Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0055

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0055
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики"
Название доклада
Разработка технологии и создание макета высокопроизводительной лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры.
Докладчик
Артамонов Сергей Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью ПНИ является разработка технологии высокопроизводительной лазерной локации, сочетающей в себе достоинства методов обычной сканирующей лазерной локации и дальнометрии на базе флеш-лидаров для поиска, обнаружения и определения относительного расположения и взаимной ориентации объектов в пространстве.
Задачи ПНИ:
1. аналитический обзор научных и информационных источников, анализ существующих технологий построения трехмерных лазерных сканирующих систем, областей их применения и решаемых задач;
2. разработка структурной схемы лазерной сканирующей системы;
3. разработка методов формирования пространственного распределения зондирующего излучения, организации сканирования пространства, сбора и обработки данных измерений;
4. разработка математической модели прохождения зондирующих импульсов через среды распространения, их взаимодействия с обнаруженными объектами, а также процесса регистрации сигналов рассеяния;
5. экспериментальные исследования макета устройства лазерной сканирующей системы;
6. обобщение и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;
7. анализ особенностей применения лазерной сканирующей системы в условиях космического пространства, включая применение для решения задач сближения и стыковки КА, анализ возможности функционирования при размещении на внешней поверхности космического аппарата;
8. анализ дополнительных областей применения лазерного локатора с линейной времяпролетной камерой.
Актуальность и новизна исследования
При решении задач сближения и стыковки космических аппаратов до сих пор используется радиотехническая система взаимных траекторных измерений «Курс». С точки зрения проведения измерений относительного положения система «Курс» принципиально является активно-активной, измерения проводятся как на борту активного космического аппарата, так и на борту пассивного космического аппарата. Для решения задач сближения с некооперируемыми космическими объектами система «Курс» не может быть использована.
Современные лазерные локационные системы, по сравнению с радиотехническими средствами, обладают рядом преимуществ. Существенно меньшая длина волны позволяет осуществлять измерения параметров относительного движения с большей точностью при значительно меньших габаритах и массе оптических антенн. К настоящему времени летные испытания прошли лазерные локационные системы на основе сканирующих систем и флэш-лидаров. Однако в качестве вспомогательной штатной системы до сих пор используется ручной лазерный прибор разведки. Сканирующие системы продемонстрировали хорошую дальность работы, но большое время получения информации. Флэш-лидары имеют высокую информационную производительность, но существенно ограничены по разрешению и дальности работы.
Исследуемая технология высокопроизводительной лазерной локации сочетает в себе преимущества обеих систем.
Актуальность работы определяется необходимостью создания нового надежного прибора для обеспечения сближения и стыковки с различными космическими объектами для оснащения перспективных космических аппаратов, планируемых для создания Лунной орбитальной структуры.
Прямых аналогов такой системы не существует.
Описание исследования

Предусмотрено 5 этапов выполнения ПНИ:

Этап 1. Анализ способов повышения производительности трехмерных лазерных локаторов;

Этап 2. Разработка эскизной конструкторской документации на макет лазерного локатора;

Этап 3. Изготовление и настройка макета лазерного локатора;

Этап 4. Экспериментальные исследования макета лазерного локатора;

Этап 5. Проведение совместных с Индустриальным партнером экспериментальных исследований и испытаний.

В докладе рассмотрены результаты четырех законченных этапов.

На первом этапе выполнен аналитический обзор научно-технической, нормативной, методической и патентной литературы в области способов повышения производительности трехмерных лазерных сканирующих систем. Проведен анализ существующих технологий и устройств, областей их применения и решаемых задач, а также методов и средств повышения производительности трехмерных лазерных сканирующих устройств с различными системами сканирования.

Разработана структурная схема системы лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры в составе лазерного излучателя, системы формирования пространственного распределения зондирующего излучения, одномерной сканирующей системы, многоканальной системы регистрации сигнала, системы управления и обработки информации.

