Размещено на http://www.allbest.ru

ЦЕНТРАЛЬНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ НАВІГАЦІЇ І УПРАВЛІННЯ

УДК 535.42:534.231

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Акустооптичний метод підвищення швидкодії кореляційно-екстремальних систем самонаведення

Спеціальність 20.02.11 - засоби та методи військової навігації

Шевченко Олексій Валерійович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національній академії оборони України Міністерства оборони України

Науковий керівник: кандидат технічних наук Моргун Олександр Андрійович, Центральний науково-дослідний інститут навігації та управління, провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Купченко Леонід Федорович Харківський університет Повітряних Сил, професор кафедрі

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ільїн Олег Юрійович, Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління, провідний науковий співробітник,

кандидат технічних наук Богом'я Володимир Іванович, Київський оперативний центр Національного центру управління та випробувань космічних засобів НКАУ, провідний спеціаліст науково-дослідного відділу.

Захист відбудеться „14” вересня 2007 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.876.01 у Центральному науково-дослідному інституті навігації і управління за адресою: 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Центрального науково-дослідного інституту навігації і управління за адресою: 04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20

Автореферат розісланий „10” серпня 2007 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради К 26.876.01 В.П. Гарам

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з основних пріоритетів військово-технічної політики в Збройних Силах України є їх оснащення високоточними бойовими системами та комплексами. Система навігації є основною складовою, яка зумовлює точність наведення керованого засобу ураження. Це визначає необхідність проведення досліджень принципів побудови і методів використання засобів навігації, які підвищують точність і надійність навігаційних визначень з метою ефективного виконання бойових завдань.

Аналіз локальних війн і збройних конфліктів кінця ХХ - початку ХХІ століття показує, що відповідний відсоток невиконання бойових завдань високоточними засобами ураження пов'язаний з недоліками їх систем навігації, що зазнають впливу погодних умов та умов бойової обстановки, що склалася.

На сучасному етапі розвитку озброєння необхідне комплексне використання в високоточних засобах ураження основної системи навігації та додаткової кореляційно-екстремальної системи самонаведення (КЕ ССН) на ціль на кінцевій ділянці польоту керованого засобу ураження. Малий час, що відводиться на роботу КЕ ССН та системи навігації в цілому, накладає обмеження на час обробки поточного зображення та еталонного зображення у спеціалізованому обчислювачі (СО).

Аналіз часового інтервалу, що відводиться на операції перебирання еталонного зображення, прийняття рішення бортовою ЕОМ і керування польотом, показав, що необхідний час обробки зображень у СО не повинен перевищувати 0,4 с, що потребує від СО швидкодії близько 10¹¹-10¹² опер./с. Досягнення такої швидкості обробки інформації при існуючих обмеженнях за вартістю, розмірах та надійності для СО на базі електронних процесорів проблематично.

На цей час у провідних країнах світу ведеться розроблення процесорних елементів, що ґрунтуються на нових фізичних принципах. Перспективним напрямом, в якому ведуться дослідження в цій галузі, є фотоніка. Вона являє собою сукупність процесів та пристроїв, що використовують потоки світла та електронів для виконання функцій, звичайних для традиційних електронних компонентів. Достатньо широко вивчені можливості здійснення швидкого перемноження великих масивів дискретної інформації у різних типах акустооптичних (АО) процесорів і встановлена принципова можливість досягнення високих швидкостей виконання математичних операцій множення і додавання близько 10¹¹-10¹² опер./с, що перевищує можливості традиційних електронних процесорів.

Швидкодія практично реалізованих схем АО цифрових процесорів (АОЦП), які забезпечують високу точність проведення обчислювальних операцій, становить 10⁸-10⁹ опер./с. Забезпечити збільшення швидкості обробки інформації в обчислювальній системі можна шляхом розпаралелювання обчислювальних операцій. В АО процесорах це забезпечується шляхом застосування багаточастотного режиму роботи акустооптичної комірки. При цьому виникає ряд технічних труднощів, пов'язаних в основному з обопільним впливом сусідніх частот.

Характеристики АО пристроїв в основному визначаються умовами взаємодії світлової й ультразвукової хвиль (УЗХ). Зазвичай використовують умови бреггівської взаємодії, коли при куті Брегга максимальний перший порядок дифракції (перший бреггівський резонанс). Установлено, що шляхом зміни умов акустооптичної взаємодії, зокрема, під час взаємодії під подвійним кутом Брегга можна реалізувати умови, коли максимальний другий порядок дифракції (другий бреггівський резонанс). Одночасне використання в АО процесорі складових першого та другого порядків дифракції під час поширення в АО комірці ультразвукових коливань на кратних частотах дозволяє забезпечити підвищення швидкості обробки інформації без застосування багаточастотного режиму роботи АО комірки.

Властивості другого бреггівського резонансу достатньо повно вивчені у роботах С. П. Плахова, О. В. Єфімової, О. Г. Коробки, О. Л. Черкашиной, О. В. Ігнатьєва, Г. В. Рибалки. Але властивості акустооптичної взаємодії при одночасній реалізації умов першого і другого бреггівських резонансів не досліджувались.

