиболее перспективными выглядят ВЛ, которые обеспечивают высокие частоты повторения импульсов и имеют большой ресурс.
    (check this in PDF content)

  18. Start
    15094
    Prefix
    Частоты повторения импульсов разных лазерных источников представлены в таблице 1. Таблица 1. Частоты повторения импульсов разных лазерных источников, используемых в ЛЛС Тип лазерного источника Частота повторения импульсов излучения ВЛ [15] 35...700 кГц ТТЛ
    Exact
    [16]
    Suffix
    Er:стекло Nd:YAG 3...20 Гц 30 Гц Полупроводниковые ЛД [17] 5...10 кГц На дальностях менее 500 м можно использовать практически любой из данных типов лазеров. Наиболее перспективными выглядят ВЛ, которые обеспечивают высокие частоты повторения импульсов и имеют большой ресурс.
    (check this in PDF content)

  19. Start
    15148
    Prefix
    Частоты повторения импульсов разных лазерных источников, используемых в ЛЛС Тип лазерного источника Частота повторения импульсов излучения ВЛ [15] 35...700 кГц ТТЛ [16] Er:стекло Nd:YAG 3...20 Гц 30 Гц Полупроводниковые ЛД
    Exact
    [17]
    Suffix
    5...10 кГц На дальностях менее 500 м можно использовать практически любой из данных типов лазеров. Наиболее перспективными выглядят ВЛ, которые обеспечивают высокие частоты повторения импульсов и имеют большой ресурс.
    (check this in PDF content)

  20. Start
    15741
    Prefix
    При использовании в ЛЛС лазерного источника с частотой повторения импульсов f = 10 кГц и расходимости пучка θ = 1 мрад размер поля обзора составит Ωобз = 2,27×2,27. Из-за малого размера поля обзора для определения ориентации пассивного КА на нем необходимо установить специальную малогабаритную мишень, как это реализовано в ряде ЛЛС
    Exact
    [18]
    Suffix
    . Но тогда возникает проблема поиска этой мишени при выполнении облета пассивного КА, так как для этого необходимо заранее знать его ориентацию. Таким образом, реализация быстро сканирующей ЛЛС с полем обзора более 2×2 возможна только с использованием ВЛ.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    16533
    Prefix
    Угломерный метод определения ориентации основан на измерении наблюдаемого размера линейного отрезка известной длины и определенным образом ориентированного в системе координат пассивного КА. Для определения ориентации пассивного КА требуется не менее трех реперных точек (реперов), две из которых находятся в одной плоскости, а третья несколько сдвинута относительно нее
    Exact
    [13]
    Suffix
    . Для оценки углов отклонения пассивного КА по двумерному изображению, формируемому сканирующей ЛЛС, используем методику, аналогичную описанной в работе [19]. Пусть на корпусе пассивного КА имеется три репера, причем две крайних разнесены на расстояние L1 = 2 м, а расположенный в центре вынесен в направлении ЛЛС на L2 = 1 м.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    16704
    Prefix
    Для определения ориентации пассивного КА требуется не менее трех реперных точек (реперов), две из которых находятся в одной плоскости, а третья несколько сдвинута относительно нее [13]. Для оценки углов отклонения пассивного КА по двумерному изображению, формируемому сканирующей ЛЛС, используем методику, аналогичную описанной в работе
    Exact
    [19]
    Suffix
    . Пусть на корпусе пассивного КА имеется три репера, причем две крайних разнесены на расстояние L1 = 2 м, а расположенный в центре вынесен в направлении ЛЛС на L2 = 1 м. Примем допущение, что в начальный момент времени направление осей системы координат подсистемы реперов совпадает с направлением осей системы координат ЛЛС а реперы расположены симметрично относительно оси «Y
    (check this in PDF content)

  23. Start
    22154
    Prefix
    Динамический диапазон фотоприемного устройства и защита фотодетектора от перегрузки с помощью электромеханического оптического аттенюатора Дальность измерений бортовой ЛЛС (в зависимости от характеристик аппаратуры и пассивного КА) составляет более 10 км по диффузно отраженному сигналу и более 400 км по УО
    Exact
    [8]
    Suffix
    . При постоянной энергии зондирующего импульса отношение сигнал/шум на близких дальностях может превысить динамический диапазон ФПУ (особенно при наличии УО на корпусе пассивного КА). В результате возникает перегрузка ФПУ, которая приводит к увеличению погрешностей измерений и разрешающей способности ЛЛС [20].
    (check this in PDF content)

  24. Start
    22484
    Prefix
    При постоянной энергии зондирующего импульса отношение сигнал/шум на близких дальностях может превысить динамический диапазон ФПУ (особенно при наличии УО на корпусе пассивного КА). В результате возникает перегрузка ФПУ, которая приводит к увеличению погрешностей измерений и разрешающей способности ЛЛС
    Exact
    [20]
    Suffix
    . Большие перегрузки потенциально могут повредить фотодетектор. Поэтому в приемном тракте ЛЛС иногда предусматривается защита ФПУ от мощных отраженных сигналов. В бортовом высотомере ЛВ-В (разрабатывался для КА «Фобос-грунт»), который имел максимальную дальность измерений 60 км, при работе в диапазоне малых дальностей от 1 км до 10 км задействовался оптический аттенюатор [21].
    (check this in PDF content)

  25. Start
    22871
    Prefix
    В бортовом высотомере ЛВ-В (разрабатывался для КА «Фобос-грунт»), который имел максимальную дальность измерений 60 км, при работе в диапазоне малых дальностей от 1 км до 10 км задействовался оптический аттенюатор
    Exact
    [21]
    Suffix
    . Рассмотрим, как изменяется величина принимаемого ФПУ сигнала при работе по диффузно отраженному сигналу и по сигналу, отраженному от УО. Также оценим, как принятый сигнал соотносится с динамическим диапазоном используемого фотодетектора.
    (check this in PDF content)