На втором этапе ПНИ проведен анализ вариантов состава макета устройства лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры и выбор рационального состава макета. Разработаны алгоритм и программы управления макетом устройства и его отдельных подсистем, разработаны протоколы обмена данными между узлами  макета, программы обработки данных измерений. На основе разработанной структурной схемы, алгоритмов и программ управления разработана ЭКД и ПД на макет.

Разработана математическая модель, описывающая прохождение лазерных импульсов через среды распространения, в том числе через атмосферу, их взаимодействие с обнаруженными объектами, а также процесс регистрации сигналов рассеяния. Модель позволяет производить оценку достижимых параметров при варьировании характеристик  макета, зондируемых объектов и среды распространения.

На третьем этапе работы изготовлен макет устройства лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры.  Проведена отладка оптико-механических и электронных узлов макета, синхронизация блоков управления лазером, сканером и 64-канальным ФПУ. Разработана программа и методика экспериментальных исследований макета на экспериментальном стенде Получателя субсидии.

Проведены дополнительные патентные исследования с целью выявления признаков существенной новизны в разработанном изделии. Выявлены близкие по ряду признаков прототипы и существенные отличия разработанного изделия от прототипов. На основании результатов дополнительных патентных исследований оформлена заявка на изобретение «Система импульсной лазерной локации».

Проведен анализ возможности обеспечения функционирования, а также методов и средств обеспечения теплового режима лазерного локатора при его размещении на внешней поверхности космического аппарата. Определены требования к параметрам надежности лазерного локатора, входящего в систему управления движением и навигацией, включая требования в части устойчивости лазерного локатора к внешним воздействиям и обеспечения безопасности эксплуатации лазерного локатора на борту космического аппарата.

Проведен анализ дополнительных областей применения лазерного локатора с линейной времяпролетной камерой.

На четвертом этапе работы проведены экспериментальные исследования макета, изготовленного на предыдущем этапе.

В ходе исследований:

- исследована зависимость энергии в импульсе от частоты следования импульсов и от доли энергии накачки;

  - измерена длительность импульса излучения и длительность переднего фронта импульса;

 - исследованы возможности системы сканирования с точки зрения достижения максимальных скоростей кадровой развертки;

 - в модельных экспериментах подтверждена максимальная рабочая дальность;

- проведено уточнение  программ  численного моделирования с учетом результатов экспериментальных исследований;

- определена точность измерения  дистанции, достигнутая с помощью разработанных многоканальных схем измерения временных интервалов;

- определено разрешение по угловым координатам;

- продемонстрирована частота обновления данных, в 3-5 раз превышающая требования ТЗ;

Проведенный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований подтверждает перспективность исследованной технологии построения лазерных локационных систем.

Результаты исследования

На момент подготовки доклада по ПНИ темы «Разработка технологии и создание макета высокопроизводительной лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры» достигнуты следующие результаты:

  1. Обоснован выбор схемы построения системы лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры.  Показано, что данная схема сочетает достоинства флэш-лидара, обеспечивающего предельную частоту обновления данных, равную частоте следования лазерных импульсов,  с достоинствами сканирующих лидаров, обусловленными сравнительно низкими требованиями к энергетике лазера и использованием  простого и дешевого ФПУ на базе одноплощадочных фотоприемников. В результате удается существенно повысить частоту обновления данных по сравнению с одноточечной схемой сканирования без использования дорогостоящего матричного ФПУ, необходимого в схеме флеш-лидара.
  2. Разработана структурная схема построения лидара на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры. Основное отличие схемы одномерного сканирования от традиционной схемы поточечного сканирования состоит в использовании оптической системы формирования поперечного сечения зондирующего лазерного пучка в виде линии, длина которой в К раз превышает ширину, определяемую расходимостью исходного лазерного пучка, а также в использовании оптоволоконной линейной апертуры из К волокон, расположенной в фокальной плоскости приемного объектива многоэлементного ФПУ.
  3. Разработана ЭКД и создан макет системы высокопроизводительной лазерной локации на базе одномерного сканирования и линейной TOF-камеры с оптоволоконной линейной апертурой.
  4. Проведены экспериментальные исследования макета, подтвердившие реализуемость принятых технических решений и достижение расчетных параметров  по дальности, скорости обновления информации и угловому разрешению лазерного лидара.