Таким чином, актуальною є тема, яка полягає в розробленні методу підвищення швидкодії кореляційно-екстремальних систем самонаведення бойових систем і комплексів в інтересах підвищення точності і надійності навігаційних визначень.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводились відповідно до Державної програми реформування і розвитку Збройних Сил України на період до 2005 року, Державної програми розвитку Збройних Сил України на 2006-2011 рр.

Автор був виконавцем науково-дослідних робот “Псьол-Ц” (№ ДР 0101U000069) (2000-2002 рр.), “Атлант” (№ ДР 0101U000) (2002 р.), “Синтез” (№ ДР 0101U000366) (2004-2005 рр.), “Форсаж” (№ ДР 0101U000345) (2004-2005 рр.), “Відновлення” (№ ДР 0101U000402) (2005-2006 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення методу підвищення швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, що входять до складу КЕ ССН, в інтересах збільшення швидкості обробки зображень бортовими спеціалізованими обчислювачами систем навігації бойових систем та комплексів.

Для досягнення мети роботи були вирішені такі завдання:

досліджено особливості побудови бортових СО та проаналізовано шляхи підвищення їх швидкодії;

обґрунтовано та розроблено принципи побудови АОЦП з підвищеною швидкодією;

проведено експериментальні дослідження властивостей дифракційних складових першого і другого порядків при дифракції світла на ультразвукових хвилях з цілочисловим співвідношенням частот;

розроблено рекомендації щодо вибору структурної схеми спеціалізованого АОЦП з підвищеною швидкодією та режиму його роботи.

Об'єкт дослідження: акустооптичні цифрові процесори бортових спеціалізованих обчислювачів КЕ ССН систем навігації бойових систем та комплексів.

Предмет дослідження: швидкодія акустооптичних цифрових процесорів, що входять до складу бортових спеціалізованих обчислювачів КЕ ССН систем навігації бойових систем та комплексів.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використовуються електродинамічні методи розв'язання задачі дифракції на періодичних структурах. Для аналізу властивостей других порядків дифракції використовувалась теорія багатократного розсіювання на ультразвуковій хвилі. Під час дослідження дифракції світла на двох ультразвукових хвилях з кратними частотами використовувався метод безупинних дробів. Для перевірки результатів, отриманих теоретичним шляхом, проводилося фізичне моделювання акустооптичної взаємодії.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

1. Уперше розроблено метод підвищення швидкодії акустооптичних процесорів, що відрізняється від відомих тим, що ряд обчислювальних операцій переноситься з детекторної області обчислювача в область взаємодії світла з ультразвуковими хвилями. Це досягається шляхом одночасного використання бреггівських резонансів першого і другого порядків при кратних значеннях ультразвукових хвиль.

2. Одержало подальший розвиток розв'язання задачі дифракції світла на двох ультразвукових хвилях, що відрізняються частотою, у випадку, коли при взаємодії світла з ультразвуком реалізується перший або другий бреггівський резонанс в інтересах підвищення швидкодій АО цифрових процесорів.

3. Уперше отримано аналітичні вирази, що дозволяють оцінити вплив геометрії АО взаємодії на дифракційну ефективність другого порядку бреггівської дифракції. Показано, що складові другого порядку дифракції більшою мірою, ніж перші залежать від величини кутового розходження світлового й ультразвукового пучків.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений метод підвищення швидкодії забезпечує збільшення у 2 рази швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, що використовують перші і другі порядки бреггівської дифракції, коли частина обчислювальних операцій переноситься з детекторної області в область акустооптичної взаємодії. Реалізація пропозицій щодо підвищення швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, що входять до складу бортових спеціалізованих обчислювачів кореляційно-екстремальних систем самонаведення систем навігації бойових систем і комплексів, дозволяють забезпечити необхідний час обробки зображень у спецобчислювачі.

Отримані результати підтверджуються актами реалізації у Військовому науковому центрі космічних досліджень (при Харківському військовому університеті) під час виконання досліджень за замовленням Головного управління ракетних військ і артилерії, у розробках ВАТ “Спеціальне конструкторське бюро радіотехнічних пристроїв” дочірнього підприємства ДАХК “Топаз”, м. Донецьк, а також у навчальному процесі Національної академії оборони України. Впровадження отриманих результатів дозволяє обґрунтувати тактико-технічні характеристики акустооптичних процесорів і вимоги до їх архітектури для побудови бортових спеціалізованих обчислювачів кореляційно-екстремальних систем самонаведення систем навігації бойових систем і комплексів.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, отримані особисто автором у процесі виконання дисертаційної роботи, опубліковані у роботах [1-3]. У публікаціях, що були написані в співавторстві, здобувачу належить:

