radiostro032020 by nikolatysh

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 03. С. 1–19 DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000166 Представлена в редакцию:

14.04.2020

УДК 629.056.6: 623.746.-519

Оптимизация характеристик БИНС и датчиков внешней коррекции для автономной навигации беспилотных летательных аппаратов разных классов Старовойтов Е.И.1,* 1

АО "Концерн "Вега", Москва, Россия

В системах управления БПЛА для автономной навигации используются БИНС на основе гироскопов разных типов. Для БПЛА с небольшой массой полезной нагрузки, соизмеримой с массой навигационной аппаратуры, требуется оптимизация характеристик БИНС. Наилучшей точностью обладают БИНС на базе лазерных гироскопов, имеющие большую массу. Разработан метод оптимизации, с помощью которого получено множество Парето для массы и точности БИНС на базе лазерных гироскопов. Выполнена комплексная оценка характеристик БИНС и БПЛА-носителей разного класса. Рассмотрены различные методы коррекции БИНС при отсутствии спутниковой навигации: коррелляционно-экстремальная навигация, навигация на базе алгоритмов SLAM и доплеровское счисление пути. В ряде случаев показана целесообразность замены в БИНС лазерных гироскопов на волоконно-оптические гироскопы. Полученные результаты могут использоваться в разработке навигационных систем различных БПЛА. Ключевые слова: бесплатформенная инерциальная навигационная система, гироскопы, беспилотный летательный аппарат, автономная навигация, коррекция, оптимизация

Введение В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) применяются для решения самых разнообразных задач: топографических работ [1], мониторинга состояния и диагностики протяженных инженерных сооружений [2], доставки грузов в труднодоступные места и т.д. Дальность радиосвязи с БПЛА такого типа не превышает 30 км, при этом его радиус действия может быть свыше 100 км, а продолжительность полета может превышать несколько часов. Для широкого применения и увеличения количества задач, решаемых с использованием БПЛА, необходимо повышение степени их автономности, в том числе по части навигационного обеспечения.

Радиостроение

Работоспособность аппаратуры спутниковой навигации ограничена при наличии сильных помех, переотражением сигналов от близлежащих объектов и экранированием созвездия навигационных спутников различными сооружениями. В системах управления БПЛА и других подвижных объектов применяются инерциальные приборы и системы, которые могут использоваться как для автономной навигации, так и в сочетании с измерителями других типов [1,3]. Цель данной статьи состоит в оптимизации характеристик бесплатформенных инерциальных навигационных системы (БИНС) и датчиков внешней коррекции для автономной навигации БПЛА, используемых в решении прикладных задач.

1. Оптимизация массы и точности БИНС на базе лазерных гироскопов Для автономной навигации БПЛА в основном широко используются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), чувствительными элементами которых являются акселерометры, измеряющие линейные ускорения и гироскопы, задающие или определяющие направление осей чувствительности акселерометров. БИНС, предназначенные для систем управления БПЛА должны удовлетворять жестким массогабаритным ограничениям и при этом обеспечивать выполнение ими задач. В ряде случаев из-за ограничений массы и потребляемой мощности допускается снижение точности БИНС. Точность БИНС связана в первую очередь с погрешностями чувствительных элементов. Ошибка определения координат ΔS за время t, включает составляющие связанные с погрешностями акселерометров и гироскопов [3] ΔS = ΔSА + ΔSГ, (1)

S А  S Г 

a

02

 1  cos(0  t ) ,

 R  sin(0  t )  0  t  , 0

(2) (3)

где Δa – ошибка акселерометра; ε – дрейф гироскопа; ω0 – частота Шулера, определяемая выражением

g R, (4) 2 где g = 9,81 м/с – ускорение силы тяжести; R – расстояние от центра Земли до центра масс БПЛА R = Rз + hп, (5)

0 

где Rз = 6371 км – радиус Земли; hп – высота полета БПЛА. В зависимости от скорости накопления ошибки υΔ, различаются три класса точности БИНС: низкой точности (υΔ = 1...10 м/с), средней (υΔ = 0,5...1,0 м/с) и высокой точности (υΔ = 0,01...0,50 м/с) [4]. БИНС низкой точности в основном применяются в системах стаРадиостроение

билизации микро- и мини-БПЛА. БИНС средней и высокой точности широко используются для автономной навигации воздушных, наземных и морских объектов. В настоящее время лазерные гироскопы являются основным типом датчиков в БИНС различного назначения [3]. Другие типы серийно выпускаемых промышленностью гироскопов по совокупности своих характеристик пока еще уступают лазерным гироскопам. Относительная чувствительность к угловым перемещениям и величина погрешности лазерного гироскопа связаны с размерами его резонатора, которые в свою очередь определяют массу и габариты инерциального блока БИНС. На этом подходе основан метод оптимизации БИНС для систем микронавигации в радиолокаторах с синтезированной апертурой, в котором используется взаимосвязь между массой инерциального блока и ошибкой измерения радиальной скорости [5]. Максимально достижимые величины погрешностей лазерного гироскопа можно оценить с помощью коэффициента случайного дрейфа [6]

 ( L) 

90  c   л h  ab   з    , 2   Pвых  H L

(6)

где с = 3∙108 м/с – скорость света; λл – длина волны лазера; H – безразмерный коэффициент; L – длина периметра лазерного резонатора; h = 6,63∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка; νab – частота лазерного перехода; τз – пропускание выходного зеркала; μ – потери в резонаторе лазера; Рвых – выходная мощность лазера. Далее примем допущение, что при использовании лазерного гироскопа с погрешностью ΔSГ0 (за время t) инерциальный блок БИНС имеет массу mиб0. Таким образом, получаем соотношение, которое может быть использовано для оценочной зависимости массы инерциального блока БИНС от дрейфа лазерных гироскопов

mиб  mиб 0 

S Г 0   0 .   R  sin(0  t )  0  t 

(7)

В авиационной технике обычно используются лазерные гироскопы, имеющие дрейф ε ~ 5∙10–8 рад/с (0,01º/ч) [7], что при типовом значении Δа = 8∙10–5 g [8] позволяет обеспечить ΔS = 1,85 км/ч (соответствует среднему классу точности БИНС). Гироскопы с дрейфом < 0,01º/ч имеют большую массу, габариты, технологически сложнее в производстве и дороже. Такие приборы применяются для автономной навигации при больших дальностях полета (например, на пассажирских воздушных судах, предназначенных для трансконтинентальных перелетов) [3]. БИНС среднего класса точности на базе лазерных гироскопов имеют массу примерно mобщ ~ 15 кг [9]. За вычетом массы электронного блока (mэб ~ 0,15∙mобщ = 2,25 кг) для инерциального блока получаем mиб ~ 12,5 кг. Так как величина ΔS в общем случае является функцией от ε, то можно получить обратную зависимость между массой БИНС mобщ и ΔS (см. рис. 1), которая представляет собой множество альтернативных решений (т.н. множество Парето). Радиостроение

Рис. 1. Множество Парето для массы и точности БИНС на базе лазерных гироскопов

Множество Парето используется при векторной постановке задачи многокритериальной оптимизации, когда необходимо преодолеть противоречие, связанное с неопределенностью при выборе значимости критериев оценки. Этот метод многокритериальной оптимизации позволяет определить наиболее приемлемое сочетание критериев, исходя из имеющихся ресурсов [10]. Если для х, х' X выполняется неравенство Фi(х') ≥ Фi(х),

(8)

при котором первое решение предпочтительнее второго (если Фi → max), а второе решение исключается, тогда х' является Парето-оптимальным решением задачи многокритериальной оптимизации. Множество Парето в этом случае определяется как P(X) = {x' X  не существует такого x X, что Фi(х) ≥ Фi(х')}.

(9)

Таким образом, во множество Парето включаются только решения, в которых удовлетворение одного из критериев приводит к ухудшению требований других критериев. При необходимости выбора одного единственного решения вводятся дополнительные критерии и ограничения, либо используются экспертные оценки.

Радиостроение

Из множества на рис. 1 следует, что БИНС, обеспечивающая измерение координат с ошибкой ΔS ~ 1,5 км/ч будет иметь массу mобщ ~ 17,9 кг. При снижении допустимой ошибки до ΔS ~ 3,7 км/ч масса БИНС приблизится к mобщ ~ 9,5 кг. Аналогично может быть проведена оптимизация габаритов БИНС. Необходимо отметить, что выражение (7) применимо только для оценки в первом приближении, что обусловлено нелинейным характером реальной зависимости массогабаритных характеристик БИНС от погрешностей лазерных гироскопов, влиянием отдельных параметров конструкции гироскопов и действием внешних факторов. Кроме того, суммарная масса БИНС зависит от конструктивного исполнения и компонентов, применяемых в составе электронного блока.

2. Оптимизация характеристик БИНС с учетом характеристик БПЛА-носителя При размещении БИНС на определенном БПЛА-носителе необходимо учитывать поднимаемую им массу полезной нагрузки mпн, выделяемую для нее от бортовой сети электропитания мощность Рпн, а также крейсерскую скорость Vкр, потолок hпот и среднюю стоимость БПЛА Сбпла. В данной работе рассматриваются в основном БПЛА с небольшой массой полезной нагрузки, соизмеримой с массой навигационной аппаратуры. Основные характеристики подобных БПЛА, относящихся к трем различным классам [11], представлены в табл. 1. Таблица 1. Основные характеристики БПЛА-носителей Класс БПЛА Легкий Средний Средне-тяжелый

mпн, кг 20...30 40...50 100...170

Рпн, Вт 100...170 200...250 300...500

Vкр, км/ч 110...120 120...130 120...150

hпот, м 5 000 5 500 7 500

Сбпла, отн. ед. 30...45 50...60 80...150

Масса и точность БИНС из полученного в предыдущем разделе множества Парето, а также примерно соответствующие им потребляемая мощность Р и примерная стоимость С (определенные на основе данных о существующих аналогах), представлены в табл. 2. Таблица 2. Основные характеристики БИНС на базе лазерных гироскопов № п/п 1 2 3 4

ΔS, км/ч 1,85 2,47 3,09 3,70

mобщ, кг 15,0 12,3 10,6 9,5

Р, Вт 70 65 60 50

С, отн. ед. 15,0 13,0 11,5 10,0

Целевая функция для комплексной оценки характеристик БИНС и БПЛА-носителя получена на основе линейной свертки критериев, учитывающих изменение характеристик БИНС по сравнению с их заданным (базовым) значением Радиостроение

mпн  mобщ  m0   P  P  P0  S  S  С БПЛА  C 0  Фц   0,33   0,33  пн  0,33  0 , (10) mпн Pпн S 0  С БПЛА  С  где m0 – базовое значение массы БИНС; Р0 – базовое значение потребляемой БИНС мощности; С0 – базовая стоимость БИНС. Оптимальному сочетанию параметров соответствует максимальное значение целевой функции. Заданы базовые уровни характеристик БИНС: ΔS0 = 3,7 км/ч; m0 = 10 кг; Р0 = 50 Вт и С0 = 12 отн. ед. Для них получены целевые функции, зависимость которых от массы полезной нагрузки БПЛА-носителя показана на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость Фц от mпн для БИНС на базе лазерных гироскопов с разными характеристиками: 1 – ΔS = 1,85 км/ч; 1 – ΔS = 2,47 км/ч; 3 – ΔS = 3,09 км/ч; 4 – ΔS = 3,70 км/ч

Из результатов следует, что с весом полезной нагрузки mпн = 20...25 кг предпочтительно использование БИНС с ΔS = 3,7 км/ч, а при mпн = 30 кг оптимальным является значение ΔS = 2,47 км/ч. С увеличением массы полезной нагрузки (mпн > 40 кг), выделяемой ей мощности от бортовой сети и стоимости БПЛА, характеристики БИНС уже меньше влияют на суммарную оценку, поэтому целесообразно использовать системы с меньшей навигационной ошибкой (ΔS = 1,85 км/ч).

