Моделирование оптических модулей для аэродромной метеорологической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование оптических модулей для аэродромной метеорологической системы

Н.К. Артюхина

БНТУ, г. Минск, РБ

А.В. Костусев

ОАО «Пеленг», г. Минск, РБ

Представлены результаты моделирования оптики для функциональных блоков измерения метеорологической оптической дальности и яркости фона. Измерения могут быть проведены в любое время суток при любых метеорологических условиях (осадки, туман, иней, роса, песчаная буря, гололед, ветер при скорости до 55 м/с) как автономно, так и в составе аэродромных метеорологических станций.

оптика метеорологический аэродромный

Развитие авиаоборудования невозможно представить без модернизации и введения в эксплуатацию новых приборов. Остается актуальным обеспечение безопасности на взлетно-посадочных полосах (ВПП), которое требует непрерывного контроля и регулирования ряда параметров, примером которых может служить метеорологическая оптическая дальность (МОД) и яркость фона [1]. При отклонении этих параметров от оптимальных значений могут возникнуть чрезвычайные ситуации при контроле над полётами авиатехники. Прибор для определения МОД предназначен для непрерывного дистанционного измерения коэффициента пропускания слоя атмосферы с автоматическим преобразованием измеренного значения МОД, регистрацией и отображением информации на внешних устройствах [2, 3].

Аэродромные метеорологические системы (АМС) являются важнейшими элементами технического оснащения авиаметеосети. Использование АМС позволяет не только радикально повысить оперативность, достоверность, объем, объективность получаемой метеоинформации, но и значительно усовершенствовать всю технологию метеообеспечения на аэродроме по сравнению с применением автономных метеорологических приборов и устройств представления данных. Общей тенденцией при разработке и внедрении на аэродромах АМС является расширение возможностей и круга решаемых задач, т. е. повышение уровня автоматизации метеобеспечения.

В настоящее время наблюдается общий подход к построению АМС для метеообеспечения авиации на аэродромах, базирующийся на рациональном выборе отечественных и зарубежных датчиков с использованием центральной части информационно-измерительной системы и программного обеспечения собственного производства. Основными направлениями работ по новым техническим средствам в Беларуси является создание аэродромных измерительно-информационных систем и нового поколения «интеллектуальных» датчиков, обеспечивающих на базе встроенных микропроцессоров обработку исходной информации и формирование результирующих данных, а также повышение информационных и эксплуатационных характеристик приборов на базе новых технологий.

Одним из главных модулей, входящих в АМС, являются датчики, примером таких приборов может служить измеритель яркости фона. Этот прибор предназначен для измерения яркости фона вдоль ВВП. Измеряемые им величины яркости передаются на метеостанцию и используются для вычисления дальности видимости вдоль ВВП. Датчик имеет следующие технические характеристики: диапазон измерений яркости фона должен быть не менее от 10 до 20000 кд/м2, дискретность показаний 1 кд/м2. Пределы допускаемой относительной погрешности порядка ±15 %.

При моделировании одним из самых важных вопросов является правильный выбор конструкции всей оптической системы и отдельных блоков, имеющих заданные значения оптических характеристик: фокусного расстояния, относительного отверстия, углового поля. Для этого нужно хорошо знать аберрационные возможности различных компонентов и предельные значения их оптических характеристик. При выборе конструкции необходимо также учитывать технологические и экономические факторы.

С этой целью в лабораториях ОАО «Пеленг» был проведен ряд теоретических и практических исследований с использованием существующих аналогов измерителя яркости фона и применением современных компьютерных пакетов программ для автоматизированного проектирования оптики.

В докладе приведены результаты исследования и расчета оптической системы (ОС) датчика в виде базовых модулей.

Проведена модернизация оптики прибора - аналога датчика измерителя яркости фона на основе одиночной линзы и фокусирующего конуса (фокона), представленной на рисунке 1. Лучистый поток измеряемого фона проходит через защитное стекло блока оптического, собирается линзой объектива и направляется с помощью фокусирующего конуса (фокона) в виде равномерно освещенного пятна на фотодиод платы предварительного преобразования, где преобразуется в фототок.

Рисунок 1 - Оптическая схема датчика яркости фона с однокомпонентным объективом и фокусирующим конусом

Функция концентрации энергии и оптические параметры датчика яркости с одиночной линзой представлены в таблице 1.

Недостатком оптической схемы является использование фокона в качестве собирающего элемента. Представилось возможным заменить фокон собирающей линзой (положительным мениском), при этом уменьшились продольные габариты (рисунок 2). Линзы изготовлены из одинаковой марки стекла ТК21. Фокусное расстояние объектива f'=43,2 мм. Диаметр входного зрачка 48 мм, относительное отверстие 1:1, поле зрения 2?=6?.

Замена фокона одиночной линзой в виде положительного мениска удовлетворяет требованиям к качеству изображения и энергетическим характеристикам.

Таблица 1. Функция концентрации энергии и оптические параметры датчика яркости с одиночной линзой

Рисунок 2 - Оптическая схема датчика яркости фона с двухкомпонентным объективом

Объектив предназначен для фокусировки излучения на фотодиод, поэтому были рассчитаны концентрации кружка рассеяния на площадке фотоприемника и точечные диаграммы (ТД) кружков рассеяния для осевого и внеосевого пучков (см. рисунок 3).

Спектральный рабочий интервал 0,420-0,750 мкм; размер приемной площадки фотодиода 5,8 Ч 5,8 мм.

Рисунок 3 - Точечная диаграмма в осевом пучке

В ходе исследования был найден наилучший вариант ОС, обеспечивающий требуемую функцию концентрации энергии. Им явилась одиночная линза, имеющая асферическую поверхность (меридиональная кривая в виде гиперболы). Оптическая схема датчика яркости фона с асферической линзой представлена на рисунке 4.

Были намечены перспективы исследования

Рисунок 4 - Оптическая схема датчика яркости фона с асферической линзой

Представленные оптические системы могут быть использованы в приборах для измерения яркости фона. Данные датчики могут быть использованы в национальных и международных аэропортах, на аэродромах местных авиалиний и посадочных площадках, на метеорологических станциях гидрометеорологической службы. Измерение могут быть проведены в любое время суток при любых метеорологических условиях (осадки, туман, иней, роса, песчаная буря, гололед, ветер при скорости до 55 м/с) как в составе метеорологической системы, так и автономно.

Литература

1. Требования к составлению климатического описания аэродрома. Руководящий документ. РД52.27. - 2007, 35 с.

2. Бочарников Н.В., Брылев Г.Б. Метеорологическое оборудование аэродромов. - Спб., «Ирам», 2003 г. - 592 с.

3. Артюхина Н. К., Костусев А. В., Прибор определения метеорологической дальности видения. - Материалы 6-ой Международной научно-технической конференции «Приборостроение -2013», Минск, 2013 г.

Размещено на Allbest.ru