DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-46-58
УДК 681.786.2
Евгений Петрович Меснянкин1, Николай Ильич Павлов2, Сергей Леонтьевич Потапов3, Нина Ивановна Потапова4*
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения (НИИ ОЭП), г. Сосновый Бор, Ленинградская область, Россия
1mesnjankinEP@niioep.ru https://orcid.org/ 0000-0001-8777-5308
2pavlovNI@niioep.ru https://orcid.org/0000-0002-1641-8319
3potapovSL@niioep.ru https://orcid.org/0000-0002-6735-0959
4potapovaNI@niioep.ru https://orcid.org/0000-0003-0520-2077
Аннотация
Предмет исследования. Импульсный лазерный дальномер для измерения расстояний до удалённых малоразмерных объектов, движению которых свойственны плохо прогнозируемые пространственно-временные эволюции. Цель работы. Разработка расчётно-аналитической модели импульсного лазерного дальномера, которая позволяет учитывать вероятностный характер попадания лазерных импульсов на объект локации. Основной результат. Аналитическая модель дальномера, удовлетворяющего критерию требуемой вероятности попадания на объект локации хотя бы одного лазерного импульса за время, отведённое на единичное измерение дальности. На основе полученных выражений выполнены расчёты полуширины диаграммы направленности и энергии зондирующего лазерного излучения в зависимости от величины среднего квадратического отклонения оси диаграммы направленности от направления на объект и числа лазерных импульсов, которое необходимо для попадания излучения на объект локации с заданной вероятностью хотя бы одним импульсом. Показано, что при распределении плотности энергии в пучке, описываемом в дальней зоне распределением Эйри, существует оптимальная величина диаметра апертуры излучателя, при которой энергия зондирующих импульсов, необходимая для регистрации отражённого излучения фотоприёмным устройством, минимальна, по сравнению с энергией, требуемой для этого при других диаметрах апертуры излучателя. Практическая значимость. Результаты проведённого исследования развивают и дополняют существующие модели и методы расчёта характеристик импульсного лазерного дальномера.
Ключевые слова: импульсный лазерный дальномер, динамичный малоразмерный объект локации, дальность действия (измерения), погрешность наведения, вероятность попадания зондирующего излучения на объект, энергия импульса, частота следования импульсов, ширина диаграммы направленности зондирующего излучения
Ссылка для цитирования: Меснянкин Е.П., Павлов Н.И., Потапов С.Л., Потапова Н.И. Аналитическая модель лазерного дальномера для измерения расстояний до объектов с плохо прогнозируемой динамикой движения // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 46–58. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2023-90-02-46-58
Коды OCIS: 040.0040, 120.0120, 140.0140, 280.0280, 280.3400.
Analytical model of a laser rangefinder for measuring distances to objects with poorly predicted motion dynamics
Evgeniy P. Mesnjankin1, Nikolay I. Pavlov2, Sergey L. Potapov3, Nina I. Potapova4*
Scientific Research Institute for Optoelectronic Instrument Engineering, Sosnovy Bor, Russia
1mesnjankinEP@niioep.ru https://orcid.org/ 0000-0001-8777-5308
2pavlovNI@niioep.ru https://orcid.org/0000-0002-1641-8319
3potapovSL@niioep.ru https://orcid.org/0000-0002-6735-0959
4potapovaNI@niioep.ru https://orcid.org/0000-0003-0520-2077
Abstract
Subject of study. A pulsed laser rangefinder for measuring distances to distant small-sized objects, the movement of which is characterized by poorly predicted space-time evolutions. Purpose of work. Development of a computational and analytical model of a pulsed laser rangefinder which enables the probabilistic nature of laser pulses hitting the location object to be taken into account. Main result. An analytical model of a rangefinder that satisfies the criterion of the required probability of at least one laser pulse hitting the location object during the time allotted for a single range measurement. Based on the expressions obtained, calculations of the half-width of the directivity pattern and the energy of the probing laser radiation are performed depending on the root-mean-square error of pointing the directivity pattern axis and the number of laser pulses necessary for radiation to hit the location object with at least one pulse with a given probability. It is shown that with the distribution of the energy density in the beam described by the Airy distribution in the far zone, there is an optimal value of the emitter aperture diameter at which the emitter energy is minimal. Practical relevance. The results of the study develop and complement the existing models and methods for calculating the characteristics of a pulsed laser rangefinder.