Радиостроение

3. Методы коррекции БИНС и выбор гироскопов При невозможности использования в полете спутниковой навигации целесообразно рассмотреть возможности применения для коррекции БИНС навигационных датчиков другого типа. Астрокорректоры работоспособны в дневное время на высотах от 8 км [12]. Астрокоррекция также возможна при полете на малых высотах в условиях ясных ночей, но в условиях

городской

промышленной

застройки

навигация

будет

затруднена

из-за световых помех (т.н. «световое загрязнение»), что затрудняет применение данного метода на рассматриваемых БПЛА. При полете над сушей для коррекции БИНС может быть использован рельеф местности, анализ которого выполняется в корреляционно-экстремальных навигационных системах (КЭНС) [13]. Кроме БИНС в состав КЭНС входят собственный вычислитель, носитель информации с эталонной базой данных высот подстилающей поверхности, а для измерений рельефа подстилающей поверхности обычно используется радиовысотомер малых высот. Навигация по рельефу местности также может осуществляться методом одновременной локализации и построения карты (SLAM) [14-16]. Исходные данные для алгоритмов SLAM формируют оптические датчики – телекамеры и лазерные локационные системы (ЛЛС), использование которых зависит от состояния атмосферной трассы. Телекамеры работоспособны только в условиях достаточной освещенности, поэтому их применение ограничено. ЛЛС могут быть построены на основе времяпролетных камер (3D Flash Ladar) или оптико-механических сканеров с разверткой по двум или одной координатам [15]. На легких БПЛА из-за массогабаритных ограничений более предпочтительно использование ЛЛС типа 3D Flash Ladar. Алгоритмы SLAM могут быть реализованы с использованием относительной навигации без привязки к глобальным координатам, что позволяет комплексировать БИНС и ЛЛС без использования дополнительного бортового вычислителя [14]. Независимо от типа подстилающей поверхности координаты БПЛА могут определяться посредством доплеровского счисления пути, с использованием доплеровского измерителя путевой скорости и угла сноса (ДИСС) [17]. Коррекция БИНС возможна на малых и средних высотах независимо от состояния атмосферной трассы и наличия подробных сведений о подстилающей поверхности. Но при этом методе необходимы данные датчика курса (цифрового магнитного компаса), используемые для расчета путевого угла. В табл. 3 представлено описание методов внешней коррекции по навигационным данным от различных датчиков.

Радиостроение

Таблица 3. Методы внешней коррекции по навигационным данным от различных датчиков № п/п

Источник внешних данных и метод навигации Рельеф подстилающей поверхности. Коррелляционноэкстремальная навигация.

Погрешность навигации

Рабочие высоты

0,20 км

hр = 0...1,0 км

Рельеф подстилающей поверхности. Алгоритмы SLAM.

0,02·S

hр = 0,1...2,0 км

Эхо-сигнал от подстилающей поверхности. Доплеровское счисление.

0,015·S

hр = 0...4,5 км

Ограничения Возможно только при полете над сушей. Должна быть достаточная плотность ориентиров. Требуется эталонное описание рельефа местности. Возможно только при полете на сушей. Работоспособность оптических датчиков зависит от состояния атмосферной трассы.

Требуется датчик курса.

При комплексировании с дополнительными датчиками важным параметром является частота коррекции БИНС, определяемая многими факторами: требованиями к погрешности навигации, скоростью накопления ошибки БИНС, стабильностью внешних навигационных ориентиров. Коррекция должна выполнятся при малом количестве внешних навигационных ориентиров, а при их кратковременной потере погрешность БИНС не должна превышать погрешность навигации. Для БИНС, используемых в авиационной технике, интервал коррекции обычно составляет десятки минут [7]. Частота коррекции БИНС определяется соотношением [18]

fк 

 , S

(11)

где δS – погрешность навигации. При использовании метода коррелляционно-экстремальной навигации должна учитываться информативность рельефа подстилающей поверхности. В этом случае максимально допустимую погрешность БИНС можно определить из соотношения

S  

1  S   по  V , N ор

(12)

где Nор – количество ориентиров, необходимых для принятия решения о коррекции; по – плотность ориентиров (информативность поля рельефа); V – скорость полета. При Nор = 8 и V = 120 км/ч, коррекция БИНС с ΔS > 1,85 км/ч может выполняться только над поверхностью с плотностью ориентиров по > 0,62 шт/км. При меньшей плотности ориентиров погрешность навигации δS = 0,2 км может обеспечена либо использованием БИНС высокого класса точности, либо увеличением скорости БПЛА-носителя. Зависимость допустимого значения ΔS от V для разных значений по представлена на рис. 3. Радиостроение

Рис. 3. Зависимость максимально допустимого значения ΔS от V: 1 – по > 0,2 шт/км; 1 – по > 0,4 шт/км; 1 – по > 0,6 шт/км; 1 – по > 0,8 шт/км

При оценке возможности коррекции по данным алгоритмов SLAM примем, что большая часть погрешности навигации определяется линейной разрешающей способностью ЛЛС, связанной с высотой полета. Скорость смещения подстилающей поверхности определяется по величине линейного сдвига облака точек за время между измерениями Δt δl = V∙Δt. (13) С учетом углового разрешения ЛЛС, измеряемый линейный сдвиг на высоте полета hп составит

l 

V  t

 2

(14)

 hп

где β – дискрет (пиксель) разрешения матричного фотоприемника 3D Flash Ladar. Измеряемая ЛЛС скорость смещения подстилающей поверхности будет равна

Радиостроение

VпЛЛС 

 2

(15)

 hп

Отсюда погрешность измерения скорости

  1 Vп  V  1     hп  2 

  .   

(16)

Из выражения (16) можно определить максимальную высоту полета БПЛА, на которой может выполняться коррекция. Разрешающая способность по углу для ЛЛС типа 3D Flash Ladar зависит от размера углового поля обзора (nnº) и формата матричного фотоприемника. На рис. 4 представлена зависимость максимальной высоты полета hп от размера углового поля обзора ЛЛС типа 3D Flash Ladar с форматом матричного фотоприемника 128128 пикселей (при ΔVп/V = 0,02).

Рис. 4. Зависимость максимальной высоты полета БПЛА-носителя hп от размера углового поля обзора ЛЛС при коррекции БИНС

Радиостроение

При V = 120 км/ч погрешность навигации по данным алгоритмов SLAM составит δS = 2,4 км/ч. Тогда при коррекции с интервалом в 10 мин (fк = 1,67∙10–3 Гц) скорость накопления ошибки не должна превышать υΔ = 4 м/с (ΔS > 14,4 км/ч), что соответствует БИНС низкой точности. Аналогичная картина при коррекции от ДИСС. Для получения δS = 1,8 км/ч (при V = 120 км/ч) с fк = 1,67∙10–3 Гц будет достаточно υΔ ≤ 3 м/с (ΔS > 10,8 км/ч). Кроме того, независимость от наличия ориентиров и состояния атмосферной трассы позволяют выполнять коррекцию ДИСС с еще большей частотой. При таких низких точностях БИНС целесообразно рассмотреть возможность замены лазерных гироскопов на датчики другого типа, что позволит снизить общую массу системы и потребляемую ей мощность. Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) в настоящее время по своим характеристикам близки к лазерным гироскопам, но БИНС на их базе имеют большие погрешности и меньший динамический диапазон измеряемых угловых скоростей. По сравнению с лазерными гироскопами, ВОГ более технологичные и экономичные в производстве [19]. Микроэлектромеханические (МЭМС) гироскопы имеют малую массу и габариты, высокую технологичность и низкую стоимость, но их применение ограничено большой погрешностью измерений. МЭМС-гироскопы используются в системах с постоянной коррекцией от внешних измерителей, либо когда большие погрешности измерений не являются критичными (при небольшой продолжительности работы). Для выполнения технологических операций при обслуживании инженерных объектов требуется поддержание определенной ориентации БПЛА с минимальными погрешностями. Также может возникнуть необходимость в измерении путевой скорости (например, при работе радиолокатора с синтезированной апертурой [5]). Поэтому при выборе типа гироскопов еще должны учитываться ошибки определения путевой скорости ΔV, углов крена Δγ, тангажа Δθ и курса Δψ. В табл. 4 для сравнения представлены характеристики БИНС на базе лазерных, ВОГ и МЭМС-гироскопов (определенные на основе данных о существующих аналогах [9,20,21] и полученного в разд. 1 множества Парето для массы и точности БИНС на базе лазерных гироскопов). Таблица 4. Характеристики БИНС на базе разных типов гироскопов № п/п 1 2 3 4 5

Тип гироскопов лазерные лазерные ВОГ ВОГ МЭМС

ΔS, км/ч

υΔ, м/с

ΔV, м/с

Δγ,Δθ, ʹ

Δψ, ʹ

Р, Вт

1,85 3,70 4,00 10,00 –

0,51 1,03 1,11 2,78 1,67

1,0 4,0 2,5 1,0 5,0

3 6 3 6 30

3 6 6 30 60

70,0 50,0 20,0 14,0 1,2

mобщ, кг 15,0 9,5 4,8 3,4 0,1

С, отн. ед 15,0 10,0 5,0 3,0 0,2

Из данных таблицы 4 следует, что при снижении точности БИНС наиболее оптимальным является переход с лазерных гироскопов на ВОГ, обеспечивающих близкие знаРадиостроение

чения ошибок при определении путевой скорости и углов ориентации. В этом случае снижаются масса, потребляемая мощность и стоимость БИНС. БИНС на базе МЭМС-гироскопов, несмотря на преимущество в виде предельно малых массы, потребляемой мощности и стоимости, имеют большие погрешности, которые при задержках коррекции могут затруднить ориентацию и позиционирование БПЛА. Таким образом, оптимальным для комплексирования с ДИСС или ЛЛС типа 3D Flash Ladar являются БИНС низкого класса точности на базе ВОГ.