Разработанная система лазерной локации не имеет прямых аналогов в мире и по совокупности параметров превосходит большинство известных систем, апробированных в космических условиях для обеспечения сближения и стыковки КА с МКС. В частности, по сравнению с лазерным лидаром ILT RVS [1], разработанным Jena Optronik,  при том же поле зрения, дальности действия и угловом разрешении, испытанный нами макет обеспечивает в пять раз большую скорость измерений (5 Гц против 1 Гц) при вдвое меньшей массе конструкции (5 кг против 10 кг).

Результаты ПНИ опубликованы в работах [2, 3], подана заявка на патент [4].

  1. B. Moebius, M. Pfennigbauer, J. Pereira do Carmo. IMAGING LIDAR TECHNOLOGY - DEVELOPMENT OF A 3D-LIDAR ELEGANT BREADBOARD FOR RENDEZVOUS AND DOCKING, TEST RESULTS, AND PROSPECT TO FUTURE SENSOR APPLICATION. ICSO International Conference on Space Optics 4 - 8 October 2010
  2. Н. А. Грязнов,В. И. Купренюк,Е. Н. Соснов. ЛАЗЕРНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СБЛИЖЕНИЯ И СТЫКОВКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ. Оптический журнал, 82, 5, 2015, с. 27-33.
  3. С.И. Артамонов, Н. А. Грязнов,В. И. Купренюк, Н.А.Романов, Е. Н. Соснов. К выбору сканера для ЛАЗЕРНой  локационной СИСТЕМы. Оптический журнал, 83, 9, 2016, с. 51-59.
  4. Н. А. Грязнов,В. И. Купренюк, Н.А.Романов, Е. Н. Соснов. СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ. Заявка на патент рег. № 2015148717 от 12.11.2015. Патентообладатель: Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК)
Практическая значимость исследования
В ТЗ на ПНИ указано, что разрабатываемая система лазерной локации предназначена для использования в космических применениях для решения задач наблюдения за окружающим пространством, управления сближением КА, и их стыковкой. На последнем этапе работы должны быть разработаны предложения по созданию демонстрационного макета системы и проведению космического эксперимента с целью летных испытаний лазерного локатора. В результате последующей ОКР должна быть создана лазерная локационная система обеспечения сближения и стыковки перспективных космических аппаратов.
Кроме указанных в ТЗ космических применений, может быть рассмотрено применение локационной системы при выборе места посадки и управления посадкой КА на поверхность планет и астероидов. В этих применениях повышенная скорость обновления информации является особенно важным достоинством.
В последние годы все большее внимание уделяется системам технического зрения для беспилотных транспортных систем и автономных робототехнических комплексов. Трехмерность информации об окружающей обстановке и высокая скорость обновления информации являются основными требованиями к таким системам. Лазерная локация с этой точки зрения имеет ряд существенных преимуществ перед стереоскопическими телевизионными системами, в которых для получения данных о дальности требуется трудоемкая обработка минимум двух телевизионных изображений.
Кроме прямых эффектов от внедрения разрабатываемой системы лазерной локации, практически значимыми могут быть и результаты разработки отдельных узлов системы. Так в ходе разработки многоканального ФПУ с приемной апертурой в виде линейки торцов оптоволокон была предложена (подана заявка на патент) оригинальная схема многоканального устройства для измерения временных интервалов, которая может оказаться полезной при разработке других систем, в которых требуется параллельное синхронное измерение наносекундных временных интервалов.