  26. Start
    24490
    Prefix
    Диапазон принимаемого ФПУ сигнала составляет от Епор = 10 фДж до Еmax = 1,00∙10– 8 Дж. В этом случае κ1 < 1,0 даже при D < 100 м. А для измерений на таких малых дальностях в ЛЛС уже может использоваться другой, дополнительный ближний канал
    Exact
    [3,22]
    Suffix
    . Рис. 4. Зависимость необходимого для защиты ФПУ ослабления оптического аттенюатора от дальности до диффузно отражающего пассивного КА При установке УО на пассивный КА дальность измерений определяется по выражению 4 порперотр лУОпрУОперпр qЕ ЕSS D     , (29) где SУО – площадь УО; Sпр – площадь приемной апертуры; ρУО – коэффициент отражения УО; Ωотр = π∙УО2 – теле
    (check this in PDF content)

  27. Start
    25622
    Prefix
    Геометрический фактор проявляется в случае, когда в конструкции ЛЛС используется традиционная оптическая схема с раздельными излучающим и приемным каналами. Геометрический фактор позволяет дополнительно ослабить мощный сигнал, отраженный от УО на пассивном КА при сближении с ним, и определяется в соответствии с методикой, описанной в
    Exact
    [22]
    Suffix
    . На малых дальностях происходит «отсечка» отраженного от УО сигнала за счет параллакса оптических осей приемного и передающего каналов ЛЛС: отраженный от УО пучок излучения направляется обратно в излучающую апертуру и из-за малой расходимости не попадает в приемную апертуру.
    (check this in PDF content)

  28. Start
    28022
    Prefix
    Исключение оптического аттенюатора с электромеханическим приводом из конструкции ЛЛС желательно по причине того, что использование элементов, включающих пары трения отрицательно влияет на надежность бортовой аппаратуры
    Exact
    [23]
    Suffix
    . Далее проанализируем влияние электромеханического оптического аттенюатора на надежность одноканальной ЛЛС с простой конструкцией. Вероятность безотказной работы (ВБР) будем оценивать для лазера, электронных и электромеханических элементов и узлов.
    (check this in PDF content)

  29. Start
    29017
    Prefix
    Структурная схема надежности одноканальной ЛЛС с электромеханическим оптическим аттенюатором В первом приближении оценку ВБР прибора или его элемента (изделия) получают с использованием экспоненциального закона
    Exact
    [24]
    Suffix
    : P = e –·t , (32) где  – поток интенсивности отказов изделия; а t  [t0, Tf] – оцениваемый период времени активной работы; t0 – начало работы изделия; Tf – окончание работы изделия. Интенсивность отказов изделия равна Тн 1 , (33) где Тн – наработка до отказа для данного изделия.
    (check this in PDF content)

  30. Start
    29626
    Prefix
    Значение потока интенсивности отказов для ЛЛС в целом определяется выражением    n i Кэi 1 , (34) где n – число элементов; Кэ – обобщенный эксплуатационный коэффициент; i – интенсивность отказов i-го элемента. Для надежной работы ЛЛС должна иметь ВБР не ниже P(t) = 0,999. Для лазерного модуля ЛЛС (на основе ТТЛ) значение ВБР составляет Р(t) = 0,9993
    Exact
    [25]
    Suffix
    . Для расчета ВБР других элементов приняты следующие значения интенсивностей отказов: электродвигатель 1 = 5,0·10 –5 1/ч, электронный блок 2 = 3,5·10 –6 1/ч [23]. Продолжительность активной работы ЛЛС принимаем равной t = 3 ч.
    (check this in PDF content)

  31. Start
    29792
    Prefix
    Для лазерного модуля ЛЛС (на основе ТТЛ) значение ВБР составляет Р(t) = 0,9993 [25]. Для расчета ВБР других элементов приняты следующие значения интенсивностей отказов: электродвигатель 1 = 5,0·10 –5 1/ч, электронный блок 2 = 3,5·10 –6 1/ч
    Exact
    [23]
    Suffix
    . Продолжительность активной работы ЛЛС принимаем равной t = 3 ч. Значение эксплуатационного коэффициента равно Кэ = 1,5, что соответствует эксплуатации изделия в условиях орбитального космического полета [24].
    (check this in PDF content)

  32. Start
    30004
    Prefix
    Продолжительность активной работы ЛЛС принимаем равной t = 3 ч. Значение эксплуатационного коэффициента равно Кэ = 1,5, что соответствует эксплуатации изделия в условиях орбитального космического полета
    Exact
    [24]
    Suffix
    . Тогда для ЛЛС с электромеханическим аттенюатором ВБР будет равна Р(t) = 0,9991. При исключении электромеханического аттенюатора значение ВБР составит Р(t) = 0,9993, т.е. надежность ЛЛС возрастет на 0,02 % и практически будет равна надежности лазерного модуля.
    (check this in PDF content)

  33. Start
    33406
    Prefix
    Снижение σD в ЛЛС достигается в первую очередь улучшением точности временной привязки зондирующих импульсов. При использовании однопорогового устройства временной привязки погрешность измерения может достигать половины длительности зондирующего импульса
    Exact
    [9]
    Suffix
    . Следует отметить, что измерения по диффузно отраженному сигналу на большой дальности не обеспечивают малых значений σD из-за размывания отраженного импульса вдоль элементов конструкции пассивного КА.
    (check this in PDF content)