Заключение В системах управления БПЛА для автономной навигации при выполнении длительных полетов, связанных с решением прикладных задач (топографических работ, обследования линий электропередач, трубопроводов, железных дорог, доставки грузов в труднодоступные места и др.) могут использоваться БИНС среднего класса точности (ΔS = 1,85...3,70 км/ч) на базе лазерных гироскопов. Для БПЛА с небольшой массой полезной нагрузки, соизмеримой с массой навигационной аппаратуры, возникает необходимость оптимизации характеристик БИНС. Разработан метод оптимизации, с помощью которого получено множество Парето для массы и точности БИНС на базе лазерных гироскопов. Выполнена комплексная оценка характеристик БИНС и БПЛА-носителя с разной массой полезной нагрузки. Показано, что при увеличении массы полезной нагрузки свыше 40 кг оптимальным будет использование БИНС с ΔS = 1,85 км/ч. Рассмотрены различные методы коррекции БИНС при отсутствии спутниковой навигации. Для полетов над сушей при наличии эталонного описания рельефа местности может использоваться коррелляционно-экстремальная навигация. При плотности ориентиров не менее 0,62 шт/км обеспечивается достаточная частота коррекции для БИНС с ΔS = 1,85 км/ч, и погрешность навигации не превышает δS = 0,2 км. Если плотность ориентиров составляет менее 0,62 шт/км, то потребуется увеличение скорости БПЛА-носителя или переход на БИНС высокого класса точности. Навигация на базе алгоритмов SLAM может осуществляться с применением ЛЛС типа 3D Flash Ladar при соответствующем состоянии атмосферной трассы. Получены оценки максимальной высоты полета БПЛА-носителя от размера углового поля обзора ЛЛС. Навигация с использованием ДИСС может выполняться с высокой частотой независимо от наличия ориентиров и состояния атмосферной трассы. Для комплексирования с ДИСС и ЛЛС типа 3D Flash Ladar оптимальными являются БИНС низкого класса точности на базе ВОГ, вместо систем на лазерных гироскопах. Полученные результаты могут использоваться при разработке навигационных систем средних, легких и средне-тяжелых БПЛА.

Радиостроение

Список литературы 1. Jóźków G., Toth C., Grejner-Brzezinska D. UAS topographic mapping with Velodyne LiDAR sensor // ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2016, Vol. III-1, p. 201-208. DOI: 10.5194/isprsannals-III-1-201-2016 2. Zhang W., Wu X., Zhang G. et al. The Application Research of UAV-based LiDAR System for Power Line Inspection // 2nd International Conference on Computer Engineering, Information Science & Application Technology (ICCIA 2017). DOI: 10.2991/iccia-17.2017.174 3. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб. ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2009. 280 с. 4. Трефилов П.М. Сравнительный анализ улучшения точностных характеристик инерциальных навигационных систем // Сборник трудов XIII Всероссийского совещания по проблемам управления ВСПУ-2019. М. ИПУ РАН. 2019. С.470-474. 5. Старовойтов Е.И., Юрчик И.А. Оптимизация характеристик авиационного радиолокатора с синтезированной апертурой и его системы микронавигации // Труды МАИ. 2019. Вып. 108. Режим доступа: http://trudymai.ru/upload/iblock/96b/Starovoytov_YUrchik_rus.pdf?lang=ru&issue=108 (дата обращения 20.04.2020) 6. Болотнов С.А., Вереникина Н.М. Лазерные информационно-измерительные системы: Учебное пособие. Ч.2 / Под ред. О.В. Рожнова. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. 92 с. 7. Борсоев В.А., Кацура А.В., Степанов С.М. Использование модели инерциальной навигационной системы при проведении испытаний летательных аппаратов // Научный вестник МГТУ ГА. 2016. Т.19. № 5. С.144-150. 8. Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Коновалов С.Ф., Соловьева Т.И., Томилин А.В. Критерии выбора акселерометров для инерциального измерительного блока // Системотехника: системный проблемы надежности, качества и информационных технология. Сетевой электронный научный журнал. 2012. № 10. Режим доступа: http://systech.miem.edu.ru/?q=21 (дата обращения 20.04.2020) 9. Кузнецов А.Г., Портнов Б.И., Измайлов Е.А. Современные бесплатформенные инерциальные навигационные системы двух классов точности // Труды МИЭА. 2014. № 8. С.24–32. 10. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход. 2-е изд., испр. и доп. М. ФИЗМАТЛИТ. 2004. 176 с. 11. Фетисов B.C., Неугодникова Л.М., Адамовский В.В., Красноперов Р.А. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние. Уфа. ФОТОН. 2014. 217 с.

Радиостроение

12. Бессонов Р.В., Белинская Е.В., Брысин Н.Н., Воронков С.В., Куркина А.Н., Форш А.А. Звездные датчики в астроинерциальных системах летательных аппаратов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т.15. № 6. С.9-20. 13. Наумов А.И., Кичигин Е.К., Сафонов И.А., Мох Ахмед Медани Ахмед Эламин. Бортовой комплекс высокоточной навигации с корреляционно-экстремальной навигационной системой и цифровой картой рельефа местности // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т.9. 2013. № 6-1. С.51-55. 14. Падерин Ф.Г. Комплексная обработка информации в бортовом навигационном комплексе БПЛА с использованием метода навигации и составления карты (SLAM) // Труды МИЭА. Навигация и управление летательными аппаратами. 2017. № 19. С.79-87. 15. Старовойтов Е.И. Характеристики лазерных локационных систем для коррекции бесплатформенной инерциальной навигационной системы беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2018. Вып. 102. Режим доступа: http://trudymai.ru/upload/iblock/748/Starovoytov_rus.pdf?lang=ru&issue=102 (дата обращения 20.04.2020) 16. Боковой А.В. Исследование методов одновременного картирования и локализации беспилотных летательных аппаратов по видеопотоку, полученному с единственной камеры // Труды Второго Всероссийского научно-практического семинара «Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта». СПб. Политехника-сервис. 2015. С.26-33. 17. Соловьев В.И., Шабалов П.Г. Инерциальные навигационные системы. Самара. Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2011. 72 с. 18. Сизов А.В., Ипполитов С.В., Савченко А.Ю., Малышев В.А. Методика формирования требований к системе коррекции инерциальной навигационной системы на основе решения многопараметрической оптимизационной задачи // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. Т.6. 2018. № 4. С.381-393. 19. Кивокурцев А.Л. Особенности датчиков первичной информации, алгоритмов ориентации современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем // Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50-летию Иркутского филиала МГТУ ГА. 2017. С. 79-87. 20. Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Прилуцкий В.Е, Пономарев В.Г., Морев И.В., Скрипников С.Ф., Хмелевская М.И., Буравлев А.С., Кострицкий С.М., Федоров И.В., Зуев А.И., Варнаков В.К. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы на основе волоконно-оптических гироскопов // Гироскопия и навигация. 2014. № 1 (84). С.14–25.

Радиостроение

21. Мишин А.О., Кирюшин Е.Ю., Обухов А.И., Гурлов Д.В. Малогабаритная комплексная навигационная система на двух микромеханических датчиках // Электронный журнал «Труды МАИ». 2013. Вып. № 70. Режим доступа: http://trudymai.ru/upload/iblock/7ae/7ae33b5e924203fadab7114222f60782.pdf?lang=ru&iss ue=70 (дата обращения 20.04.2020)

Радиостроение

Radio Engineering, 2020, no. 03, pp. 1â&#x20AC;&#x201C;19. DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000166 Received:

14.04.2020

ÂŠ E.I. Starovoytov

Optimizing Strap-down Inertial Navigation Systems Characteristics and External Correction Sensors for Autonomous Navigation of Different UAV Classes E.I. Starovoytov1,* 1

Radio Engineering Corporation "Vega", Moscow, Russia

Keywords: strapdown inertial navigation system, gyroscope, unmanned aerial vehicle, autonomous navigation, correction, optimization

Currently, unmanned aerial vehicles (UAVs) can be used in topographic works, condition monitoring and diagnostics of extended engineering structures, delivering goods to hard-to-reach places, etc. To provide the widespread UAVs applications and raise the number of tasks to be solved through their using, it is necessary to increase their autonomy degree in terms of navigation support, in particular. Unmanned aerial vehicles (UAV) control systems for autonomous navigation use the strap-down inertial navigation systems (SINS) based on various types of gyroscopes. SINS based on the laser gyroscopes, which have a large mass, have the best accuracy. UAVs with a payload mass that is commensurable with the mass of navigation equipment require optimization of SINS characteristics. An optimization method has been developed to enable obtaining a Pareto set for the mass and accuracy of SINS based on laser gyroscopes. A comprehensive assessment of the characteristics of SINS and UAV carrier with different payload mass has been performed. Various SINS correction methods are considered when satellite navigation is unavailable. For overland flights, the correlation-extreme navigation systems (CENS) and SLAM methods (for simultaneous localisation and mapping) can be used. CENS require a reference layof-the-land description and a sufficient density of landmarks. In navigation based on SLAM algorithms, there is no need in the reference lay-of-the-land description, and the initial data can be obtained through the optical sensors under appropriate condition of the atmospheric path. Regardless of the condition of the atmospheric path, type of the underlying surface and its information available in detail, the UAV coordinates can be determined by Doppler dead reckoning using a Doppler system (DISS). At low and medium altitudes SINS correction is possible, only heading sensor data are needed to calculate the path angle.

Radio Engineering

In combining with DISS and 3D Flash Ladar sensors (for implementing SLAM algorithms), it is more optimal to use low-accuracy SINS based on fibre-optic gyroscopes rather than laser gyro-based systems. The results obtained can be used when developing navigation systems for medium, light and heavy-medium UAVs.

