МОДЕЛЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АЭРОДРОМА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ПОСАДКЕ Российский патент 1995 года по МПК G09B9/08 

Изобретение относится к авиации и предназначено для выполнения визуальной посадки летательных аппаратов (ЛА) на подвижные посадочные площадки.

Известна модель осветительной системы аэродрома для обучения посадке, содержащая N оптических каналов различных спектральных диапазонов с параллельными оптическим осями, каждый из которых образован установленными последовательно рефлектором, источником излучения с регулятором мощности, светофильтром, объективом и блендой, закрепленными на платформе, при этом часть источников излучения выполнены импульсными, а остальные постоянными.

Однако эта система обеспечивает посадку ЛА на палубу только в простых метеоусловиях. Система не позволяет производить тренировочные полеты по оптической глиссаде при имитации видимости в сложных метеорологических условиях (СМУ).

Вокруг системы огней оптической посадки и освещенной палубы корабля вследствие повышенной влажности воздуха появляются цветные ореолы, затрудняющие процесс подсадки самолетов. В слабом тумане вокруг огней видны цветные круги эффект окрашивания и размывания огней. Это вызвано рефракцией на каплях воды или кристаллах льда, плавающих в атмосфере. Эти эффекты, а также турбулентность воздуха создают ночью сияние ореолов вокруг огней, а днем сияние бликов от солнца. Групповое опознание огней и тренировка в этих условиях требуют более точного измерения метеорологической дальности видимости и фотометрии, учета эффекта действующей турбулентности.

Задачей изобретения является создание модели осветительной системы аэродрома для обучения посадке, имитирующей приближенные к реальным сложные гидрометеоусловия с повышенной влажностью и турбулентностью.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является приближение условий обучения посадке на палубу корабля к реальным.

Технический результат достигается тем, что в модель осветительной системы аэродрома для обучения посадке введены дальномер, соединенный с задатчиком категорий видимости, выходы которого соединены с вычислителем запрета посадки и индикатором запрета посадки, фотометр, N вычислителей яркости источников света, N блоков измерения метеорологической дальности видимости для каждого спектрального диапазона, измеритель коэффициента яркости моря, измеритель турбулентности атмосферы, компаратор цвета, спектроанализатор, блок извлечения квадратного корня, сумматоры, полупрозрачные отражатели, следящие приводы рамок, светофильтров и диафрагм, а платформа снабжена связанными с задатчиками дифферента и крена корабля приводами, при этом задатчик категорий видимости, соединенный с вычислителем запрета посадки и первым входом второго сумматора, подключен к первым входам N первых сумматоров, вторые их входы соединены с N блоками определения метеорологической дальности видимости, третьи их входы соединены с выходами измерителя коэффициента поглощения атмосферы, выходы N первых сумматоров последовательно через N блоков деления соединены с первым входами вычислителей яркости источников света различного спектрального диапазона, выходы которых соединены со следящими приводами диафрагм N источников света, а вторые входы вычислителей соединены с третьими сумматорами, первые входы которых соединены с измерителем коэффициента яркости моря, вторые с фотометром, третьи с компаратором цвета, другие выходы которых соединены со следящими приводами фильтров переменной плотности различных спектральных диапазонов источников света, а входы оптически сопряжены через полупрозрачные отражатели и диафрагмы с источниками света, второй вход второго сумматора связан через блок извлечения квадратного корня с измерителем турбулентности, а выход второго сумматора связан с первым входом спектроанализатора, второй вход которого связан с датчиком дифферента корабля, а выход со следящими приводами рамок, в которых находятся следящие диафрагмы N источников света.

На фиг. 1 изображена общая схема модели осветительной системы аэродрома для обучения посадке; на фиг. 2 спектроанализатор; на фиг. 3 гидрофотометр измеритель коэффициента яркости моря; на фиг. 4 скаттерометр для измерения коэффициентов поглощения во влажной атмосфере; на фиг. 5 измеритель рассеяния турбулентной атмосферы; на фиг. 6 спектроанализатор возмущений.