дослідження впливу розходження світлового й ультразвукового пучка на дифракційну ефективність просторових складових першого і другого порядків в акустооптичних процесорах, коли взаємодія світла з ультразвуковою хвилею відбувається під кутами кратними куту Брегга; одержання виразів, що дозволяють досліджувати властивості бреггівської дифракції в даному випадку [4]; розрахунок параметрів акустооптичної взаємодії (відносного показника заломлення Дn/n і частоти f₀) для одержання заданих значень дифракційної ефективності другого порядку бреггівської дифракції [5]; чисельний розрахунок максимальних значень дифракційної ефективності другого порядку бреггівської дифракції при одночасному мінімумі складової другого порядку [6].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на таких наукових конференціях: перший НТК військ ППО “Проблеми підвищення ефективності систем озброєння і військової техніки, їхнього бойового застосування й основних видів бойового забезпечення військ у сучасних умовах”. - Харків, ХВУ, 13-14.11.1999 р.; третій НТК “Удосконалення систем і засобів метрологічного забезпечення озброєння і військової техніки”. - Харків, Науковий метрологічний центр військових еталонів, 4-5.10.2001 р.; третій Міжнародній НТК “Проблеми інформатики і моделювання”. - Харків: НТУ “ХПІ” 27-29.11.2003 р.; Міжнародній НТК “Інформаційні технології в авіації”. - Харків, ФНЗБДА ХІ ВПС, 29-30.10.2003 р.; третій науково-практичній конференції “Пріоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем спеціального призначення”. - К.: ВІТІ НТУ “КПІ”, 18.12.2006; третій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба, 21-22.03.2007 р.

А також на засіданнях і семінарах кафедри “Пристроїв прийому і генерування сигналів радіолокаційного озброєння” Харківського військового університету та науково-практичних семінарах Національної академії оборони України.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 статей у наукових журналах та збірниках наукових праць, які входять до переліку наукових спеціалізованих видань, що затверджені ВАК України [1-6]. Також результати дисертації додатково відображені у 3 тезах наукових конференцій [7-9].

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаної літератури з 116 найменувань, 1 додатка. Загальний обсяг роботи становить 145 сторінок, у тому числі 125 сторінок основного тексту, 33 рисунків, 3 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі на основі аналізу предметної області дослідження і порівняльного огляду відомих публікацій обґрунтовується актуальність і ставиться загальне наукове завдання, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами; визначається предмет і об'єкт дослідження, формулюється мета і ставляться основні завдання дослідження, визначаються методи їх вирішення; відображена наукова новизна і практична значимість отриманих результатів; приводяться відомості про публікації і апробації результатів дослідження.

У першому розділі „Дослідження особливостей побудови систем навігації та аналіз шляхів підвищення їх швидкодії” зазначаються напрями досліджень, спрямовані на підвищення швидкодії бортових спеціалізованих обчислювачів, що входять до складу кореляційно-екстремальної системи самонаведення керованих засобів ураження; обґрунтовується необхідність побудови СО з використанням процесорних елементів, що ґрунтуються на нових фізичних принципах, зокрема на АО ефекті.

Аналіз потенційних характеристик АО процесорів різних класів показав, що найбільш перспективним типом акустооптичних процесорів для розв'язання задач лінійної алгебри варто вважати акустооптичні цифрові процесори, які використовують багаточастотний режим роботи бреггівської комірки та забезпечують швидкість обробки близько 10¹⁰ операцій у секунду.

Виходячи з виявлених нерозв'язаних задач у теорії і практиці побудови акустооптичних цифрових процесорів, науковим завданням, яке має бути вирішене в дисертаційній роботі для досягнення її мети, обрано розроблення теоретичних основ побудови акустооптичних цифрових процесорів з підвищеною швидкодією за рахунок використання властивостей акустооптичної взаємодії в режимах першого і другого бреггівського резонансу.

У другому розділі „Розроблення та обґрунтування принципів побудови кореляційно-екстремальної системи самонаведення з підвищеною швидкодією” було проведено теоретичне обґрунтування можливості побудови акустооптичного цифрового процесора, що працює в двочастотному режимі, де для однієї хвилі виконуються умови першого бреггівського резонансу, а для другої - другого бреггівського резонансу. При виборі робочих частот необхідно враховувати властивість вищих порядків бреггівської дифракції, а саме: що величина дифракційної ефективності при виконанні умов бреггівського синхронізму для кожного з порядків (при = 2_Б и = 3_Б) залежить не тільки від величини відносної зміни коефіцієнта заломлення n/n, але й від періоду дифракційної решітки, створеною ультразвуковою хвилею, при постійних значеннях довжини взаємодії l і хвильового числа світлового випромінювання k. Дифракційна ефективність у разі виконання умов першого і другого бреггівського резонансу набуває вигляду:

; (1)

, (2)

де , , - параметр Ритова.

Для ілюстрації властивостей дифракційних складових першого і другого порядків на рис. 1 зображені отримані за допомогою виразів (1) та (2) залежності ₁² і ₂² від хвильового числа ультразвуку k₀ і від відносної зміни коефіцієнта заломлення n/n при фіксованому значенні kl і виконанні умов бреггівського синхронізму для кожного з розглянутих випадків взаємодії: ₁=0 і ₂=0.