References 1. Jóźków G., Toth C., Grejner-Brzezinska D. UAS topographic mapping with Velodyne LiDAR sensor // ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2016, Vol. III-1, p. 201-208. DOI: 10.5194/isprsannals-III-1-201-2016 2. Zhang W., Wu X., Zhang G. et al. The Application Research of UAV-based LiDAR System for Power Line Inspection // 2nd International Conference on Computer Engineering, Information Science & Application Technology (ICCIA 2017). DOI: 10.2991/iccia-17.2017.174 3. Matveev V.V., Raspopov V.Ya., Osnovy postroeniya besplatformennykh inertsial’nykh navigatsionnykh sistem [Fundamentals of Designing Strapdown Inertial Navigation Systems]. St. Petersburg, TsNII Elektropribor publ., 2009, 280 p. 4. Trefilov P.M. Sravnitel'nyi analiz uluchsheniya tochnostnykh kharakteristik inertsial'nykh navigatsionnykh sistem [Comparative analysis of improving accuracy characteristics of inertial navigation systems]. Sbornik trudov XIII Vserossiiskogo soveshchaniya po problemam upravleniya VSPU-2019. Moscow, IPU RAN Publ., 2019, pp.470-474.. 5. Starovoitov E.I., Yurchik I.A. Optimizatsiya kharakteristik aviatsionnogo radiolokatora s sintezirovannoi aperturoi i ego sistemy mikronavigatsii [Сharacteristics Optimization for airborne Synthetic Aperture Radar and his Micronavigation System] // Trudy MAI, 2019, iss. 108. Available at: http://trudymai.ru/upload/iblock/96b/Starovoytov_YUrchik_rus.pdf?lang=ru&issue=108 , accessed 20.04.2020. 6. Bolotnov S.A., Verenikina N.M. Lazernye informatsionno-izmeritel'nye sistemy: Uchebnoe posobie. Ch. 2 [Laser information and measuring systems: Textbook. Part 2]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2005, 92 p. 7. Borsoev V.A., Katsura A.V., Stepanov S.M. Ispol'zovanie modeli inertsial'noi navigatsionnoi sistemy pri provedenii ispytanii letatel'nykh apparatov [Implementation of inertial navigation system model during aircraft testing]. Nauchnyi Vestnik MGTU GA (Civil Aviation Nigh Technologies), 2016, vol.19, no. 5. pp.144-150. 8. Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., Solov'eva T.I., Tomilin A.V. Kriterii vybora akselerometrov dlya inertsial'nogo izmeritel'nogo bloka [Accelerometers selection criteria for inertial measuring unit]. Sistemotekhnika: sistemnyi problemy nadezhnosti, kachestva i informatsionnykh tekhnologiya. Setevoi elektronnyi nauchnyi zhurnal, 2012, no. 10, available at: http://systech.miem.edu.ru/?q=21 , accessed 20.04.2020.

Radio Engineering

9. Kuznetsov A.G., Portnov B.I., Izmailov E.A. Sovremennye besplatformennye inertsial'nye navigatsionnye sistemy dvukh klassov tochnosti [Modern strapdown inertial navigation systems of two accuracy classes]. Trudy MIEA. Navigatsiya i upravlenie letatel'nymi apparatami, 2014, no. 8, pp.24â&#x20AC;&#x201C;32. 10. Nogin V.D. Prinyatie reshenii v mnogokriterial'noi srede: kolichestvennyi podkhod [Decision-making in the multicriteria environment: a quantitative approach]. Moscow, 2rd. ed., Fizmatlit Publ., 2004, 176 p. 11. Fetisov B.C., Neugodnikova L.M., Adamovskii V.V., Krasnoperov R.A. Bespilotnaya aviatsiya: terminologiya, klassifikatsiya, sovremennoe sostoyanie [Unmanned aviation: terminology, classification, current status]. Ufa, FOTON Publ., 2014, 217 p. 12. Bessonov R.V., Belinskaya E.V., Brysin N.N., Voronkov S.V., Kurkina A.N., Forsh A.A. Zvezdnye datchiki v astroinertsial'nykh sistemakh letatel'nykh apparatov [Star trackers in astroinertial systems of flying vehicles]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2018, vol.15, no. 6, pp.9-20. 13. Naumov A.I., Kichigin E.K., Safonov I.A., Moh Ahmed Medani Ahmed Elamin. Bortovoi kompleks vysokotochnoi navigatsii s korrelyatsionno-ekstremal'noi navigatsionnoi sistemoi i tsifrovoi kartoi rel'efa mestnosti [The aircraft onboard complex of accurate navigation with terrain reference navigation system and digital map terrain elevation data]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, vol.9, 2013, no. 6-1, pp.51-55. 14. Paderin F.G. Kompleksnaya obrabotka informatsii v bortovom navigatsionnom komplekse BPLA s ispol'zovaniem metoda navigatsii i sostavleniya karty (SLAM) [Integrated Data processing in UAV onboard navigation system based on simultaneous localization and mapping (SLAM) method]. Trudy MIEA. Navigatsiya i upravlenie letatel'nymi apparatami, 2017, no. 19, pp.79-87. 15. Starovoitov E.I. Kharakteristiki lazernykh lokatsionnykh sistem dlya korrektsii besplatformennoi inertsial'noi navigatsionnoi sistemy bespilotnykh letatel'nykh apparatov [Laser ranging systems's characteristics for error correction of strapdown inertial navigation system of unmanned aerial vehicles] // Trudy MAI, 2018, iss. 102. Available at: http://trudymai.ru/upload/iblock/748/Starovoytov_rus.pdf?lang=ru&issue=102 , accessed 20.04.2020. 16. Bokovoi A.V. Issledovanie metodov odnovremennogo kartirovaniya i lokalizatsii bespilotnykh letatel'nykh apparatov po videopotoku, poluchennomu s edinstvennoi kamery [Research of methods of one-dimensional mapping and localization of unmanned aerial vehicles for videopotokupoluchennomu with a single camera]. Trudy Vtorogo Vserossiiskogo nauchno-prakticheskogo seminara ÂŤBespilotnye transportnye sredstva s elementami iskusstvennogo intellektaÂť. St. Petersburg, Politekhnika-servis publ., 2015. pp.26-33. 17. Solov'ev V.I., Shabalov P.G. Inertsial'nye navigatsionnye sistemy [Inertial navigation systems]. Samara, SGAU publ., 2011, 72 p. Radio Engineering

18. Sizov A.V., Ippolitov S.V., Savchenko A.Y., Malyshev V.A.. Metodika formirovaniya trebovanii k sisteme korrektsii inertsial'noi navigatsionnoi sistemy na osnove resheniya mnogoparametricheskoi optimizatsionnoi zadachi [Method of forming requirements to the correction system of the inertial navigation system on the basis of the multiparameter optimization problem solution]. Modelirovanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhnologii, vol.6, 2018, no 4, pp.381-393. 19. Kivokurtsev A.L. Osobennosti datchikov pervichnoi informatsii, algoritmov orientatsii sovremennykh besplatformennykh inertsial'nykh navigatsionnykh sistem [Features of primary information sensors and orientation algorithms of modern strapdown inertial navigation systems]. Aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya grazhdanskoi aviatsii Rossii sbornik trudov Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, posvyashchennoi 50-letiyu Irkutskogo filiala MGTU GA, Irkutsk, 2017, pp. 79-87. 20. Korkishko Y.N., Fedorov V.A., Prilutskii V.E., Ponomarev V.G., Morev I.V., Skripnikov S.F., Khmelevskaya M.I., Buravlev A.S., Kostritskii S.M., Fedorov I.V., Zuev A.I., Varnakov V.K. Strapdown inertial navigation systems based on fiber-optic gyroscopes. Gyroscopy and Navigation, 2014, vol.5, no.4, pp. 195-204. 21. Mishin A.Y., Kiryushin E.U., Obukhov A.I., Gurlov D.V. Malogabaritnaya kompleksnaya navigatsionnaya sistema na mikromekhanicheskikh datchikakh [Microelectromechanicheskie sensors - based Compact Strapdown Inertial Navigation System] // Trudy MAI, 2013, iss. 70. Available at: http://trudymai.ru/upload/iblock/7ae/7ae33b5e924203fadab7114222f60782.pdf?lang=ru&iss ue , accessed 20.04.2020.

Radio Engineering

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 03. С. 20–34 DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000170 Представлена в редакцию:

05.04.2020

УДК 551.501

Лазерный дистанционный метод обнаружения выбросов монооксида углерода Белов М.Л.1,*, Драченникова Я.Э.1, Городничев В.А.1 1

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Проведен анализ возможностей дистанционного лазерного абсорбционного метода обнаружения выбросов монооксида углерода в атмосфере. Приведена оценка информационного параметра, измеряемого дистанционным лазерным газоанализатором для полосы поглощения монооксида углерода около 2,3 мкм. Математическое моделирование показывает, что лазерный газоанализатор позволяет с вероятностью правильного обнаружения не менее 0,845 и вероятностью ложных тревог не более 0,234 проводить обнаружение выбросов монооксида углерода при содержании в выбросе СО не менее 0,1 % и размерах облака выбросов более 10 м. При содержании в выбросе СО не менее 1 % и размерах облака выбросов более 5 м лазерный газоанализатор позволяет проводить обнаружение выбросов монооксида углерода с вероятностью правильного обнаружения не менее 0,999 и вероятностью ложных тревог не более 0,001. Ключевые слова: лазерный дистанционный метод, обнаружение выбросов монооксида углерода

Введение Мониторинг газовых загрязнений атмосферы является одной их наиболее важных экологических задач, так как от качества атмосферного воздуха зависит здоровье людей. Для оперативного обнаружения в атмосферном воздухе выбросов ядовитых и вредных газовых загрязнителей требуется создание газоаналитических приборов, способных проводить дистанционный мониторинг содержания этих газов в атмосфере. Наиболее эффективными для дистанционного оперативного мониторинга загрязнений атмосферы являются лазерные методы (см., например, [1-6]). Одним из наиболее приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха является монооксид углерода. Монооксид углерода является ядовитым загрязнителем, попав в организм при дыхании он лишает ткани тела необходимого им кислорода. Этот загрязнитель включен в международную программу Глобальной системы мониторинга окружающей среды (см., например, см., например, [7]). Радиостроение

В таблице 1 показаны предельно допустимые концентрации (ПДК) для монооксида углерода. Таблица 1. ПДК для оксида углерода. Газ

Класс опасности

СО

3 Предельно допустимая концентрация, мг/м в воздухе рабочей зосреднесуточная в атмомаксимальная разовая ны сфере населенных пунктов

20,0

3,0

5,0

Фоновое концентрация монооксида углерода в воздухе составляет ~ 0,05..0,1 млн 1 . К естественным источникам СО относят вулканы, лесные пожары и распад растительности и др.. К антропогенным источникам СО относят прежде всего сжигание ископаемых топлив. Выбросы тракторной и автомобильной техники дают до 80% всего содержания СО в тропосфере [8-11]. В отработавших (выхлопных) газах бензиновых двигателей содержание монооксида углерода может достигать до 12 %, а в отработавших газах дизелей – до 0,8 % и более. При работе автотракторной техники на наиболее энергоемких лесосечных работах концентрация оксида углерода в атмосферном воздухе может достигать 300 – 700 мг/м 3 . Монооксид углерода лидирует среди вредных веществ в РФ по абсолютным выбросам– 10,3 млн. т. в год. В Таблице 2 приведены фоновая концентрация монооксида углерода и концентрация монооксида углерода в выбросах бензинового и дизельного двигателей [8-11]. Таблица 2. Фоновая концентрация СО и концентрация СО в выбросах двигателей. Концентрация в выбросах, %

Газ

Фоновая концентрация, %.