Keywords: pulsed laser rangefinder, moving small-sized location object, range of action (measuring), guidance error, probability of probing radiation hitting the object, pulse energy, pulse repetition frequency, width of a probing radiation directivity pattern
For citation: Mesnjankin N.I., Pavlov E.P., Potapov S.L., Potapova N.I. Analytical model of a laser rangefinder for measuring distances to objects with poorly predicted motion dynamics [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 2. P. 46–58. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2023-90-02-46-58
OCIS сodes: 040.0040, 120.0120, 140.0140, 280.0280, 280.3400.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Лебедько Е.Г. Системы импульсной оптической локации: Учебное пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2014. 368 с.
2. Басов Н.Г., Кокурин Ю.Л. Лазерная локация Луны. М: Наука и человечество, 1986. С. 262–267.
3. Ведешин Л.А., Ипатов А.В. Первые космические эксперименты по лазерной локации Луны (К 50-летию посадки на Луну «Лунохода-1») // Труды Института прикладной астрономии РАН. 2020. Вып. 53. С. 30–37. http://doi.org/ 10.32876/ApplAstron.53.30-37
4. Денищик Ю.С., Дрюченко А.М., Нагай И.В. Лазерная локация спутников // Государственный межвузовский центр «Орион». Алчевск. Украина. 2002. Т. 3. № 2. С. 58–69.
5. Барышников Н.В., Карасик В.Е., Степанов Р.О. Исследование отражательных характеристик тетраэдрических световозвращателей в ИК диапазоне // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2010. С. 3–16.
6. Старовойтов Е.И., Савчук Д.В. Исследование и оптимизация применения уголковых отражателей для локации космических объектов // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 39–43.
7. Королев Б.В., Кочергин П.П. Использование комплекса аппаратуры космической оптической линии связи для решения задач высокоточной автономной навигации и ориентации космического аппарата // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов» / Под ред. Аванесова Г.А. Россия, Таруса. 13–16 сентября 2010 г. Сборник трудов. М.: ИКИ РАН, 2011. С. 129–140.
8. Гарнов С.В., Моисеева А.В., Носатенко П.Я., Фомин В.Н., Церевитинов А.Б. Оценка характеристик перспективного орбитального лазерного локатора для мониторинга космического мусора // Труды института общей физики им. А.М. Прохорова. 2014. Т. 70. С. 26–39.
9. Живицкий И.В. Адаптивное слежение за воздушно-космическими объектами в наземных лазерных локаторах с управлением излучаемым полем // Автореф. канд. дис. СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2007. 21 с.
10. Барышников Н.В., Карачунский В.В., Свигач О.А. Современные методы проектирования систем автоюстировки высокоточных оптико-электронных приборов // Вестник МГТУ. Приборостроение. Спец. выпуск «Современные проблемы оптотехники». 2011. С. 128–142.
11. Балашов И.Ф. Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров. Пособие по методике инженерных расчётов. СПб: ГИТМО(ТУ), 1999. 35 с.
12. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М. и др. Основы импульсной лазерной локации / Под ред. В.Н. Рождествена. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.
13. Савчук Д.В., Старовойтов Е.И. Характеристики бортовых лазерных локационных систем и уголковых отражателей для увеличения дальности измерений до 2000 км при сближении космических аппаратов // Космическая техника и технологии. 2014. № 4 (7). С. 47–53.
14. Балашов И.Ф., Назаров В.Н. Выбор параметров лазерных дальномеров с учетом погрешности наведения на цель // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2002. Т. 21. № 5. С. 19–21.
15. Барышников Н.В. Разработка и исследование устройств параллельного переноса пучка излучения для систем автоюстировки каналов лазерных локационных станций // Измерительная техника. 2011. № 4. С. 65–70.