Як видно з графіків для ₁² у цьому випадку дифракційна ефективність першого порядку бреггівської дифракції не залежить від хвильового числа ультразвуку k₀, тобто в першому порядку спостерігається максимум при одному конкретному значенні відносної зміни коефіцієнта заломлення n/n.

При куті падіння и (рис. 2), що дорівнює бреггівському куту другого порядку для хвиль з частотою і одночасно до звичайного бреггівського кута першого порядку для хвилі з частотою , бреггівський резонанс буде спостерігатися відразу для двох хвиль. На рис. 2 та показано значення напруги, яку виробляє генератор високочастотного коливання з частотою та відповідно, яка подається на електроакустичний перетворювач (ЕАП) АО комірки.

Дифракційна ефективність другого порядку бреггівської дифракції в цьому випадку набуває вигляду:

. (3)

Відповідно до умови (3) були проведені розрахунки і побудовані залежності дифракційної ефективності від відносної зміни показника заломлення Дn/n. Для розрахунків використовувалися такі параметри: матеріал звукопроводу - парателурит, довжина хвилі світлового випромінювання =0,633 мкм, довжина акустооптичної взаємодії l=0,5 см, початкова фаза ультразвукового коливання д=/2.

Крива 1 на рис. 3 відповідає випадку 1, коли в акустооптичному модуляторі існує тільки хвиля на частоті 2f₀. Величини дифракційної ефективності для хвиль з частотами 40, 60, 80 МГц ідентичні. Проаналізувавши характер залежностей можна зробити висновок, що для одержання великих значень дифракційної ефективності варто використовувати акустичні хвилі на більш низьких частотах.

На рис. показана залежність дифракційної ефективності для випадку 3, тобто при одночасній наявності в звукопроводі двох хвиль з частотами f₀ і 2f₀ (у даному прикладі 30 і 60 МГц). Дифракційна ефективність у цьому випадку являє собою результат інтерференції світлової хвилі, що продифрагувала на ультразвуковій хвилі з частотою 2f₀ (перший бреггівський резонанс), і хвилі, що продифрагувала на ультразвуці з частотою f₀ (другий бреггівський резонанс). Таким чином, проведені дослідження дозволили одержати повну картину АО взаємодії на хвилях із кратними частотами.

Для більшості застосувань необхідно розглядати взаємодію обмежених по просторовій координаті світлових пучків і коротких за тривалістю акустичних цугів. Для обчислення інтегральної ефективності дифракції можна одержати рівняння

, (4)

де

.(5)

Функція B завжди менше одиниці. Вона показує ступінь зменшення інтегральної ефективності дифракції через обмеженість області акустооптичної взаємодії.

При взаємодії світлового пучка з акустичним цугом під подвійним кутом Брегга вираз (5) набуде вигляду:

 .(6)

Розрахунки показують, що при взаємодії обмежених хвильових пучків визначальну роль відіграє параметр Гордона G, що дорівнює відношенню розходжень світлового й ультразвукового пучків,

.

Ще одним важливим параметром є величина

.

Саме параметр R, а не абсолютні значення h і w визначають структуру і характеристики поля дифрагованого світла.

На рис. надані криві залежності при різних значеннях параметра R, розраховані за формулами (5) і (6) для випадку падіння світла під кутом Брегга і подвійним бреггівським кутом. Як видно з графіків, спостерігається погіршення акустооптичної взаємодії зі зростанням параметра Гордона. Це пов'язано з тим, що під час взаємодії обмежених пучків неможливо виконати умову фазового синхронізму одночасно для всіх спектральних складових пучків. Для другого бреггівського резонансу залежність зростає крутіше, тому що селективність другого порядку дифракції більша й умова фазового синхронізму перестає виконуватися при менших значеннях параметра Гордона, ніж у випадку з першим бреггівським резонансом.

Таким чином, під час вибору параметрів акустооптичної взаємодії - таких як тривалість акустичного імпульсу і розмір світлового пучка, для процесора на основі першого і другого бреггівських резонансів необхідно враховувати вплив геометрії взаємодії на дифракційну ефективність кожної компоненти світлового поля.

Також слід зазначити, що при роботі акустооптичного процесора в двочастотному режимі параметр Гордона буде мати власне значення для кожної з частот. При цьому для однієї з частот варто користатися залежностями дифракційної ефективності від параметра Гордона для першого бреггівського резонансу, а для іншої - залежностями для другого бреггівського резонансу.

У третьому розділі „Експериментальне дослідження способу удосконалення технічних засобів навігації керованих засобів ураження” викладена послідовність проведення експериментальних досліджень, розроблена й описана експериментальна установка, здійснений порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних результатів. У розділі наводяться результати експериментальних досліджень взаємодії світла з ультразвуком в АО модуляторі на парателуриті при виконанні умов першого і другого бреггівських резонансів.

На рис. надані графіки залежності дифракційної ефективності від відносної зміни коефіцієнта заломлення, що варіювався шляхом зміни напруги , при фіксованому значенні (), які були отримані в двочастотном режимі роботи АО модулятора.