Бензиновый двигатель

Дизельный двигатель

СО

0,0001

0,1...12

0,01...0,8 и более

Отметим, что неисправность двигателя может увеличить выброс вредных веществ в два раза и более раз [9]. Из таблицы 2 видно, что концентрация монооксида углерода в выбросах двигателей на несколько порядков выше, чем его фоновая концентрация. Это потенциально позволяет обнаруживать источники выбросов СО в атмосферу. Статья посвящения анализу возможностей дистанционного лазерного абсорбционного метода обнаружения выбросов монооксида углерода в атмосфере.

1. Анализ возможных длин волн лазерного зондирования Среди процессов взаимодействия лазерного излучения с атмосферными газами наибольшее сечение имеет эффект поглощения. Обычно в лидарам, предназначенных для Радиостроение

дистанционного газоанализа, используется метод дифференциального поглощения (ДП) (см., например [7]). В этом методе для контроля содержания в атмосфере одного газа используют две длины волны зондирования. Одна 1 выбирается в максимуме линии поглощения газа (для нее за счет поглощение газа на трассе зондирования происходит максимальное ослабление сигнала, регистрируемого приемником лидара), а другая  2 – рядом с первой на краю или вне линии поглощения (для нее ослабление сигнала, регистрируемого приемником лидара за счет поглощения газа, практически не происходит). Сравнение лидарных сигналов на двух длин волн зондирования позволяет измерять концентрацию контролируемого газа и обнаруживать его выбросы в атмосферу. Выбор длин волн зондирования контролируемого газа определяется прежде всего его полосами поглощения. Основная полоса поглощения молекул 12 C16 O в оптическом диапазоне находится около 2143,2 см1 (4,67 мкм). Значения других центров полос: 4260,0646 (основной обертон); 4207,1664; 4154,4056; 4101,7820; 4049,2958; 3996,9466; 6350,4404; 8414,4708 см1 . Соотношение между показателями поглощения полос в спектре СО диапазоне 0,75 – 6 мкм показан на рисунке 1. Рисунок 1 показывает, что лучшим вариантом спектрального диапазона для мониторинга выбросов монооксида углерода является диапазон 4,5 – 5 мкм. Масштабированные (с учетом их фонового содержания в стандартной земной атмосфере) интенсивности спектральных линий поглощения монооксида углерода и основных мешающих измерению газов (водяного пара и двуокиси углерода) в диапазоне 1900 см1 – 2500 см1 (4,0 – 5,2 мкм) приведены (в логарифмическом масштабе) на рисунках 2-4 [12,13].

Рис.1. Спектр поглощения монооксида углерода

Радиостроение

Рис.2. Интенсивность спектральных линий монооксида углерода в диапазоне 4,0 – 5,2 мкм

Рис. 3. Интенсивность спектральных линий водяного пара в диапазоне 4,0 – 5,2 мкм

Рис. 4. Интенсивность спектральных линий двуоксида углерода в диапазоне 4,0 – 5,2 мкм

Радиостроение

Из рисунков 2-4 видно, что ситуация с измерением содержания СО в этом диапазоне очень плохая – здесь находятся сильные полосы поглощения воды и много (хотя и не таких сильных) линий поглощения углекислого газа. Определить содержание монооксида углерода в этом спектральном диапазоне можно с помощью высокочувствительной аппаратуры с термостабилизацией источника и приемника излучения (см., например, [14-16]). Такая аппаратура на основе перестраиваемого диодного лазера имеет узкую линию излучения, которая позволяет детектировать только одну линию поглощения СО без помех, вызванных влиянием линий поглощения воды и углекислого газа. Однако, газоанализаторы на основе диодных лазеров имеют ряд особенностей, ограничивающих их применение. Такие газоанализаторы сложны в эксплуатации в полевых условиях (криогенная техника, чувствительность к вибрациям и т.п.) и для их обслуживания необходим специально обученный высококвалифицированный персонал. Более приемлемым вариантом для дистанционного контроля монооксида углерода был бы газоанализатор на основе перестраиваемого по длине волны импульсного оптического параметрического генератора. Однако в диапазоне 4,5 – 5 мкм на сегодняшний день нет оптических параметрических генераторов с приемлемыми (для задачи дистанционного контроля выбросов монооксида углерода) спектральными и энергетическими характеристиками. Другим возможным вариантом является использование для контроля выбросов СО полосы поглощения около 2,3 мкм. В спектральном диапазоне около 2,3 мкм есть перестраиваемые по длине волны импульсные оптические параметрические генераторы с достаточно большой энергией в импульсе (что нужно для дистанционного зондирования). Например, Opolette HE 532 LD [17] со спектральным диапазоном перестройки 680-2400 нм, спектральной шириной линии 10-15 см1 , пиковой энергией в импульсе 2 мДж (на длине волны 2,3 мкм), длительностью импульса 6 нс, частотой повторения 20 Гц в устойчивом к внешним воздействиям компактном корпусе. Спектр поглощения СО в спектральном диапазоне около 2,3 мкм (4300 см1 ) показан (в логарифмическом масштабе) на рисунке 5. Основными атмосферными газами, мешающими измерению СО в этом спектральном диапазоне, также являются водяной пар ( H 2 O ) и двуоксид углерода ( CO2 ). Спектры их поглощения приведены (в логарифмическом масштабе) на рисунках 6 и 7.

Радиостроение

Рис. 5. Интенсивность спектральных линий монооксида углерода в диапазоне 2,2-2,5 мкм

Рис. 6. Интенсивность спектральных линий водяного пара в диапазоне 2,2-2,5 мкм

Рис. 7. Интенсивность спектральных линий двуоксида углерода в диапазоне 2,2-2,5 мкм

Радиостроение

Видно, что в рассматриваемом спектральном диапазоне ситуация тоже не простая. Двуокись углерода не оказывает мешающего влияния на измерения СО, но водяной пар имеет спектральные линии сравнимые (с даже большие) со спектральными линиями СО (да и линий водяного пара явно больше). Однако, это сравнение спектров монооксида углерода и водяного пара относится к фоновым условиям атмосферы и можно ожидать, что в условиях антропогенных выброс (когда концентрация СО может быть на пять порядков больше фоновой) использование полосы поглощения около 2,3 мкм даст хорошие результаты. При выборе длин волн зондирования используем спектр СО и учтем, что спектральная ширина линии источника широкая – 10 см1 . Для работы метода дифференциального поглощения выбираем одну длину волны излучения источника в максимуме поглощения СО – 1 =4295 см1 (линия излучения - 4290 – 4300 см1 или 2,33100 – 2,3255814 мкм), а другую длину волны выбираем вне линии поглощения СО -  2 = 4370 см1 (линия излучения - 4365 – 4375 см1 или 2,290950 – 2,2857142 мкм). На рисунке 8 показан спектр поглощения монооксида углерода в пределах линии излучения источника 4290 – 4300 см1 (2,33100 – 2,3255814 мкм).

Рис. 5 Спектр поглощения монооксида углерода в пределах линии излучения источника 4290 – 4300

см1

Отметим, что выбранные для лазерного зондирования длины волн находятся в безопасном для глаз спектральном диапазоне [18,19].

2. Обнаружение выбросов монооксида углерода в моностатической схеме зондирования Считаем, что мониторинг выбросов СО происходит с летательного аппарата (см. рисунок 9).

Радиостроение

Рис.9. Схема вертикального однопозиционного зондирования. 2 и , 2 п - углы расходимости лазерного источника и поля зрения приемника; О – облако выброса;

- земная поверхность

При использовании для мониторинга выбросов монооксида углерода метода ДП с рассеянием от земной поверхности (или любого отражателя, например, крыши дома) выражения для мощности сигналов P(1 ) и P( 2 ) , принимаемых лидаром имеют вид (отражающую поверхность полагаем ламбертовской) [7]: a a TTTA CO H2O CO (1) P(1) ; и п п и а exp{2H[ cf (1, z)  cf (1, z)]  2Hcv (1, z)} 2 2 2 H (и  п )

P(2 ) ; где a и 

и2

a иa пTпTиTа A

H (и2  п2 ) 2

H2O exp{2Hcf (2 , z)}

(2)

; a п  rп2 ; Cи,п  ( и,п H)2 ; H - высота расположения лидара; A - коэф-

фициент отражения поверхности; Po - мощность лазерного источника; Tп , Tи - пропускание приемной и передающей оптики лидара; CO cf (1, z) - средний (в пределах спектральной линии излучения источника с центральной длиной волны 1 ) коэффициент фонового H2O поглощение СО; cf (1, z) - средний (в пределах спектральной линии излучения источ-

ника с центральной длиной волны 1 ) коэффициент фонового поглощение H 2 O ; CO cv (1, z) - средний (в пределах спектральной линии излучения источника с центральной

длиной волны 1 ) коэффициент поглощение СО в выбросе с (учетом содержания СО в H2O выбросе); cf ( 2 , z) - средний (в пределах спектральной линии излучения источника с центральной длиной волны  2 ) коэффициент фонового поглощение H 2 O ; rп - радиус

главного зеркала приемной оптики; Tа - пропускание аэрозольной атмосферы на трассе «лидар –поверхность». Радиостроение

При получении формул (1) и (2) учитывали, что влияние мешающих газовых составляющих атмосферы проявляется только во влиянии водяного пара. Полагали также, что длины волн 1 и  2 настолько близки, что все характеристики источника, приемника, поверхности и аэрозольной атмосферы практически одинаковы на этих длинах волн. Геометрические параметры показаны на рисунке 9. Отношение мощностей сигналов P(1 ) и P( 2 ) является информационным параметром, который может быть использован для мониторинга выбросов монооксида углерода: R

H2O CO P(1) exp{2H[ CO cf (1, z)  cf (1, z)]  2Hcv (1, z)}  H2O P( 2 ) exp{2Hcf ( 2 , z)}

(3)

Ниже в Таблице 3 приведены результаты расчетов информационного параметра R при разных размерах выброса и разном содержании в выбросе монооксида углерода. Расчеты проводились для высоты H равной 1 км. Фоновое содержание паров воды – 1%, монооксида углерода – 0,0001%. Процентное содержание монооксида углерода в выбросе считалось постоянным. Давления на высотах до 1 км принималось равным приземному, так как давление в атмосфере убывает с высотой довольно медленно – с характерным масштабом ~ 8 км. Значение информационного параметра R фон в случае отсутствия выбросов равно

R фон  0,959. Таблица 3. Значение параметра R для разных размеров выброса и разном содержании в выбросе монооксида углерода Толщина слоя выброса, м 100 50 20 10 5 2,5 1