Устройство для обучения посадке на палубу корабля содержит блок 1 пяти указательных огней красного постоянного и импульсного света, желтого и зеленого, а также огня запрета, источник 2 света "запрета посадки", N источников 3 света различного спектрального состава, следящий привод 4 для рамки, следящий привод 5 для светофильтра, следящий привод 6 для диафрагмы, компаратор 7 цвета для N источников света, датчик 8 крена судна, сервопривод 9, датчик 10 дифферента корабля, спектроанализатор 11, измеритель 12 турбулентности атмосферы, блок 13 извлечения квадратного корня, первый сумматор 14, фотометр 15, второй сумматор 16, измеритель 17 коэффициента яркости моря (гидрофотометр), вычислитель 18 силы (яркости) различных спектральных составов (красного, желтого и зеленого света), вычислить 19 силы красного импульсного света, N блока 20 деления, третий сумматор 21, N измерителей 22 метеорологической дальности видимости (прозрачности) для различного спектрального состава (желтого, зеленого и красного света), скаттерометр 23, дальномер 24, задатчик 25 категорий видимости, вычислитель 26 запрета посадки, ЛА 27, усилители 28, источник 29 света с отражателем, полупрозрачные отражатели 30, светофильтр 31, линзу 32, диафрагму 33, фотоэлементы 34, защитное стекло 35, диафрагму 36, серый светофильтр 37, вращающееся зеркало 38, электропривод 39 зеркала, диафрагму 40, защитное стекло 41, линзу 42, полупрозрачные зеркала 43 и 44, светофильтр 45 красного цвета, линзу 46, фотоэлемент 47, светофильтр 48 зеленого цвета, линзу 49, фотоэлемент 50, светофильтр 51 желтого цвета, линзу 52, фотоэлемент 53, серый светофильтр 54, полупрозрачное зеркало 55, диафрагму 56, защитное стекло 57, светоизлучающие когерентные светодиоды, линзу 59, волоконные световоды 60, линзу 61, светофильтры 62, 63 и 64 различного спектрального состава красного, желтого и зеленого цвета, линзу 65, интерференционные светофильтры 66, 67 и 68, светодиоды 69, 70 и 71 приемники лучистой энергии, синхронизированный пиковый детектор 72, фильтр 73, гелий-неоновый лазер 74, телескопическую систему 75, 76, коллиматорную линзу 77, щель 78, интерференционный фильтр 79, фотоэлектронный умножитель 80, сглаживающий фильтр 81, анализирующий фильтр 82, детектор 83, сглаживающий фильтр 84, сумматор 85, усилители 86 с переменными коэффициентами усиления, сумматор 87, формирующий фильтр 88, генератор 89 "белого шума".

Задатчик 25 категорий видимости (фиг. 1) соединен с вычислителем 26 запрета посадки и подключен к сумматорам 21 и далее последовательно соединен с блоками 20 деления и вычислителями 18 желтого, зеленого и красного света, соединенными с вычислителем 19 проблескового света, к сумматорам 21 подключены измерители 22 метеорологической дальности видимости соответствующих каналов, вторые входы сумматоров соединены с выходом скаттерометра 23, а измеритель 17 коэффициента яркости моря и фотометр 15 через сумматор 16 соединены с вычислителями 18 силы света указанных каналов, спектроанализатор 11 через сумматор 14 и блок 13 извлечения квадратного корня соединен с измерителем 12 турбулентности атмосферы и датчиком 10 дифферента корабля, а выход его соединен с дополнительными входами регуляторов источников 3 света.

Модель осветительной системы аэродрома работает следующим образом.

С помощью дальномера 24 (например, РЛС или оптического, измеряется расстояние L_с до летящего самолета, которое подается на задатчик 25 категорий видимости, в котором происходят установка L и сравнение L_c >> L, если L_c < L, то выдается команда "Запрет" на источник 2 света "запрета посадки". Задатчик 25 категорий видимости соединен с сумматорами 21, блоками 20 деления и вычислителями 18 силы света для различных спектральных составов.

Метеорологическая дальность видимости S_м, т.е. видимость черных объектов, расположенных у линии видимого горизонта, в условиях однородного дневного освещения для глаза, способного различать объекты с разницей 2% в кажущейся яркости, связана с коэффициентом ослабления α соотношением S 3,9/α
Дальность видимости огней в ночное время является функцией их интенсивности и пороговой освещенности, обнаруженной глазом.

Дальность видимости световых сигналов зависит от их силы света, расстояния от огня до летчика, величины пороговой освещенности, яркости фона, на котором наблюдается сигнал, и ослабления светового потока атмосферой.

Угловой размер светового сигнала на расстоянии L от летчика настолько мал, что его можно считать точечным источником света.

Видимость светового сигнала обуславливается освещенностью, создаваемой этим сигналом на зрачке глаза летчика, и определяется уравнением Алара.

Для определения дальности видимости проблесковых красных огней необходимо определение эффективной силы света силы света такого огня постоянного излучения, который имел бы одинаковую с ним дальность видимости.

Дальность видимости проблесковых огней рассчитывается по формуле Алара в вычислителе 19.

