eng
Выпуск #3/2017
Д.В.Васильев, А.И.Ларюшин
Исследование влияния внешних факторов на работу навигационного комплекса на суперъярких светодиодах
Исследование влияния внешних факторов на работу навигационного комплекса на суперъярких светодиодах
Просмотры: 3351
В статье рассматриваются вопросы по обеспечению требований к техническим параметрам навигационного комплекса на базе полупроводниковых источников света.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.98.104
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.98.104
В практике зрительной навигации ориентировка наблюдателя по цветным огням (постоянным или мигающим с различной проблесковой характеристикой), наблюдаемым на цветном неравномерном фоне, позволяет установить уверенный визуальный контакт с Землей. Эти огни задают пилоту курс посадки, глиссаду снижения, положение горизонта. Яркость фона определяется как внешними природными и искусственными источниками освещения, так и яркостью рассеянного в атмосфере излучения навигационного комплекса. Соотношение этих яркостей определяется условиями наблюдения (временем суток, метеовидимостью, наличием посторонних источников и т. д.). В общем случае это можно охарактеризовать как наблюдение цветного объекта на цветном фоне с неравномерным распределением яркости по их поверхностям.
Для оценки видимости огня навигационных комплексов в настоящее время используется пороговая модель зрительного анализатора (глаза) которая основана на сравнении освещенности органа зрения с пороговыми величинами, на основе чего принимается решение о видимости наблюдаемого огня. Поскольку пороговая модель не может в полной мере учесть физиологию зрительного процесса и, следовательно, дать точный результат для анализа наблюдения огня, то может быть использована статистическая модель зрительного анализатора. Ее применение актуально в случае ориентировки наблюдателя по световому полю секторного навигационного комплекса, состоящего из разноцветных секторов, прилегающих друг к другу и отличающихся между собой проблесковыми характеристиками. Модель позволяет оценить вероятность обнаружения цветного огня секторного навигационного комплекса на цветном фоне с произвольным распределением яркости по их поверхности [1].
Чтобы определить структуру светового поля, т.е. форму контура монохроматического сектора, в пределах которого огонь комплекса воспринимается с вероятностью не менее заданной, используется метод последовательных изображений. Метод основан на представлении поля излучения в виде ряда изображений источника, расположенных на разном расстоянии от оптической системы. Распространение излучения от источника до изображения определяется передаточными функциями элементов тракта распространения излучения, имеющих разную физическую природу [2], – оптической системы, рассеивающей и турбулентной атмосферы. На высотах до 2–3 км в атмосфере всегда присутствует приземный слой естественного аэрозоля с размером частиц 0,1–10 мкм [3]. Прохождение излучения через атмосферный слой описывается в рамках малоуглового приближения (МУП). Такой подход можно использовать при прямом наблюдении огня комплекса. Во-первых, в силу функциональных особенностей излучательного устройства требуется учитывать только ту долю излучения, которая рассеивается вперед в диапазоне углов от 0 до 10–15°. Во-вторых, МУП дает точные результаты оптических расстояний, в пределах которых лежит рабочая область комплекса, для величин оптического расстояния до τ ≤ 10 (где: τ = ε · R – оптическое расстояние; R – удаление; ε – показатель ослабления среды [4]). На рис.1. представлены рабочие области секторного навигационного комплекса на суперъярких светодиодах и представления переноса излучения в атмосфере, определенные в рамках МУП.
На основе предложенного метода был проведен расчет диаграммы сектора при учете влияния различных внешних воздействующих факторов. Предложенный метод позволяет уточнить параметры диаграммы направленности монохроматического сектора на удаленном участке светового поля, составляющем (для метеовидимости 50 км) до 30% от дальности видимости огня при вероятности обнаружения ρ = 1. Известны данные, полученные стандартным способом, принятым для оценки дальности видимости навигационных огней [5]. На рис.2 дано сравнение диаграмм монохроматического сектора для разной вероятности и качества оптической системы, полученных предложенным методом и используемым традиционным методом.
Характерные формы полученных диаграмм монохроматического сектора для значений метеовидимости 50, 4 и 0,2 км (при значении коэффициента связи величины аберрации с параметрами оптической системы Кос = 4 183,3 и значениях вероятности обнаружения ρ = 0,5 и ρ = 1) приведены на рис.3.
Влияние турбулентности атмосферы на световое поле секторного навигационного комплекса выражается в смещении положения границ между секторами и уширении секторов. Перемещение границы сектора из-за турбулентности атмосферы на дистанции распространения di определяется дисперсией σr2 или среднеквадратическим отклонением (СКО) σr (неопределенность зрительного позиционирования огня комплекса ≈ 2 σr) [3].
Результаты расчетов для длин волн l = 505 нм и l = 630 нм приведены на рис.4. Они показывают, что в рабочем диапазоне длин волн влияние турбулентности проявляется практически равномерно для всех длин волн, а величина среднеквадратического отклонения определяется только степенью турбулентности атмосферы и не зависит от длины волны. На рис.5 представлена зависимость уширения диаграммы сектора от степени турбулентности. Расчеты показали, что в целом турбулентность не оказывает влияния на точность ориентировки по световому полю секторного навигационного комплекса (СНК) на основе суперъярких светодиодов.