Содержание СО, % 10

0,5

0,1

0,01

< 0,001 < 0,001 < 0,001 0,010 0,100 0,309 0,610

< 0,001 < 0,001 0,010 0,100 0,310 0,545 0,765

0,010 0,100 0,388 0,610 0,765 0,857 0,917

0,100 0,310 0,610 0,765 0,857 0,906 0,938

0,610 0,765 0,876 0,917 0,938 0,948 0,955

0,917 0,938 0,950 0,955 0,957 0,958 0,959

Сравнение параметра R в Таблице 3 с фоновым значением параметра R фон показывает возможность мониторинга выбросов монооксида углерода в зависимости от размера выброса в диапазоне типичных значений содержания СО в выбросе. Для количественной оценки надежности обнаружения выбросов монооксида углерода было проведено математическое моделирование. Проводилось вычисление вероятности правильного обнаружения выброса Pпо (обнаружение выброса, когда он есть в действительности) и вероятности ложных тревог Pлт (обнаружение выброса, когда его в действительности нет). Моделирование было проведено по 105 шумовых реализаций. ПолагаРадиостроение

лось, что шум измерения распределен по гауссовскому закону со средним значением равным нулю и относительным среднеквадратическим отклонением в диапазоне от 1 до 5 %. Решение об обнаружение выброса монооксида углерода принималось, когда значение информационного параметра R было больше порогового (пороговое значение принималось равным среднему между значениями R фон и R). Результаты математического моделирования вероятностей Pпо и Pлт приведены в таблице 4 при разных размерах выброса и разном содержании СО в выбросе. Таблица 4. Значение вероятности Pпо для шума измерения 1 % Толщина

Содержание СО, %

слоя вы-

0,1

0,01

более 0,999 более 0,999 более 0,999 более 0,999

более 0,999 более 0,999 0,999 0,939

более 0,999 0,933 0,587 0,516

броса, м 100 50 10 5

Таблица 5. Значение вероятности Pлт для шума измерения 1 % Толщина слоя выброса, м 100 50 10 5

Содержание СО, % 5

0,1

0,01

менее 0,001 менее 0,001 менее 0,001 менее 0,001

менее 0,001 менее 0,001 0,015 0,144

0,016 0,135 0,424 0,466

Таблица 6. Значение вероятности Pпо для разных размеров выброса и разном содержании в выбросе монооксида углерода для шума измерения 3 % Толщина слоя выброса, м 100 50 10 5

Содержание СО, % 5

0,1

0,01

более 0,999 более 0,999 более 0,999 более 0,999

более 0,999 более 0,999 0,845 0,684

0,854 0,69 0,53 0,506

Таблица 7. Значение вероятности Pлт для разных размеров выброса и разном содержании в выбросе монооксида углерода для шума измерения 3 % Толщина слоя выброса, м 100 50 10 5

Содержание СО, % 5

0,1

0,01

менее 0,001 менее 0,001 менее 0,001 менее 0,001

менее 0,001 0,001 0,234 0,358

0,233 0,355 0,463 0,480

Радиостроение

Результаты, приведенные в Таблицах 4-7, показывают, что при содержании в выбросе СО не менее 0,1 % задача обнаружения выбросов монооксида углерода может быть решена с вероятность правильного обнаружения не менее 0,845 и вероятностью ложных тревог не более 0,234 для размеров облака выбросов более 10 м. При содержании в выбросе СО не менее 1 % и размерах облака выбросов более 5 м выбросы монооксида углерода могут быть уверенно обнаружены с вероятность правильного обнаружения более 0,999 и вероятностью ложных тревог менее 0,001.

Заключение Проведен анализ возможностей дистанционного лазерного абсорбционного метода обнаружения выбросов монооксида углерода в атмосфере. Приведена оценка информационного параметра, измеряемого дистанционным лазерным газоанализатором в полосе поглощения монооксида углерода около 2,3 мкм. Показано, что при содержании в выбросе СО не менее 0,1 % задача обнаружения выбросов монооксида углерода может быть решена с вероятность правильного обнаружения не менее 0,845 и вероятностью ложных тревог не более 0,234 для размеров облака выбросов более 10 м. При содержании в выбросе СО не менее 1 % и размерах облака выбросов более 5 м выбросы монооксида углерода могут быть уверенно обнаружены с вероятность правильного обнаружения более 0,999 и вероятностью ложных тревог менее 0,001.

Список литературы 1. Demtroeder W. Laser spectroscopy: Basic concepts and instrumentation. 3rd ed. B.; N.Y.: Springer, 2003. 987 p. 2. Avetisov V., Bjoroey O., Junyang Wang, Geiser P., Paulsen K.G. Hydrogen sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy // Sensors. 2019. Vol. 19. No. 23. Article 5313. DOI: 10.3390/s1923513 3. Liang Mei, Somesfalean G., Svanberg S. Pathlength determination for gas in scattering media absorption spectroscopy // Sensors. 2014. Vol. 14. No. 3. Pp. 3871-3890. DOI: 10.3390/s140303871 4. Persson L., Lewander M., Andersson M., Svanberg K., Svanberg S. Simultaneous detection of molecular oxygen and water vapor in the tissue optical window using tunable diode laser spectroscopy // Applied Optics. 2008. Vol. 47. No. 12. Pp. 2028-2034. DOI: 10.1364/AO.47.002028 5. Haesunk Park, Kwangchil Lee, Gumin Kang, Soonho Song, Youngjean Jung, Kyoungsik Kim, Jinsu Bae, Jonghak Lee, Hyongkuk Park. Reliable optical measurement of water vapor in highly scattering environment // Spectrochimica Acta A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2009. Vol. 72. No. 3. Pp. 510-514. DOI: 10.1016/j.saa.2008.10.022 6. Berezin A.G., Ershov O.V., Nadezhdinskii A.I. Trace complex-molecule detection using nearIR diode lasers // Applied Physics B. 2002. Vol. 75. No. 2-3. Pp. 203-214. DOI: 10.1007/s00340-002-0968-7 Радиостроение

7. Основы количественного лазерного анализа: учеб. пособие / В.И. Козинцев и др. М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 464 с. 8. Чернецов Д.А. Токсичность отработавших газов дизелей и их антропогенное воздействие // Вопросы современной науки и практики. 2010. № 10-12(31). С. 54-59. 9. Чернецов Д.А. Загрязнение окружающей среды сельскохозяйственной техникой // Вопросы современной науки и практики. 2011. №1(32). С. 23-27. 10. Альферович В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учебно-метод. пособие: В 2-х ч. Ч. 1: Анализ состава отработавших газов. Минск: Изд-во БНТУ, 2016. 54 с. 11. Контроль токсичности отработавших газов дизельного двигателя. Режим доступа: http://stroy-technics.ru/article/kontrol-toksichnosti-otrabotavshikh-gazov-dizelnogo-dvigatelya (дата обращения: 02.04.2020). 12. High-resolution spectral modeling. Режим доступа: https://www.spectralcalc.com/spectral_browser/db_intensity.php (дата обращения 02.04.2020). 13. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.-P., Chance K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Mandin J.-Y., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Miller C.E., Moazzen-Ahmadi N., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V.I., Perrin A., Predoi-Cross A., Rinsland C.P., Rotger M., Simeckova M., Smith M.A.H., Sung К., Tashkun S.A., Tennyson J., Toth R.A., Vandaele A.C., Auwera J.V. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2009. Vol. 110. No. 9-10. Pp. 533-572. DOI: 10.1016/j.qsrt.2009.02.013 14. Baldacchini G., D’Armato F., De Rosa M., Nadezhdinskii A.I., Lemekhov N., Sabolev N. Measurement of atmospheric CO concentration with tunable diode laser // Infrared Physics & Technology. 1996. Vol. 37. No. 1. Pp.1-5. DOI: 10.1016/S1350-4495(97)80762-1 15. Надеждинский А.И. Диодная лазерная спектроскопия: Современные тенденции // Диодная лазерная спектроскопия. М.: ИОФ АН СССР, 1990. С. 7-38. 16. Степанов Е.В. Высокочувствительный газоанализ на основе импульсных диодных лазеров // Диодная лазерная спектроскопия. М.: ИОФ АН СССР, 1990. С. 141-167. 17. Opolette TM 532 / OPOTEK tunable laser systems LLC. Режим доступа: https://www.opotek.com/wp-content/uploads/2018/08/2002d0118-Opolette-532-data-sheet.pdf (дата обращения 02.04.2020). 18. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2013. 19 с. 19. Corbett J., Woods M. UV laser radiation: skin hazards and skin protection controls // Intern. laser safety conf.: ILSC 2013 (Orlando, FLA, USA, March 18-21, 2013): Conf. program & proc. Laser Inst. of America, 2013. Pp. 1-8.

Радиостроение

Radio Engineering, 2020, no. 03, pp. 20â&#x20AC;&#x201C;34. DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000170 Received:

05.04.2020

ÂŠ M.L. Belov, Ya.E. Drachennikova, V.A. Gorodnichev

Laser Remote Sensing Method of Carbon Monoxide Emissions Detection M.L. Belov1,*, Ya.E. Drachennikova1, V.A. Gorodnichev1 1

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: laser remote sensing method, detection of carbon monoxide emissions

Monitoring of atmospheric gas pollution is one of the most important environmental target. Laser methods are the most effective for remote operational monitoring of atmospheric pollution. One of the most important air pollutants is carbon monoxide. The article analyzes the possibility of laser remote sensing method of carbon monoxide emissions detection in atmosphere. The information parameter measured by the remote sensing laser gas analyzer was assessed for absorption band of carbon monoxide near 2,3 Îźm. The information parameter that can be used for monitoring monoxide emissions is the ratio of the power of laser signals at the wavelengths 4295 cm-1 and 4370 cm-1. Results of calculations of the information parameter for different sizes of emissions (from 1 m to 100 m) and different content of carbon monoxide in the emission (from 0.01 % to 10 %) were showed. Comparing the information parameter R with its background value shows that carbon monoxide emissions can be monitored. Mathematical modeling was performed for quantitative estimation the reliability of detecting carbon monoxide emissions. The probability of correctly emission detecting (emission detecting when there is one) and the probability of false alarms (emission detecting when there is none) were calculated. Mathematical modelling shows that a laser gas analyzer allows us to detect the carbon monoxide emissions with correct detection probability not less 0,845 and false alarm probability no more 0,243 for carbon monoxide emissions with gas concentration not less 0,1 % and dimension of emissions cloud not less 10 m. For carbon monoxide emissions with gas concentration not less 1 % and dimension of emissions cloud not less 5 m a laser gas analyzer allows us to detect the carbon monoxide emissions with correct detection probability not less 0,999 and false alarm probability no more 0,001. Radio Engineering