Если в атмосфере находится много водяных паров, то ослабление светового потока за счет истинного поглощения может быть значительным или превышать над рассеянием. Тогда величина ослабления видимости, выражаемая через показатель ослабления α слагается из рассеянной и поглощенной долей, поэтому в сумматорах 21 производится реализация данных зависимостей; коэффициент рассеяния определяется измерителем 22.

Коэффициент поглощения (экстинкции аэрозоля) измеряется с помощью скаттерометра 23, определяющего площадную концентрацию аэрозоля по интенсивности рассеяния света (фиг. 4).

Прибор, устанавливаемый на обрезе палубы измеряет общую энергетическую облученность (интенсивность) площадки, вызванную рассеянием частиц в объеме. Определяются распределения размеров мелких брызг вблизи поверхности моря из-за турбулентности потоков воздуха.

Частицы аэрозоля в открытом объеме освещаются светоизлучающими когерентными (импульсными лазерными) светодиодами 58, для чего поток лазерного излучения от данных светодиодов через линзы 59 вводятся в оптический волоконный светодиод 60, волновод является смесителем мод и поляризации для получения однородного пучка излучения. Расходящийся пучок света, покидающий световод 60, коллимируется линзой 61 в параллельный пучок, проходит через цветные светофильтры 62, 63 и 64. Рассеянное излучение собирается линзами 65 и подается через интерференционные светофильтры 66, 67 и 68 на светодиоды 69, 70 и 71 в узком интервале углов (15-35^о). Интерференционные светофильтры 66, 67 и 68 служат для минимизации влияния фонового излучения перед светодиодами (детекторами) 69, 70 и 71. закрыто экраном, чтобы на него не попадало прямое солнечное излучение и различные отражения от воды, и находится в водонепроницаемом корпусе.

Импульсы от светодиодов 69, 70 и 71 после усиления подаются на синхронизированный пиковый детектор 72, а после сглаживания фильтром 73 на фотометр 15.

Наблюдаемый объем определяется областью перекрытия поля зрения светодиодов 69, 70 и 71 и пучка лазерного световода.

Гидрофотометр 17, устанавливаемый на обрезе палубы, позволяет получать спектральные коэффициенты яркости моря, которые показывают распределение энергии в спектре излучения, выходящего из толщи моря (фиг. 3).

Видимая яркость морской поверхности складывается из яркости зеркального отражения граница-воздух, света солнца и небосвода и яркости света, диффузно отраженной толщи воды.

Световой пучок, идущий от моря, определяется спектральным составом восходящего излучения, попадающего в глаз. Полный поток складывается из отраженного света и света, рассеянного морем.

Коэффициент яркости моря определяется измерителем 17 коэффициента яркости моря. Световые потоки, проходящие через канал яркости неба, содержащий защитное стекло 35, диафрагму 36 и серый фильтр 37, канал яркости моря, содержащий диафрагму 40 и защитное стекло 41, канал освещенности поверхности моря, содержащий серый светофильтр 54, полупрозрачное зеркало 55, диафрагму 56 и защитное стекло 57, а также излучения контрольного канала светодиода поочередно направляются вращающимся зеркалом 38 на коллиматорную линзу 42. Далее поток света поступает на полупрозрачные зеркала (отражатели) 43 и 44 и светофильтры 45, 48 и 51 красного, зеленого и желтого цветов соответственно и далее через линзы 46, 29 и 52 на приемники излучения фотоэлементы (фотоэлектронные умножители) 47, 50 т 53, сигналы с которых подаются через усилители на входы третьего сумматора 21.

Яркость фона, на котором индицируются посадочные огни, измеряется с помощью фотометра 15, сигналы с которого поступают на первые входы второго сумматора 16, на вторые входы сумматора поступают сигналы с измерителя 17 коэффициента яркости моря.

Фотометр 15 состоит из вентильного фотоэлемента и устройства, измеряющего фототок. Сила тока зависит от величины светового потока, его спектрального состава и спектральной чувствительности приемника. В фотометрах обычно спектральный состав света при измерениях не меняется, тогда между световым потоком и фототоком устанавливается пропорциональность. Оптическая ось фотометра 15 направлена перпендикулярно оси гидрофотометра 17.

Оптическая система блок 1 указательных огней предназначен для перераспределения светового потока от источников света и вывода его в пространство по требуемому направлению по глиссаде посадки. Оптический блок 1 состоит из пяти рядов указательных источников 29 света с отражателями и последовательно расположенными полупрозрачными отражателями 30, светофильтрами 31, линзами 32, диафрагмами 33, рамками с приводом и блендой.