16. Коленчиков К.К., Малинов В.А., Павлов Н.И., Попиков В.С., Потапова Н.И., Чарухчев А.В. Полунатурное моделирование углового согласования осей диаграммы направленности зондирующего и маркерного лазерных излучений высокоточной лазерной локационной системы // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 7. С. 45–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-07-45-58
17. Головков В.А., Потапова Н.И., Руденко П.Н., Страдов Б.Г. Приемная система лазерного дальномера // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 11. С. 74–80. http://doi.org/ 10.32603/1993-8985-2020-23-2-73-81
18. Головков В.А., Потапова Н.И., Руденко П.Н., Страдов Б.Г., Телятников С.В. Приемное устройство прецизионного импульсного лазерного дальномера // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 21. С. 73–81. http://doi.org/ 10.32603/1993-8985-2020-23-2-73-81
19. Бельченко А.Г., Головков В.А., Иванов К.А., Либер В.И., Меснянкин Е.П., Осипов В.М., Потапов С.Л., Потапова Н.И. Анализ возможности создания лазерного дальномера авиационного базирования с применением численного моделирования // Сборник тезисов VI научно-технической конференции «Математическое моделирование, инженерные расчеты и программное обеспечение для решения задач ВКО». Москва. 2021. Научно-образовательный центр воздушно-космической обороны «Алмаз — Антей» им. академика В.П. Ефремова. С. 54.
20. Osipov V.M. Simulation of atmospheric infrared background radiation in Earth limb observations // International Symposium «Atmospheric Radiation and Dynamic» (ISARD–2015), 2015. Saint-Petersburg State University. Р. 137–138.
21. Осипов В.М., Борисова Н.Ф., Ловчий И.Л. Аэрозольное ослабление и обратное рассеяние излучения в спектральной области 1,064 мкм на высотных трассах // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 7. С. 3–10. http:doi.org/ 10.17586/1023-5086-2019-86-07-03-10
22. Коростелев А.А., Клюев Н.Ф., Мельников Ю.А. и др. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Дулевича В.Е. М.: Советское радио, 1978. 608 с.
23. Исследование фотоумножителя. Методическое пособие к задаче специального астрономического практикума. Составитель: С.А. Потанин. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2019. 9 с.
24. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М: Наука, 1973. 719 с.
25. Ермаков Б.А. Оптико-электронные приборы с лазерами. Л.: ГОИ им. С.И. Вавилова, 1982. 200 с.
REFERENCES
1. Lebed'ko E.G. Systems of pulsed optical location. St. Petersburg: Publishing house "Lan”, 2014. 368 p.
2. Basov N.G., Kokurin Yu.L. Laser location of the Moon. Moscow: Science and humanity, 1986. P. 262–267.
3. Vedeshin L.A., Ipatov A.V. The first space experiments on laser location of the Moon (To the 50th anniversary of "Lunokhod-1" landing on the Moon) // Proc. of the Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences. 2020. Is. 53. P. 30–37. http://doi.org/ 10.32876/ApplAstron.53.30-37
4. Denishchik Yu.S., Dryuchenko A.M., Nagai I.V. Laser location of satellites // “Orion" State Interuniversity Center. Alchevsk. Ukraine. 2002. V. 3. № 2. P. 58–69.
5. Baryshnikov N.V., Karasik V.E., Stepanov R.O. Study of the reflective characteristics of tetrahedral retroreflectors in the IR range // Bulletin of the Bauman Moscow State Technical University. "Instrumentation" series. 2010. P. 3–16.
6. Starovoitov Ye.I., Savchuk D.V. Study and optimization of the use of corner reflectors for the location of space objects // Space Equipment and Technologies. 2013. № 1. P. 39–43.
7. Korolev B.V., Kochergin P.P. The use of an instrumentation complex of a space optical communication line for solving problems of high-precision autonomous navigation and orientation of the spacecraft // The Second All-Russian Scientific and Technical Conference "Modern problems of orientation and navigation of spacecraft" / Ed. by Avanesov G.A. Russia, Tarusa. September 13–16, 2010. Collected papers. Moscow: ICI RAS, 2011. P. 129–140.