Розрахункові залежності (суцільні лінії) отримані за допомогою виразів (1-3). Залежності 2, 3 отримані в одночастотному режимі роботи АО модулятора, коли на ЕАП подавалося високочастотне коливання тільки на частоті або . Так графіки 2 являють собою залежність дифракційної ефективності першого порядку від відносної зміни коефіцієнта заломлення . Графіки 3 ілюструють значення дифракційної ефективності другого порядку при фіксованому значенні напруги , що виробляє генератор високочастотного коливання з частотою , яка відповідає значенню відносної зміни коефіцієнта заломлення .

Характер поведінки розрахункових і експериментальних (штрихові лінії) залежностей збігається. Порівнюючи розрахункові значення дифракційної ефективності й отримані в експерименті, слід зазначити, що деяке зменшення дифракційної ефективності пов'язане з впливом на результати експерименту властивостей амплітудно-частотних характеристик АО модулятора.

Результати експериментального дослідження доводять, що при дифракції світла на двох УЗХ, частоти яких співвідносяться як , результуюча дифракційна картина являє собою суперпозицію двох складових: першого порядку дифракції (частота ) і другого порядку дифракції (частота ). Про достовірність результатів експерименту свідчить те, що розбіжність експериментальних даних з теоретичними не перевищує інтервалу невизначеності результатів виміру дифракційної ефективності.

У четвертому розділі „Обґрунтування рекомендацій щодо побудови перспективної кореляційно-екстремальної системи самонаведення керованого засобу ураження з використанням акустооптичного цифрового процесору з підвищеною швидкодією” викладаються основи побудови акустооптичних цифрових процесорів, що мають підвищену швидкодію.

На підставі проведених досліджень розроблені технічні рішення з підвищення швидкодії АОЦП, що входять до складу бортових СО на користь підвищення точності навігаційних визначень засобами навігації бойових систем і комплексів. Їх основою є метод підвищення швидкодії АОЦП, що полягає у використовуванні властивостей бреггівської дифракції першого і другого порядків при дифракції світла на двох УЗХ, створюваних одним збудником ультразвуку, коли їх частоти співвідносяться як . Відмінність методу, що пропонується, від відомих раніше полягає в тому, що для проведення обчислювальних операцій в АОЦП проводиться такий вибір параметрів АО взаємодії, при якій результуюча дифракційна картина є суперпозицією двох складових: першого порядку дифракції (частота ) і другого порядку дифракції (частота ).

Однією з можливих технічних реалізацій є схема АОЦП з багатоканальними АО комірками. На вхід системи, що складається з двох багатоканальних АО комірок Брегга 1 і 2, подаються двійкові послідовності, надані у вигляді прямокутно модульованих високочастотних сигналів, причому комірки спроектовані так, що два сигнали поширюються в них у протилежних напрямках. Світло, яке продифрагувало на обох комірках, збирається лінзами (на рисунку не показані) і фокусується на лінійці фотодетекторів 3. Аналоговий сигнал на виході фотодетектора відображає змішану двійкову послідовність у вигляді імпульсів різної амплітуди. Для надання результату в двійковому коді імпульси аналогового вихідного сигналу дискретизуються по модулю 2 аналого-цифровим перетворювачем 4, а отримані двійкові числа потім відповідним чином підсумовуються по модулю 2 із зсувом на суматорі 5.

Пропонується алгоритм введення розрядів двійкового числа в АО комірку, коли на кожен канал АО комірки подається по два сигнали на частотах f₀ і 2f₀. N-розрядне число а розбивається на N/2 пар розрядів (двохрозрядних двійкових чисел) відповідно до виразу

, (7)

де а₂ і а₁ набувають значення 0 і 1. Далі у такому вигляді подається на перший АО модулятор. Інформація про значення молодшого в парі порядку а_1i, міститься в ультразвуковій хвилі з частотою f₀, а старшого а_2i, - у хвилі з частотою 2f₀. На виході першого модулятора матимемо суму (а_2i+а_1i). Число b розбивається на пари розрядів відповідно до виразу (7) і синхронно з а подається на другу АО комірку. На виході другого модулятора інтенсивність світла пропорційна добутку (а_2i+а_1i)(b_2i+b_1i).

Дію алгоритму пояснимо на чисельному прикладі. Якщо необхідно перемножити два числа, наприклад 23 і 25, записаних у двійковій формі, то відповідно до виразу (7) на вході АО модуляторів вони набувають вигляду 113 і 121 відповідно. У результаті кількість розрядів, що подаються на АО модулятори, зменшується вдвічі.

Проведені автором дослідження дозволяють сформулювати метод підвищення швидкодії АОЦП як сукупність прийомів і операцій, що дозволяють підвищити швидкість обробки зображень у бортових СО перспективних КЕ ССН керованих засобів ураження.