Цветность измерения источников 29 света (фиг. 2) определяется его спектральным составом. Заданному спектральному составу излучения соответствует единственно возможная цветность.

Цвет излучения источников 29 света характеризуется яркостью и цветностью, определяющее их действие на "средний" глаз. Цветность характеризуется цветовой тональностью и цветовой насыщенностью.

Измерение цвета в устройстве проводится методом компарирования. Компаратор 7 цвета (фиг. 2) количественно оценивает цветовое различие между двумя близкими по цвету потоками света. В основу положена двухлучевая оптическая схема.

Световой пучок от источника 29 света делится на 3 с помощью полупрозрачных отражателей 30 и далее направляется по каналам параллельными пучками, проходящими по пути измерительных диафрагм 33. Линзы 32 создают проекцию нити накала источника в плоскости фотоэлементов 34. Во второй ветви линза 32 проецирует выходное отверстие в виде равномерно освещенного пятна. Пучки света поступают на фотоэлементы 34. Спектральный состав источника 29 света откорректирован под стандартный источник света.

Сравнение потоков света производится за счет изменения положения светофильтра различной плотности. Фотоэлементы 34 соединены по дифференциальной схеме, их токи, протекающие через нагрузочное сопротивление R_н, имеют противоположные направления. Усилитель 28 увеличивает разность потенциалов на нагрузочном сопротивлении R_н. Измерение цветового различия при этом сводится к обработке сигналов, поданных с усилителя 28 на следящий сервопривод 5 перемещения N светофильтров 31.

Высокая турбулентность неоднородной атмосферы при движении корабля требует измерения ее параметров (одним из основных является структурная функция С_n², пропорциональная дисперсии возмущений).

Структурная характеристика определяется по ослаблению интенсивности пучка света, прошедшего измерительную трассу, совмещенную с трассой измерителя 22 метеорологической дальности видимости, в фокусе приемной коллиматорной линзы 77. При этом нарушается когерентность оптического поля после прохождения волной турбулентной среды, что вызывает уменьшение средней интенсивности в центре дифракционного изображения (фиг. 5).

Для турбулентной атмосферы на трассе длиной l в случае приема излучения точечным приемником системой с малым входным зрачком дисперсия равна
σ_м² 1,23С_n² ˙ K^7/6 ˙ l^11/6, где К
λ длина волны.

В качестве источника света используется гелий-неоновый лазер в режиме осевых колебаний. Излучение его коллимируется телескопической системой 75, 76.

После прохождения турбулентной трассы пучок света падает на коллиматорную линзу 77. Диаметр лазерного пучка примерно в 3 раза больше диметра приемной линзы 77. В фокальной плоскости этой линзы на ее оптической оси помещается вертикальная щель 78. Ширина ее в 3 раза меньше диаметра кружка Эйри коллиматорной линзы 77, а ее длина в 3 раза больше максимально возможно эффективного диаметра размытой турбулентностью дифракционной картины в фокальной плоскости.

Световой пучок через щель 78 попадает через интерференционный фильтp 79 на фотоэлектронный умножитель 80, сигнал с которого усредняется с помощью сглаживающего фильтра (RC-цепи) 81 и подается через блок 13 извлечения квадратного корня в первый сумматор 14, второй сумматор 16.

Качка колебательное движение, совершаемое судном относительно положения равновесия, возникает под действием гидродинамических сил, обусловленных возмущающим эффектом ветрового волнения. Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления, возникающими при повышении и понижении уровня воды на взволнованной поверхности. Килевая качка вращательные колебательные движения в продольной плоскости, вертикальная качка поступательное колебательное движение относительно плоскости ватерлинии, соответствующей статическому равновесию (не моделируется), качку характеризует амплитуда качки наибольшее отклонение судна от положения равновесия.

В условиях установившегося нерегулярного волнения любой вид колебаний судна, вызванный действием волн при неизменном режиме его движения, представляют собой стационарную случайную функцию времени.

Воспроизведение случайных колебаний с заданной спектральной плотностью на выходе резонансной динамической системы, каковой является УОППК, осуществляется с помощью формирующих фильтров 88 (фиг. 6), которые расщепляют исходный широкополосный процесс от генераторов 89 "белого шума" на узкополосные компоненты. Мощность сигнала в каждой узкой полосе частот регулируется усилителями 86 с переменным коэффициентом усиления (множительные устройства). Выходные сигналы суммируются в общем выходном сумматоре 87, на вход следящих приводов 4 подается широкополосный случайный процесс. Сигналы измерителя 12 турбулентности атмосферы, являющиеся источником случайных колебаний, разделяются на ряд узкополосных компонентов анализирующими фильтрами 82, идентичными формирующим. Выходные сигналы анализирующих фильтров детектируются детекторами 83, сглаживаются фильтрами 84 и таким образом получается оценка среднеквадратического сигнала в каждой частотной полосе, распределение напряжений которых характеризует текущую спектральную плотность колебаний в заданной точке. Сигналы сглаживающих 84 и формирующих 88 фильтров поступают на сумматоры 85 для формирования управляющих воздействий, посылаемых на усилители 86.