8. Garnov S.V., Moiseeva A.V., Nosatenko P.Ya., Fomin V.N., Tserevitinov A.B. Evaluation of the characteristics of a promising orbital laser locator for monitoring space debris // Proc. of the A.M. Prokhorov Institute of General Physics. 2014. V. 70. P. 26–39.
9. Zhivitsky I.V. Adaptive tracking of aerospace objects in ground-based laser locators with radiated field control // Abstract of thesis. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 2007. 21 p.
10. Baryshnikov N.V., Karachunsky V.V., Svigach O.A. Modern methods of designing auto-adjusting systems for high-precision optoelectronic devices // Vestnik MSTU. Instrument Engineering. Special issue "Modern problems of optical equipment". 2011. P. 128–142.
11. Balashov I.F. Energy estimation of pulsed laser rangefinders. Manual on the methodology of engineering calculations. St. Petersburg: GITMO(TU), 1999. 35 p.
12. Kozintsev V.I., Belov M.L., Orlov V.M. et al. Fundamentals of pulsed laser location / Ed. by V.N. Rozhdestven. Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2006. 512 p.
13. Savchuk D.V., Starovoitov E.I. Characteristics of onboard laser location systems and angle reflectors for increasing the measurement range up to 2000 km at spacecraft rendezvous // Space Equipment and Technologies. 2014. V. 4(7). P. 47–53.
14. Balashov I.F., Nazarov V.N. The choice of parameters of laser rangefinders with regard to the error of aiming at the target // Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2002. V. 21. № 5. P. 19–21.
15. Baryshnikov N.V. Development and research of devices for parallel transfer of radiation beam for systems of auto-adjusting of channels of laser location stations // Measuring Equipment. 2011. № 4. P. 65–70.
16. Kolenchikov K.K., Malinov V.A., Pavlov N.I., Popikov V.S., Potapova N.I., Charukhchev A.V. Semi-natural simulation of the angular matching of the axes of the working and marker laser beams in a high-precision laser ranging system // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 7. P. 400–408.
17. Golovkov V.A., Potapova N.I., Rudenko P.N., Stradov B.G. Receiving system of a pulsed laser rangefinder // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. № 11. P. 688–692. http://doi.org/ 10.1364/JOT.87.000688
18. Golovkov V.A., Potapova N.I., Rudenko P.N., Stradov B.G., Telyatnikov S.V. Receiving unit of a precision pulsed laser rangefinder // Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020. V. 23. № 21. P. 73–81. http://doi.org/ 10.32603/1993-8985-2020-23-2-73-81
19. Bel'chenko A.G., Golovkov V.A., Ivanov K.A., Liber V.I., Mesnyankin E.P., Osipov V.M., Potapov S.L., Potapova N.I. Analysis of the possibility of creating an aviation-based laser rangefinder using numerical modeling // Collection of abstracts of the VI Scientific and Technical Conference "Mathematical modeling, engineering calculations and software for solving problems of aerospace defense". Moscow. 2021. Scientific and Educational Center of Aerospace Defense "Almaz — Antey" named after Academician V.P. Efremov. 54 p.
20. Osipov V.M. Simulation of atmospheric infrared background radiation in Earth limb observations // International Symposium «Atmospheric Radiation and Dynamic» (ISARD–2015), 2015. Saint-Petersburg State University. P. 137–138.
21. Osipov V.M., Borisova N.F., Lovchiy I.L. Aerosol attenuation and backscattering of radiation in the spectral region of 1,064 µm on high-altitude paths // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86. № 7. P. 394–400. http://doi.org/ 10.1364/JOT.86.000394
22. Korostelev A.A., Klyuev N.F, Melnikov Y.A. et al. Theoretical foundations of radiolocation / Ed. by Dulevich V.E. Мoscow.: Soviet Radio, 1978. 608 p.
23. Study of the photomultiplier. Methodological guide to the task of a special astronomical workshop. Compiled by Potanin S.A. Мoscow: Lomonosov Moscow State University, 2019. 9 p.
24. Born M., Wolf E. Basics of optics. Мoscow: Nauka, 1973. 719 p.
25. Ermakov B.A. Optoelectronic devices with lasers. Leningrad: S.I. Vavilov GOI, 1982. 200 p.