Основними науковими положеннями, що становлять теоретичну основу пропонованого методу, є: при дифракції світла на двох УЗХ, створюваних одним збудником ультразвуку, коли їх частоти співвідносяться як , результуюча дифракційна картина є суперпозицією двох складових: першого порядку дифракції (частота ) і другого порядку дифракції (частота );

дифракційна ефективність другого порядку бреггівської дифракції залежить не тільки від величини відносної зміни коефіцієнта заломлення (амплітуди напруги, що подається на електроакустичний перетворювач), але й від періоду дифракційної решітки (частоти ультразвуку);

дослідження дифракції обмеженого світлового пучка на акустичному цугу малої тривалості при першому і другому бреггівських резонансах показали, що просторові складові другого порядку більшою мірою, ніж перші залежать від розходження світлового і ультразвукового пучків.

Сутність запропонованого методу підвищення швидкодії АОЦП полягає в такому: по-перше, використовується двочастотний режим роботи АО комірки, коли частоти співвідносяться як і для частоти виконуються умови бреггівської дифракції першого, а для частоти - другого порядку;

по-друге, розрахунок параметрів АО взаємодії здійснюється з урахуванням властивостей першого і другого порядків бреггівської дифракції, а також дифракція обмеженого світлового пучка на акустичному цугу малої тривалості;

по-третє, використовується запропонований автором алгоритм введення розрядів двійкового числа в АО комірку.

Час перемножування двох n-розрядних двійкових чисел у запропонованій схемі АОЦП при одночастотному режимі роботи АО комірки становить

,

де - тривалість одиничного імпульсу. Швидкодія цієї схеми АОЦП буде результатом множення значення на кількість каналів в АО комірці N. При 8-розрядних числах, тривалості імпульсу 1 нс, і 16-канальної АО комірки швидкодія АОЦП становитиме 5•10⁹ операцій множення в секунду.

При використанні приведених вище положень розробленого методу величина визначатиметься виразом . Таким чином, швидкодія даної схеми АОЦП складе 1•10¹⁰ операцій множення в секунду, що збільшує швидкодію в 2 рази. Дана швидкість проведення обчислювальних операцій дозволяє досягти необхідного часу обробки масивів поточного й еталонного зображень у спецобчислювачі.

На підставі проведених досліджень вироблені рекомендації зі створення кореляційно-екстремальної системи самонаведення керованого засобу ураження на основі АОЦП з підвищеною швидкодією, а саме: підвищення швидкодії АОЦП можливе шляхом комплексного використання при їх побудові властивостей бреггівської дифракції першого і другого порядків, що досягається застосуванням двочастотного режиму роботи АО комірки. Розраховуючи робочі характеристики АО модулятора, необхідно враховувати властивості першого і другого порядків бреггівської дифракції, а також дифракції обмеженого світлового пучка на акустичному цугу малої тривалості. Технічна реалізація розробленого методу підвищення швидкодії кореляційно-екстремальної системи самонаведення забезпечує збільшення швидкодії АОЦП у 2 рази, що дозволяє використовувати його під час проектування перспективних бортових СО для КЕ ССН систем навігації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

самонаведення дифракційний ультразвуковий обчислювач

Аналіз відомих методів підвищення швидкодії бортових спеціалізованих обчислювачів кореляційно-екстремальних систем самонаведення показав, що для їх побудови найбільш доцільно використовувати акустооптичні цифрові процесори. Але обмеження, що накладаються на використання багаточастотного режиму роботи акустооптичної комірки, призвели до виникнення актуального наукового завдання, вирішеного у дисертаційній роботі, яке полягає в розробленні методу підвищення швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, які мають підвищену швидкість обробки інформації, що досягається використанням перших та других порядків бреггівської дифракції, які беруть участь в обчислювальному процесі.

У ході проведення досліджень були отримані такі наукові результати:

вперше розроблений метод підвищення швидкодії акустооптичних процесорів, що відрізняється від відомих тим, що ряд обчислювальних операцій переноситься з детекторної області обчислювача в область взаємодії світла з ультразвуковими хвилями. Це досягається шляхом одночасного використання бреггівських резонансів першого і другого порядків при кратних значеннях ультразвукових хвиль.

набуло подальшого розвитку розв'язання задачі дифракції світла на двох ультразвукових хвилях, що відрізняються частотою, для випадку, коли при взаємодії світла з ультразвуком реалізується перший або другий бреггівський резонанс в інтересах підвищення швидкодії АО цифрових процесорів;

вперше отримані вирази, що дозволяють оцінити вплив геометрії АО взаємодії на дифракційну ефективність другого порядку бреггівської дифракції. Показано, що складові другого порядку дифракції більшою мірою, ніж перші залежать від величини кутового розходження світлового і ультразвукового пучків.

Практичне значення результатів цієї дисертаційної роботи полягає в тому, що вони містять технічні пропозиції щодо підвищення швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, які входять до складу бортових спеціалізованих обчислювачів кореляційно-екстремальних систем самонаведення високоточних бойових систем та комплексів, що дозволяє забезпечити необхідний час обробки зображень у спецобчислювачі.

Впровадження результатів дисертаційних досліджень дозволяє обґрунтувати тактико-технічні характеристики акустооптичних процесорів і вимоги до їх архітектури, що підтверджується актом впровадження результатів дослідження на промисловому підприємстві.