Изменение формы диаграммы монохроматического сектора для различных значений метеовидимости и уровня фоновой освещенности (времени суток) представлено на рис.6 и 7, соответственно.
Анализ полученных результатов численных расчетов позволяет сделать важный вывод о том, что параметры атмосферы и яркость фона практически не влияют на угловые размеры секторов. Заданный уровень вероятности обнаружения огня также не оказывает влияния на выбор размеров сектора. Такая независимость рабочих параметров комплекса обеспечивает точное формирование границ светового поля в любых условиях на протяжении всей дальности действия (Zдд на рис.8) огня комплекса. Вывод был подтвержден экспериментальными данными, полученными при наблюдениях, которые проводились при числе независимых наблюдателей от 3 до 5 человек и количестве независимых наблюдений на выбранной дальности для каждого наблюдателя, равном пяти.
Для определения ширины переходных зон на различном удалении от комплекса была получена зависимость ширины переходных зон от дальности действия. Исходными данными для него служили размеры диаграммы монохроматического сектора, излучающей поверхности огня и дальность действия комплекса. Применение этой зависимости позволяет оптимизировать световое поле по критерию "дальность действия – минимальная ширина переходных зон" и дает ориентир для настройки взаимного положения секторов навигационного комплекса. Ширина переходных зон между секторами задается сменой цвета или проблесковой характеристики (рис.8).
ВЫВОДЫ
Определение пространственного распределения освещенности с учетом визуально воспринимаемой средней яркости огня секторного навигационного комплекса в поперечном сечении секторов, составляющих его световое поле, позволили обнаружить, что для рассмотренных условий наблюдения ширина переходных зон между секторами светового поля СНК сохраняется в пределах 4–6 угл. мин на протяжении всей дальности действия. Это свидетельствует об отсутствии заметного влияния внешних воздействующих факторов на угловую ширину переходных зон светового поля секторного навигационного комплекса, работающего на суперъярких светодиодах. То есть подтверждает высокую эффективность применения секторного навигационного комплекса для решения задач зрительной навигации на транспорте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев А. А., Гордюхина С. С. Определение удельных координат цвета физиологической системы с использованием статистической модели цветового зрения. – Полупроводниковая светотехника, 2011, № 1, c.44–47.
2. Карасик В. Е., Орлов В. М. Лазерные системы видения. – М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.
3. Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Клочков Д. В.,и др. Лидарный допплеровский профилометр для измерения параметров ветра в составе наземного комплекса метеорологического обеспечения аэронавигации. – Авиакосмическое приборостроение, 2013, № 9, c. 41–52.
4. Будак В. П., Мельников Г. А., Савенков В. И. Использование метода сферических гармоник для расчета световых полей в мутных средах с анизотропным рассеянием. – Научные труды "Методы повышения эффективности светотехнических систем". – Межведомственный тематический сборник МЭИ, 1983, № 12, c. 9–16.
5. Батусов С. В. Светосигнальные установки. – М.: Энергия. 1979.
Для оценки видимости огня навигационных комплексов в настоящее время используется пороговая модель зрительного анализатора (глаза) которая основана на сравнении освещенности органа зрения с пороговыми величинами, на основе чего принимается решение о видимости наблюдаемого огня. Поскольку пороговая модель не может в полной мере учесть физиологию зрительного процесса и, следовательно, дать точный результат для анализа наблюдения огня, то может быть использована статистическая модель зрительного анализатора. Ее применение актуально в случае ориентировки наблюдателя по световому полю секторного навигационного комплекса, состоящего из разноцветных секторов, прилегающих друг к другу и отличающихся между собой проблесковыми характеристиками. Модель позволяет оценить вероятность обнаружения цветного огня секторного навигационного комплекса на цветном фоне с произвольным распределением яркости по их поверхности [1].
Чтобы определить структуру светового поля, т.е. форму контура монохроматического сектора, в пределах которого огонь комплекса воспринимается с вероятностью не менее заданной, используется метод последовательных изображений. Метод основан на представлении поля излучения в виде ряда изображений источника, расположенных на разном расстоянии от оптической системы. Распространение излучения от источника до изображения определяется передаточными функциями элементов тракта распространения излучения, имеющих разную физическую природу [2], – оптической системы, рассеивающей и турбулентной атмосферы. На высотах до 2–3 км в атмосфере всегда присутствует приземный слой естественного аэрозоля с размером частиц 0,1–10 мкм [3]. Прохождение излучения через атмосферный слой описывается в рамках малоуглового приближения (МУП). Такой подход можно использовать при прямом наблюдении огня комплекса. Во-первых, в силу функциональных особенностей излучательного устройства требуется учитывать только ту долю излучения, которая рассеивается вперед в диапазоне углов от 0 до 10–15°. Во-вторых, МУП дает точные результаты оптических расстояний, в пределах которых лежит рабочая область комплекса, для величин оптического расстояния до τ ≤ 10 (где: τ = ε · R – оптическое расстояние; R – удаление; ε – показатель ослабления среды [4]). На рис.1. представлены рабочие области секторного навигационного комплекса на суперъярких светодиодах и представления переноса излучения в атмосфере, определенные в рамках МУП.
