Аналитическая модель лазерного дальномера для измерения расстояний до объектов с плохо прогнозируемой динамикой движения

Меснянкин Е.П., Павлов Н.И., Потапов С.Л., Потапова Н.И.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

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 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

Ссылка на англоязычную версию:

E. P. Mesnjankin, N. I. Pavlov, S. L. Potapov, and N. I. Potapova, "Analytical model of a laser rangefinder for measuring distances to objects with poorly predictable motion dynamics," Journal of Optical Technology. 90(2), 81-87 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000081

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

Коды OCIS: 040.0040, 120.0120, 140.0140, 280.0280, 280.3400

Список источников:

Лебедько Е.Г. Системы импульсной оптической локации: Учебное пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2014. 368 с.
Басов Н.Г., Кокурин Ю.Л. Лазерная локация Луны. М: Наука и человечество, 1986. С. 262–267.
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. 5 С. 30–37. http://doi.org/ 10.32876/ApplAstron.53.30-37
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.
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.
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.
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.
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.
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.