На основі проведених у роботі досліджень зроблені такі висновки:

На сучасному етапі розвитку високоточних бойових систем та комплексів основним показником кореляційно-екстремальної системи самонаведення бойових блоків, що значною мірою визначає ефективність зброї в цілому, є їх швидкодія, вимога до якої зростає з ускладненням бойових завдань. Установлено, що швидкодія перспективних зразків бортових процесорів, що є основою кореляційно-екстремальної системи самонаведення, повинна становити 10¹⁰-10¹¹ операцій у секунду. Проведений аналіз шляхів підвищення швидкодії бортових спецобчислювачів показав, що поряд з удосконалюванням електронних процесорів і алгоритмів обробки інформації доцільне створення спецобчислювачів на основі акустооптичних процесорів, що дозволяють розв'язувати широке коло задач лінійної алгебри.

У дисертаційній роботі для підвищення швидкодії акустооптичних процесорів запропоновано використовувати властивості акустооптичної взаємодії, як при першому, так і при другому бреггівському резонансі. Запропонований метод, що полягає в розпаралелюванні проведених операцій, відрізняється від відомих тим, що ряд обчислювальних операцій переноситься з детекторної області обчислювача в область взаємодії світла з ультразвуковими хвилями. Це досягається використанням бреггівських резонансів першого і другого порядків при кратних значеннях ультразвукових хвиль.

Оцінка технічних характеристик акустооптичних цифрових процесорів, у яких реалізується запропонований метод підвищення швидкодії, свідчить про істотний виграш у швидкодії, що забезпечує цій метод. Розрахунки показують, що зростання швидкості виконання обчислювальних операцій під час обробки великих масивів оцифрованої інформації може досягати 100% вихідного значення. При цьому можливості методу при використанні сучасної елементної бази дозволяють забезпечити значення швидкодії спеціалізованих обчислювачів, що відповідає сучасним потребам при побудові високоточних бойових систем та комплексів.

Результати проведених чисельних розрахунків дифракційної ефективності двочастотного режиму роботи АО комірки підтверджуються результатами експериментальних досліджень, що свідчить про їх достовірність і дозволяє проводити розрахунки для конкретних технічних реалізацій. Ефект від застосування запропонованого методу підвищення швидкодії АОЦП, а також рекомендацій з вибору умов акустооптичної взаємодії при його реалізації підтверджується результатами їх впровадження в ході НДР зі створення перспективного високоточного комплексу оперативно-тактичного призначення, що виконувався у Військовому науковому центрі космічних досліджень на замовлення Головного управління ракетних військ і артилерії.

Отримані результати можуть також знайти застосування під час досліджень взаємодії світла з об'ємними періодичними структурами, створеними ультразвуковими хвилями з кратними частотами, в інтересах створення широкого кола акустооптичних функціональних вузлів з новими властивостями для пристроїв оптичної обробки оцифрованої інформації.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Шевченко А. В. Повышение быстродействия акустооптических цифровых процессоров путем применения брэгговских резонансов первого и второго порядков // Системи обробки інформації. - 2002. - Вип. 1(17). - С. 114-118.

Шевченко О. В. Експериментальне дослідження дифракції світла на двох ультразвукових хвилях з кратними частотами // Труди академії. - 2006. - № 70. - С. 119-123.

Шевченко А. В. Метод повышения быстродействия акустооптических цифровых процессоров технических средств навигации боевых систем и комплексов // Системи обробки інформації. - 2007. - Вип. 4(62). - С. 124-126.

Копылов А. А., Шевченко А. В., Черкашина Е. Л. Влияние расходимости светового и ультразвукового пучков на дифракционную эффективность пространственных составляющих первого и второго порядков в акустооптических процессорах // Системи обробки інформації. - 2003. - Вип. 6. - С. 169-173.

Купченко Л. Ф., Плахов Ю. М., Ефимова О. В., Лобырев В. Б., Черкашина Е. Л., Шевченко А. В. Дифракционная эффективность второго порядка брэгговской дифракции при взаимодействии света с ультразвуком под двойным углом Брэгга // Радиофизика и радиоастрономия. - 1999. - Т. 4. - № 4. - С. 342-348.

Купченко Л. Ф., Плахов Ю. М., Ефимова О. В., Лобырев В. Б., Черкашина Е. Л., Шевченко А. В. Выбор условий акустооптического взаимодействия для процессоров, использующих составляющие второго порядка брэгговской дифракции // Радиофизика и радиоастрономия. - 2002. - Т. 7. - № 2. - С. 112-119.

Шевченко А. В. Акустооптический цифровой процессор с повышенным быстродействием на основе использования свойств первого и второго брэгговских резонансов // Международная научно-техническая конференция “Информационные технологии в авиации”. Тезисы докладов. - Харьков: ХИ ВВС, 2003. - С. 15-16.

Шевченко О. В. Використання властивостей бреггівської дифракції першого та другого порядків у акустооптичних процесорах обробки зображень // Третя науково-практична конференція “Приоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем спеціального призначення” (Доповіді та тези доповідей). - К.: ВІТІ НТУ “КПІ”, 2007. - С. 261-262.