References 1. Demtroeder W. Laser spectroscopy: Basic concepts and instrumentation. 3rd ed. B.; N.Y.: Springer, 2003. 987 p. 2. Avetisov V., Bjoroey O., Junyang Wang, Geiser P., Paulsen K.G. Hydrogen sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy. Sensors, 2019, vol. 19, no. 23, article 5313. DOI: 10.3390/s1923513 3. Liang Mei, Somesfalean G., Svanberg S. Pathlength determination for gas in scattering media absorption spectroscopy. Sensors, 2014, vol. 14, no. 3, pp. 3871-3890. DOI: 10.3390/s140303871 4. Persson L., Lewander M., Andersson M., Svanberg K., Svanberg S. Simultaneous detection of molecular oxygen and water vapor in the tissue optical window using tunable diode laser spectroscopy. Applied Optics, 2008, vol. 47, no. 12, pp. 2028-2034. DOI: 10.1364/AO.47.002028 5. Haesunk Park, Kwangchil Lee, Gumin Kang, Soonho Song, Youngjean Jung, Kyoungsik Kim, Jinsu Bae, Jonghak Lee, Hyongkuk Park. Reliable optical measurement of water vapor in highly scattering environment. Spectrochimica Acta A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2009, vol. 72, no. 3, pp. 510-514. DOI: 10.1016/j.saa.2008.10.022 6. Berezin A.G., Ershov O.V., Nadezhdinskii A.I. Trace complex-molecule detection using nearIR diode lasers. Applied Physics B, 2002, vol. 75, no. 2-3, pp. 203-214. DOI: 10.1007/s00340002-0968-7 7. Osnovy kolichestvennogo lazernogo analiza [Fundamentals of quantitative laser analysis]: a textbook / V.I. Kozintsev a.o. Moscow: BMSTU Publ., 2006. 464 p. (in Russian). 8. Chernetsov D.A. Toxicity of the fulfilled gases of diesel engines and their anthropogenous effect. Voprosy sovremennoj nauki i praktiki [Problems of Contemporary Science and Practice], 2010, no. 10-12(31), pp. 54-59 (in Russian). 9. Chernetsov D.A. Environmental pollution from agricultural machinery. Voprosy sovremennoj nauki i praktiki [Problems of Contemporary Science and Practice], 2011, no. 1(32), pp. 23-27 (in Russian). 10. Al’ferovich V.V. Toksichnost’ dvigatelej vnutrennego sgoraniia. Chast’ 1: Analiz sostava otrabotavshikh gazov [Toxicity of compression ignition engines: a textbook. In 2 parts. Pt. 1: Analysis of exhaust gas composition]. Minsk: BNTU Publ., 2016. 54 p. (in Russian). 11. Kontrol’ toksichnosti otrabotavshikh gazov dizel’nogo dvigatelia [Control of toxicity of exhaust gases of diesel engine]. Available at: http://stroy-technics.ru/article/kontrol-toksichnostiotrabotavshikh-gazov-dizelnogo-dvigatelya, accessed 02.04.2020 (in Russian). 12. High-resolution spectral modeling. Available at: https://www.spectralcalc.com/spectral_browser/db_intensity.php , accessed 02.04.2020. 13. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.-P., Chance K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Radio Engineering

Mandin J.-Y., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Miller C.E., Moazzen-Ahmadi N., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V.I., Perrin A., Predoi-Cross A., Rinsland C.P., Rotger M., Simeckova M., Smith M.A.H., Sung К., Tashkun S.A., Tennyson J., Toth R.A., Vandaele A.C., Auwera J.V. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database. J. of Quatitative Spectrosopy and Radiative Transfer, 2009, vol. 110, no. 9-10, pp. 533-572. DOI: 10.1016/j.qsrt.2009.02.013 14. Baldacchini G., D’Armato F., De Rosa M., Nadezhdinskii A.I., Lemekhov N., Sabolev N. Measurement of atmospheric CO concentration with tunable diode laser. Infrared Physics & Technology, 1996, vol. 37, no. 1, pp. 1-5. DOI: 10.1016/S1350-4495(97)80762-1 15. Nadeghdinskii А.I. Diodnaia lazernaia spektroskopiia: Sovremennye tendentsii [Diode laser spectroscopy. Contemporary trends]. Diodnaia lazernaia spektroskopiia [Diode laser spectroscopy]. Moscow, 1990. Pp. 7-38 (in Russian). 16. Stepanov E.V. Vysokochuvstvitel’nyj gazoanaliz na osnove impul’snykh diodnykh lazerov [Highly-sensitive gas analysis on the basis of pulse diode lasers]. Diodnaia lazernaia spektroskopiia [Diode laser spectroscopy]. Moscow, 1990. Pp. 141-167 (in Russian). 17. Opolette TM 532 / OPOTEK tunable laser systems LLC. Available at: https://www.opotek.com/wp-content/uploads/2018/08/2002d0118-Opolette-532-data-sheet.pdf, accessed 02.04.2020. 18. GOST 31581-2012. Lazernaia bezopasnost’. Obshchie trebovaniia pri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij. Vveden 2015-01-01 [All-Union State Standard 31581-2012. Laser safety. General safety requirements for development and operation of laser products. 2015-01-01]. Moscow: Standartinform Publ., 2013. 19 p. (in Russian). 19. Corbett J., Woods M. UV laser radiation: skin hazards and skin protection controls. Intern. laser safety conf.: ILSC 2013 (Orlando, FLA, USA, March 18-21, 2013): Conf. program & proc. Laser Inst. of America, 2013. Pp. 1-8.

Radio Engineering

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 03. С. 35–43 DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000172 Представлена в редакцию:

06.04.2020

УДК 535.41, 520.362

Разработка информационно-измерительного комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн Голяк И.С.1,2,*, Морозов А.Н.1,2, Назолин А.Л.1,2, Табалин С.Е.1,2 1

АО «ЦПФ МГТУ», Москва, Россия МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В работе описывается информационно-измерительный комплекс для отработки методики регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени и его основные элементы. Комплекс состоит из двух идентичных макетов, построенных на базе интерферометра Фабри-Перо с высокоотражающими зеркалами и двухметровым резонатором. В качестве лазера накачки используется твердотельный Nd:YAG лазер с длиной волны λ = 1064 нм. Регистрация сигнала осуществляется с помощью InGaAs приемника DET10N2, с рабочей спектральной областью 500-1700 нм и размером активной области 0,8 мм2. Приводится описание системы синхронизации, которая с большой точностью обеспечит привязку к мировому времени и позволит с минимальной временной задержкой считывать данные с нескольких детекторов. Ключевые слова: система синхронизации, интерферометр Фабри-Перо, низкочастотный оптический резонанс, гравитационно-волновые возмущения, высокочастотные гравитационные детекторы

Введение Поиск гравитационных волн осуществляется в рамках таких международных проектов как LIGO (США), VIRGO (Италия, Франция), TAMA-300 (Япония), GEO 600 (Германия) и др. [1–4]. Данные проекты направлены на решение задачи регистрации коротких всплесков гравитационных волн, возникающих при достаточно редких астрофизических событиях. При этих событиях генерируются гравитационные волны, имеющие частоты в диапазоне 100 – 1000 Гц. Современные космологические теории предсказывают существование высокочастотных реликтовых гравитационных волн, возникающих на первоначальной стадии формирования Вселенной [5, 6]. Для таких волн должно наблюдаться достаточно резкое возРадиостроение

растание спектральной плотности энергии гравитационных волн для частот 105 – 1010 Гц [7–9]. Для регистрации указанных гравитационных волн необходима разработка специальных, высокочастотных гравитационных детекторов. Для подтверждения регистрации высокочастотных гравитационных волн необходимым условием является одновременное обнаружение на нескольких независимых детекторах. Для этого детекторы должны быть с большой точностью синхронизированы между собой. Идея применения интерферометра Майкельсона для регистрации гравитационных волн была предложена в работе [10]. В настоящее время она используется во всех лазерных интерференционных гравитационных антеннах, в которых в плечах интерферометра Майкельсона располагаются интерферометры Фабри–Перо. Возможность регистрации высокочастотных гравитационных волн с помощью интерферометра Фабри-Перо обосновывается в работах [11–14].

1. Описание разрабатываемого макета информационно-измерительного комплекса Для отработки методов регистрации высокочастотных гравитационных волн и согласования системы управления и обработки экспериментальной информации был собран макет на основе интерферометров Фабри-Перо и проведены работы по его настройке. Схема комплекса для отработки методов регистрации высокочастотных гравитационных волн изображена на рис.1. Комплекс состоит из двух идентичных макетов, построенных на базе интерферометров Фабри-Перо. Для отработки информационного обмена на первом этапе макеты предполагается расположить в непосредственной близости друг от друга в одном помещении, а затем, разнести их на достаточное расстояние. В качестве лазера накачки используется твердотельный Nd:YAG лазер (1) с длиной волны λ = 1064 нм. Излучение от Nd:YAG лазера (1) проходит через диафрагму (2), размером 0,5 мм, расширитель пучка (3), на котором происходит увеличение в 20 раз, и попадает на юстировочное зеркало (4). Отражаясь от зеркала (4) излучение попадает в интерферометр Фабри-Перо (5). При многократном отражении излучения от зеркал интерферометра на фотоприемнике (6) формируется изображение интерференционных колец. Получаемый сигнал с приемника передается в систему сбора данных и предварительной обработки (7). После этого сигнал с каждого макета передается в блок обработки (8) для дальнейшего анализа. Для обеспечения синхронного считывания данных на двух макетах предполагается использование системы синхронизации (9). Лазер (1) построен на основе кольцевой схемы с однонаправленной бегущей волной для одночастотного режима работы. К преимуществам такой схемы относится устранение эффекта пространственной неоднородности насыщения усиления, который приводит к многомодовому режиму генерации. В лазере предусмотрена возможность стабилизации частоты за счет реализации в его конструкции двух пьезокерамик. Основные характеристики лазера приведены в табл. 1. Радиостроение

Рис. 1. Схема комплекса для отработки регистрации гравитационных волн 1 – Nd:YAG лазер 1064 нм, 2 – диафрагма, 3 – расширитель пучка, 4 – юстировочное зеркало, 5 – интерферометр Фабри-Перо, 6 – приемник DET10N2, 7 – система сбора данных, 8 – система обработки данных, 9 – система синхронизации

Таблица 1. Характеристики лазерного источника излучения Выходная мощность лазера (λ=1064 нм) Модовый состав Поляризация на длине волны 1064 нм

1 Вт TEM00 линейная

Ширина линии

10 кГц

Область свободной дисперсии лазера

2,4 ГГц

Чувствительность температурной перестройки

Радиостроение

0,005 нм/С

На выходе из Nd:YAG лазера наблюдается расходящийся поток излучения. Для оценки параметров лазерного излучения определялась расходимость по двум координатам в зависимости от расстояния. На рис. 2 представлены графики изменения ширины пучка по координате X (а) и Y (б). Из приведенных данных видно, что при увеличении расстояния на 30 см ширина пучка увеличивается почти в два раза.