На основе предложенного метода был проведен расчет диаграммы сектора при учете влияния различных внешних воздействующих факторов. Предложенный метод позволяет уточнить параметры диаграммы направленности монохроматического сектора на удаленном участке светового поля, составляющем (для метеовидимости 50 км) до 30% от дальности видимости огня при вероятности обнаружения ρ = 1. Известны данные, полученные стандартным способом, принятым для оценки дальности видимости навигационных огней [5]. На рис.2 дано сравнение диаграмм монохроматического сектора для разной вероятности и качества оптической системы, полученных предложенным методом и используемым традиционным методом.
Характерные формы полученных диаграмм монохроматического сектора для значений метеовидимости 50, 4 и 0,2 км (при значении коэффициента связи величины аберрации с параметрами оптической системы Кос = 4 183,3 и значениях вероятности обнаружения ρ = 0,5 и ρ = 1) приведены на рис.3.
Влияние турбулентности атмосферы на световое поле секторного навигационного комплекса выражается в смещении положения границ между секторами и уширении секторов. Перемещение границы сектора из-за турбулентности атмосферы на дистанции распространения di определяется дисперсией σr2 или среднеквадратическим отклонением (СКО) σr (неопределенность зрительного позиционирования огня комплекса ≈ 2 σr) [3].
Результаты расчетов для длин волн l = 505 нм и l = 630 нм приведены на рис.4. Они показывают, что в рабочем диапазоне длин волн влияние турбулентности проявляется практически равномерно для всех длин волн, а величина среднеквадратического отклонения определяется только степенью турбулентности атмосферы и не зависит от длины волны. На рис.5 представлена зависимость уширения диаграммы сектора от степени турбулентности. Расчеты показали, что в целом турбулентность не оказывает влияния на точность ориентировки по световому полю секторного навигационного комплекса (СНК) на основе суперъярких светодиодов.
Изменение формы диаграммы монохроматического сектора для различных значений метеовидимости и уровня фоновой освещенности (времени суток) представлено на рис.6 и 7, соответственно.
Анализ полученных результатов численных расчетов позволяет сделать важный вывод о том, что параметры атмосферы и яркость фона практически не влияют на угловые размеры секторов. Заданный уровень вероятности обнаружения огня также не оказывает влияния на выбор размеров сектора. Такая независимость рабочих параметров комплекса обеспечивает точное формирование границ светового поля в любых условиях на протяжении всей дальности действия (Zдд на рис.8) огня комплекса. Вывод был подтвержден экспериментальными данными, полученными при наблюдениях, которые проводились при числе независимых наблюдателей от 3 до 5 человек и количестве независимых наблюдений на выбранной дальности для каждого наблюдателя, равном пяти.
Для определения ширины переходных зон на различном удалении от комплекса была получена зависимость ширины переходных зон от дальности действия. Исходными данными для него служили размеры диаграммы монохроматического сектора, излучающей поверхности огня и дальность действия комплекса. Применение этой зависимости позволяет оптимизировать световое поле по критерию "дальность действия – минимальная ширина переходных зон" и дает ориентир для настройки взаимного положения секторов навигационного комплекса. Ширина переходных зон между секторами задается сменой цвета или проблесковой характеристики (рис.8).
ВЫВОДЫ
Определение пространственного распределения освещенности с учетом визуально воспринимаемой средней яркости огня секторного навигационного комплекса в поперечном сечении секторов, составляющих его световое поле, позволили обнаружить, что для рассмотренных условий наблюдения ширина переходных зон между секторами светового поля СНК сохраняется в пределах 4–6 угл. мин на протяжении всей дальности действия. Это свидетельствует об отсутствии заметного влияния внешних воздействующих факторов на угловую ширину переходных зон светового поля секторного навигационного комплекса, работающего на суперъярких светодиодах. То есть подтверждает высокую эффективность применения секторного навигационного комплекса для решения задач зрительной навигации на транспорте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев А. А., Гордюхина С. С. Определение удельных координат цвета физиологической системы с использованием статистической модели цветового зрения. – Полупроводниковая светотехника, 2011, № 1, c.44–47.
2. Карасик В. Е., Орлов В. М. Лазерные системы видения. – М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.
3. Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Клочков Д. В.,и др. Лидарный допплеровский профилометр для измерения параметров ветра в составе наземного комплекса метеорологического обеспечения аэронавигации. – Авиакосмическое приборостроение, 2013, № 9, c. 41–52.
4. Будак В. П., Мельников Г. А., Савенков В. И. Использование метода сферических гармоник для расчета световых полей в мутных средах с анизотропным рассеянием. – Научные труды "Методы повышения эффективности светотехнических систем". – Межведомственный тематический сборник МЭИ, 1983, № 12, c. 9–16.
5. Батусов С. В. Светосигнальные установки. – М.: Энергия. 1979.
Отзывы читателей