Шевченко А. В. Метод повышения быстродействия акустооптических цифровых процессоров технических средств навигации боевых систем и комплексов // Матеріали третьої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба - Харків: ХУ ПС, 2007. - С. 99-100.

АНОТАЦІЇ

Шевченко О.В. Акустооптичний метод підвищення швидкодії кореляційно-екстремальних систем самонаведення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.11 - засоби та методи військової навігації. - Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена питанням підвищення швидкодії акустооптичних цифрових процесорів, що входять до складу кореляційно-екстремальних систем самонаведення, в інтересах збільшення швидкості обробки зображень бортовими спеціалізованими обчислювачами систем навігації бойових систем та комплексів.

Запропонований метод заснований на використанні властивостей бреггівських резонансів першого і другого порядків при кратних значеннях ультразвукових хвиль. Експериментально доведено, що при дифракції світла на двох ультразвукових хвилях, частоти яких співвідносяться як , результуюча дифракційна картина являє собою суперпозицію двох складових: першого порядку дифракції (частота ) і другого порядку дифракції (частота ).

Оцінка швидкодії схем АОЦП побудованих на основі зроблених рекомендацій (становить 10¹⁰-10¹¹ операцій множення / складання в секунду) дозволяє зробити висновок, що розроблений метод підвищення швидкодії АОЦП може бути використаний під час проектування перспективних бортових спеціалізованих обчислювачів систем навігації бойових систем та комплексів.

Ключові слова: акустооптичний цифровий процесор, бреггівська дифракція, двочастотний режим

Шевченко А. В. Акустооптический метод повышения быстродействия корреляционно-экстремальных систем самонаведения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 20.02.11 - средства и методы военной навигации. - Центральный научно-исследовательский институт навигации и управления. - Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена решению научной задачи, направленной на разработку научно обоснованных предложений по повышению быстродействия специализированных вычислителей, входящих в состав корреляционно-экстремальной системы самонаведения систем навигации боевых систем и комплексов, на основе использования в акустооптических цифровых процессорах составляющих первого и второго порядков брэгговской дифракции.

Основными научными положениями, составляющими теоретическую основу предлагаемого метода, являются:

при дифракции света на двух ультразвуковых волнах, создаваемых одним возбудителем ультразвука, когда их частоты соотносятся как , результирующая дифракционная картина представляет собой суперпозицию двух составляющих: первого порядка дифракции (частота ) и второго порядка дифракции (частота );

дифракционная эффективность второго порядка брэгговской дифракции зависит не только от величины относительного изменения коэффициента преломления (амплитуды напряжения, подаваемого на электроакустический преобразователь), но и от периода дифракционной решетки (частоты ультразвука);

исследования дифракции ограниченного светового пучка на акустическом цуге малой длительности при первом и втором брэгговских резонансах показали, что пространственные составляющие второго порядка в большей степени, чем первые зависят от расходимости светового и ультразвукового пучков.

Сущность предлагаемого метода повышения быстродействия акустооптических цифровых процессоров состоит в следующем: во-первых, используется двухчастотный режим работы акустооптической ячейки, когда частоты соотносятся как и для частоты выполняются условия брэгговской дифракции первого, а для частоты - второго порядка;

во-вторых, расчет параметров АО взаимодействия осуществляется с учетом свойств первого и второго порядков брэгговской дифракции, а также дифракции ограниченного светового пучка на акустическом цуге малой длительности;

в-третьих, используется предложенный автором алгоритм ввода разрядов двоичного числа в АО ячейку.

Результаты проведенных численных расчетов дифракционной эффективности двухчастотного режима работы АО ячейки соответствуют экспериментальным исследованиям, что подтверждает их достоверность и позволяет производить расчеты для конкретных технических реализаций.

Ключевые слова: акустооптический цифровой процессор, брэгговская дифракция, двухчастотный режим.

Shevchenko О. V. Acousto-optic method of increase of speed of correlation-extreme systems of homing. - Manuscript.

Dissertation work on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 20.02.11 - means and methods of military navigation. - Central scientific research institute of navigation and control. - Kiev, 2007.

Dissertational work is devoted to questions of increase of speed acousto-optic digital processors included in correlation-extreme system of homing of systems of navigation of fighting systems and complexes.

It is experimentally proved, that at diffraction of light on two ultrasonic waves which frequencies correspond as , resulting the picture of diffractions represents itself superposition of two components: the first order diffractions (frequency ) and the second order diffractions (frequency ).

The estimation of speed of circuits acousto-optic digital processors constructed on the basis of made recommendations (makes 10¹⁰-10¹¹ operations of multiplication/addition in a second) allows to draw a conclusion, that the developed method of increase of speed acousto-optic digital processors can be used at designing the perspective onboard specialized calculators navigation system of fighting systems and complexes.

Key words: acousto-optic digital processor, Bragg's diffraction, a two-frequency mode.

Размещено на Allbest.ru

...