Рис. 2. Измеренный диаметр пучка в плоскостях X (а) и Y (б) в зависимости от расстояния

Для уменьшения расходимости лазерного излучения и одновременно увеличения диаметра пучка на выходе из лазера устанавливается расширитель пучка с двадцатикратным увеличением, оптимизированный на рабочую длину волны лазера 1064 нм (расширитель - 1064nm Vega™ Nd:YAG Laser Line Beam Expander). В качестве резонатора интерферометра Фабри-Перо было выбрано основание от HeNe лазера ЛГН-222 с длиной плеча 2 м. Инваровый стержень в конструкции оптического резонатора обеспечивает жесткость и большую стабильность за счет малого температурного коэффициента линейного расширения материала. Для обеспечения многократного отражения в интерферометре в качестве зеркал используются высококачественные зеркала с коэффициентом отражения 99,99 % на рабочей длине волны λ = 1064 нм. При регистрации высокочастотных гравитационных волн необходимо использовать приемник, имеющий полосу частот, ограниченную сверху частотой не менее 40 МГц. К приемнику так же предъявляются требования к хорошей чувствительности на длине волны 1064 нм. В качестве детектора используется InGaAs приемник DET10N2, с рабочей спектральной областью 500-1700 нм и размером активной области 0,8 мм2. Приемник позволяет обеспечить ширину полосы равную 70 МГц при нагрузке 50 Ом. Эквивалентная мощность шума (NEP) приемника составляет 2,0·10-14 Вт/Гц. Кривая чувствительности приемника от длины волны представлена на рис.3.

Радиостроение

Рис. 3. Спектральная чувствительность приемника DET10N2

2. Система сбора данных Данные с приемников поступают на двухканальную 12 разрядную плату аналогоцифрового преобразователя (АЦП) типа Ла-н20-12PCI в составе персонального компьютера. Плата в режиме реального времени осуществляет одновременное считывание сигналов по двум каналам с максимальной частотой дискретизации 50 МГц. В случае разнесения макетов используются два компьютера сбора данных. Синхронизация и связь компьютеров осуществляется через сеть Ethernet IEEE 802.3. В качестве системы синхронизации времени компьютеров, частоты дискретизации АЦП и момента начала записи данных с приемников предполагается использование одного или нескольких серверов точного времени типа МЕТРОНОМ PTP, реализующих протокол синхронизации IEEE 1588-2008 или Precision Time Protocol (PTP). Сервер РТР синхронизируется по сигналу ГЛОНАСС/GPS с атомными часами спутников, установленных на околоземной орбите. К его PTP порту подключаются компьютеры сбора данных. Часы компьютеров аппаратно синхронизируются с мировым временем UTС с погрешностью ±100 нс, а частота выходного сигнала сервера PTP 10 МГц устанавливается с погрешностью ±10-12 с. Выходная эталонная частота сервера PTP 10 МГц используемая как внешняя тактовая частота платы АЦП, а эталонная частота 1 Гц - для синхронизации момента одновременного начала записи данных приемников. Данная схема должна обеспечить погрешность синхронизации времени измерений с мировым временем UTС не более ±100 нс и относительную задержку взятия отсчетов между измерительными каналами не более ±2 отсчета эталонной частоты 10 МГц.

Радиостроение

Заключение В работе приведено описание информационно-измерительного комплекса для регистрации гравитационных волн и его составных частей. Так же приводиться описание системы сбора данных, которая должна обеспечить минимальную задержку между считываниями сигнала с двух интерферометров. Рассмотренная схема синхронизации времени и частоты разрабатываемого комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн должна обеспечить погрешность синхронизации времени измерений с мировым временем UTС не более ±100 нс и относительную задержку снятия отсчетов между измерительными каналами не более ±2 отсчета эталонной частоты 10 МГц. Исследование выполнено за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-29-11015 «Разработка макета комплекса для отработки процесса получения и обработки информации с комплекса лазерных интерференционных гравитационных антенн наземного и космического базирования»).

Список литературы 1. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory / B.P. Abbott, R. Abbott, R. Adhikari, P. Ajith, B. Allen et al. // Rep. Prog. Phys. 2009. Vol. 72. №. 7. P. 076901. 2. A state observer for the Virgo invented pendulum // Review of scientific instruments / T. Accadia, F. Acernese, P. Astone, G. Ballardin et al. 2011. V. 82. P. 094502. 3. Observation results by the TAMA300 detector on gravitational wave bursts from stellarcore collapses / M. Ando, K. Arai, Y. Aso, P.T. Beyersdorf et al. // Rhys. Rev. D. 2005. V. 71. №. 8. P. 082002-1-082002-17. 4. First long-term application of squeezed states of light in a gravitational-wave observatory // H. Grote, K. Danzmann, K.L. Dooley, R. Schnabel, J. Slutsky, H. Vahlbruch // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 181101-1-181101-5. 5. Li F., Tang M., Shi D. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models // Phys. Rev. D. 2003. V.67. P. 104008. 6. A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves / R.C. Woods, R.M.L. Baker, F. Li, G.V. Stephenson, E.W. Davis, A.W. Beckwith // J. of Modern Physics. 2011. №. 2. P. 498–518. 7. Boyle L.A., Steinhardt P.J., Turok N. The cosmic gravitational-wave background in a cyclic universe // Phys. Rev. D. 2004. V. 69. P. 127302. 8. Sa P.M., Henriques A.B. Gravitational-wave generation in hybrid quintessential inflationary models // Phys. Rep. D. 2010. V. 81. P. 124043. 9. Nishizawa A., Motohashi H. Constraint on reheating after f(R) inflation from gravitational waves // Phys. Rev. D. 2014. V. 89. P. 063541. Радиостроение

10. Пустовойт В.И., Герценштейн М.Е. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот // ЖЭТФ. 1962. Т. 43. Вып. 8. С. 605-607. 11. Есаков А.А., Морозов А.Н., Табалин С.Е., Фомин И.В. Применение низкочастотного оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, Сер. Естественные науки. 2015. № 1. С. 25-34. 12. Голяк Ил.С., Дворук С.К., Есаков А.А., Морозов А.Н., Пустовойт В.И., Строков М.А., Табалин С.Е. Разработка и создание макета для регистрации высокочастотных гравитационных волн // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 3. С. 40-47. 13. Морозов А.Н. Применение интерферометра Фабри-Перо для регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 5. С. 24. 14. Фомин И.В., Червон С.В., Морозов А.Н. Гравитационные волны ранней вселенной. М., Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2018. 154 с.

Радиостроение

Radio Engineering, 2020, no. 03, pp. 35–43. DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000172 Received:

06.04.2020

Information-Measuring Complex Development for Detecting High-frequency Gravitational Waves I.S. Golyak1,2,*, A.N. Morozov1,2, A.L.Nazolin1,2, S.E. Tabalin1,2 1

Center of Applied Physics Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: synchronization system, Fabry-Perot interferometer, low-frequency optical resonance, gravitational-wave perturbations, high-frequency gravitational detectors

Currently, there are several international projects aimed at gravitational-wave detection, such as LIGO (USA), VIRGO (Italy, France), TAMA-300 (Japan), GEO 600 (Germany), etc. Within the framework of abovementioned projects, detectors were developed to detect gravitational waves of rare astrophysical events in the frequency range of 100 - 1000 Hz. Modern cosmological theories predict the existence of high-frequency relic gravitational waves that appeared at the initial stage of the Universe formation. Their detection is possible owing to use of high-frequency gravitational detectors in the range of 105 – 1010 Hz. An essential detector component is a system of control and data processing, which allows us to synchronise data from several independent detectors. The paper describes an information-measuring complex to test a technique for detecting high-frequency fluctuations in the space-time metric and its main elements. The complex consists of two identical units based on the Fabry-Perot interferometer with highly reflective mirrors and a two-meter resonator. A solid-state Nd: YAG laser with a wavelength of λ = 1064 nm is used as a pump laser. The DET10N2 InGaAs detector with a working spectral region of 500-1700 nm and an active region of 0.8 mm2 provides signal detection The synchronisation system described in the paper allows us to read data from several independent detectors with a minimum time delay and at the same time to bind the time of detection to the world one.

References 1. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory / B.P. Abbott, R. Abbott, R. Adhikari, P. Ajith, B. Allen et al. // Rep. Prog. Phys. 2009. Vol. 72. №. 7. P. 076901. Radio Engineering

2. A state observer for the Virgo invented pendulum // Review of scientific instruments / T. Accadia, F. Acernese, P. Astone, G. Ballardin et al. 2011. V. 82. P. 094502. 3. Observation results by the TAMA300 detector on gravitational wave bursts from stellarcore collapses / M. Ando, K. Arai, Y. Aso, P.T. Beyersdorf et al. // Rhys. Rev. D. 2005. V. 71. №. 8. P. 082002-1-082002-17. 4. First long-term application of squeezed states of light in a gravitational-wave observatory // H. Grote, K. Danzmann, K.L. Dooley, R. Schnabel, J. Slutsky, H. Vahlbruch // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 181101-1-181101-5. 5. Li F., Tang M., Shi D. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models // Phys. Rev. D. 2003. V.67. P. 104008. 6. A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves / R.C. Woods, R.M.L. Baker, F. Li, G.V. Stephenson, E.W. Davis, A.W. Beckwith // J. of Modern Physics. 2011. №. 2. P. 498–518. 7. Boyle L.A., Steinhardt P.J., Turok N. The cosmic gravitational-wave background in a cyclic universe // Phys. Rev. D. 2004. V. 69. P. 127302. 8. Sa P.M., Henriques A.B. Gravitational-wave generation in hybrid quintessential inflationary models // Phys. Rep. D. 2010. V. 81. P. 124043. 9. Nishizawa A., Motohashi H. Constraint on reheating after f(R) inflation from gravitational waves // Phys. Rev. D. 2014. V. 89. P. 063541. 10. Pustovoit V.I., Gertsenshtein M.E. On the detection of low frequency gravitational waves // Sov. Phys. JETP. 1963. V. 16. №. 2. P. 433-435. 11. Esakov A.A., Morozov A.N., Tabalin S.E., Fomin I.V. Application of low-frequency optical resonance for detection of high-frequency gravitational waves // Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2015. № 1. P. 25-34 (in Russian). 12. Golyak I.S., Dvoruk S.K., Esakov A.A., Morozov A.N., Pustovoit V.I., Strokov M.A., Tabalin S.E. Development and Creation Model to Registration High-Frequency Gravitational Waves // J. Physical Bases of Instrumentation. 2016. V. 5. № 3. P. 40-47. (in Russian). 13. Morozov A.N. Fabry – Perot interferometer application for recording high-frequency fluctuations of space-time metrics // Engineering Journal: Science and Innovation. 2012. № 5. P. 24 (in Russian). 14. Fomin I.V., Chervon S.V., Morozov A.N. Gravitational Waves of the Early Universe. M., BMSTU, 2018. 154 p. (in Russian).

Radio Engineering