Изменение спектрального состава возмущений в зависимости от углового положения палубы позволяет более полно ввести возмущения в контур управления и тем самым повысить точность имитации видимости в СМУ.

Вычислитель 26 запрета посадки реализует ситуацию запрета подачей сигнала на источник 2 света "запрета посадки".

В определенной точке посадочной площадки устанавливается модель осветительной системы аэродрома для обучения посадке на гиростабилизированной платформе, привод которой соединен с датчиками 10 дифферента корабля. Пятиэтажная конструкция с посадочными огнями, направленными определенным образом, представляет систему оптических линейных ориентиров, геодезически "привязанную" к посадочной площадке. Система задает летчику навигационные параметры: курс посадки (курсовую плоскость), глиссаду снижения (глиссадную плоскость).

Использование: в авиации, в частности в устройствах для обучения посадке летательных аппаратов. Сущность изобретения: в модель осветительной системы аэродрома для обучения посадке, содержащую N оптических каналов различных спектральных диапазонов с параллельными оптическими осями, каждый из которых образован установленными последовательно рефлектором, источником узлучения с регулятором мощности, светофильтром, объективом и блендой, закрепленными на платформе, при этом часть источников излучения выполнены импульсными, остальные источники излучения постоянные, введены дальномер, соединенный с задатчиком категорий дальности видимости, выходы которого соединены с вычислителем и идкикатором запрета посадки, фотометр, N вычислителей яркости источников света, N блоков измерения метеорологической дальности видимости для каждого спектрального диапазона, измеритель коэффициента рассеяния атмосферы (скаттерометр), измеритель коэффициента яркости моря (гидрофотометр), измеритель турбулентности атмосферы, компаратор цвета, спектроанализатор, блок извлечения квадратного корня, сумматоры, полупрозрачные отражатели и следящие приводы, а платформа снабжена связанными с задатчиками дифферента и крена корабля приводами. 6 ил.

МОДЕЛЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АЭРОДРОМА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ПОСАДКЕ, содержащая N оптических каналов различных спектральных диапазонов с параллельными оптическими осями, каждый из которых образован установленными последовательно рефлектором, источником излучения с регулятором мощности, светофильтром, объективом и блендой, закрепленными на платформе, при этом часть источников излучения выполнены импульсными, а остальные постоянными, отличающаяся тем, что в нее введены дальномер, соединенный с задатчиком категорий видимости, выходы которого соединены с вычислителем запрета посадки и индикатором запрета посадки, фотометр, N вычислителей яркости источников света, N блоков измерения метеорологической дальности видимости для каждого спектрального диапазона, измеритель коэффициента рассеяния атмосферы, измеритель коэффициента яркости моря, измеритель турбулентности атмосферы, компаратор цвета, спектроанализатор, блок извлечения квадратного корня, сумматоры, полупрозрачные отражатели, следящие приводы рамок, светофильтров и диафрагм, а платформа снабжена связанными с задатчиками дифферента и крена корабля приводами, при этом задатчик категорий видимости, соединенный с вычислителем запрета посадки, и первым входом второго сумматора подключен к первым входам N первых сумматоров, вторые их входы соединены с N блоками определения метеорологической дальности видимости, третьи их входы соединены с выходами измерителя коэффициента поглощения атмосферы, выходы N первых сумматоров последовательно через N блоков деления соединены с первыми входами вычислителей яркости источников света различного спектрального диапазона, выходы которых соединены со следящими приводами диафрагм N источников света, а вторые входы вычислителей соединены с третьими сумматорами, первые входы которых соединены с измерителем коэффициента яркости моря, вторые с фотометром, третьи с компаратором цвета, выходы которого соединены со следящими приводами фильтров переменной плотности различных спектральных диапазонов источников света, а входы оптически сопряжены через полупрозрачные отражатели и диафрагмы с источниками света, второй вход второго сумматора связан через блок извлечения квадратного корня с измерителем турбулентности, а выход второго сумматора связан с первым входом спектроанализатора, второй вход которого связан с датчиком дифферента корабля, а выход со следящими приводами рамок, в которых находятся следящие диафрагмы N источников света.