Применение визуальной лазерной системы посадки для повышения категорийности аэропорта

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Оглавление

  • Список сокращений
  • Аннотация
  • Введение
  • 1. Аналитический обзор лазерных систем навигации посадки и выбор оптимальной лазерной системы аэропорта
    • 1.1 Лазерные системы
    • 1.2 Лазерная трехцветная навигационная система
    • 1.3 Обзор приёмников лазерного излучения
  • 2. Аналитический обзор систем светосигнального обеспечения и описание ССО не категорированного аэропорта (категория аэропорта «Г»)
    • 2.1 Категории метеоминимумов
    • 2.2 Схемы построения Alpa-Ata и Calvert
    • 2.3 Классификация отечественных светотехнических систем
  • 3. Аналитический обзор новейших светоизлучающих приборов
    • 3.1 Светодиоды
    • 3.2 Вывод света из полупроводника
    • 3.3 Примеры конструкции светодиодов
    • 3.4 Аналитический обзор типов лазеров
      • 3.4.1 Особенности лазерного излучения
      • 3.4.2 Лазерная технология
    • 3.5 Основные типы лазеров
      • 3.5.1 Газовые лазеры
      • 3.5.2 Твердотельные лазеры
      • 3.5.3 Рубиновый лазер
      • 3.5.4 Неодимовый лазер
      • 3.5.5 Гелий-неоновый лазер
      • 3.5.6 Лазер на углекислом газе
      • 3.5.7 Ионные лазеры
      • 3.5.8 Некоторые рекомендации по выбору ОКГ
  • 4. Состав атмосферы
    • 4.1 Молекулярное поглащение и рассеяние излучения
    • 4.2 Расчёты мощности лазерных излучателей посадочной системы при работе в реальных условиях аэродромов
    • 4.3 Методика инженерного расчёта мощности лазерного излучателя и выбор типа оптического квантового генератора (ОКГ)
  • Выводы и рекомендации
  • Список использованной литературы
  • Приложение

Список сокращений

БПРМ — ближний приводной радиомаяк

ВПП — взлётно-посадочная полоса

ВС — воздушное судно

ГА — гражданская авиация

ДПРМ — дальний приводной радиомаяк

КПД — коэффициент полезного действия

ЛА — летательный аппарат

ЛМ — лазерный маяк

ЛСНО — лазерные средства навигационного оборудования

ОВИ — огни высокой интенсивности

ОКГ — оптический квантовый генератор

ОМИ — огни малой интенсивности

ОСП — оптическая система посадки

РД — рулёжная дорожка

СИД — светоизлучающий диод

ССМ — сканирующий световой маяк

ССО — светосигнальное оборудование

УВД — управление воздушным движением

ФПУ — фотоприёмное устройство

Аннотация

Целью данной дипломной работы является обоснование возможности комплексного применения лазерной визуальной системы посадки и светосигнального оборудования для снижения метеорологического минимума аэропорта типа «Ржевка», а, следовательно, повышения регулярности и безопасности полётов.

В дипломной работе был произведён анализ использования светодиодов и оптических квантовых генераторов. Наиболее оптимальным, как показал анализ, является комплексное использование систем светосигнального оборудования и лазерной визуальной системы посадки «Глиссада». Такое комплексное применение уже применяется как на военных, так и на гражданских аэродромах, однако широкого применении в России пока не получило.

В работе произведен расчет потребной мощности излучения лазеров с учётом поглощения и рассеивания излучения в приземном слое атмосферы и учётом чувствительности глаза пилота в дневных и ночных условиях приземления.

На основании расчётов выбран лазер типа ЛГ-209 с длиной волны излучения л = 0,63 мкм и мощностью излучения Р = 10 мВт.

Дипломная работа состоит из 90 страниц, в том числе 2 приложения. В ней содержится 4 основных раздела, 17 иллюстраций и 5 таблиц, в дипломной работе было использовано 12 литературных источников.

Введение

Полеты современных летательных аппаратов обеспечиваются радиотехническими и космическими средствами. Однако их безопасности связана именно со светосигнальным оборудованием, что и предопределяет его интенсивное развитие и совершенствование за счёт использования современных электронных приборов. В последние годы используются лазерные и телевизионные системы, позволяющие видеть пилоту взлетно-посадочную полосу (ВПП) в условиях ограниченной видимости, а также устройства, выводящие информацию с приборов на лобовое стекло кабины, на котором отображается, несмотря на плохую видимость, светосигнальная картина аэродрома, и т. д. Голографический индикатор посадки создает перед летчиком в кабине трехмерное изображение аэродрома с ВПП в соответствии с фактическим положением летательного аппарата относительно ВПП в данный момент времени.

Для нормальной работы пилотов необходимо, чтобы светосигнальные устройства создавали достаточно информативные и благоприятные внешние условия (без дискомфорта, с достаточным уровнем освещенности), нужную цветность и прерывность светового сигнала.

Светосигнальные системы аэродромов должны обеспечивать регулярность и безопасность полетов в условиях плохой видимости. Технические сложности решения такой задачи, а также постоянное обновление моделей воздушных судов (ВС) требуют непрерывного совершенствования светосигнальных средств.

Современные радиоэлектронные средства посадки могут обеспечить автоматическую посадку ВС. Однако процесс посадки значительно удешевляется и облегчается, если на последних этапах посадки пилот вступает в зрительный контакт со светотехническими средствами. Светотехнические средства используются при окончании снижения, выравнивании, приземлении, пробеге и рулении.

Совершенствование наземных и бортовых авиационных комплексов обеспечения полетов воздушных судов сопровождается повышением требований к их точности и эксплуатационным характеристикам.

Обеспечить соответствие авиационных систем посадки высоким требованиям возможно лишь при применении их в составе современных электронных приборов и устройств, использующих новую элементную базу и новые научные методы построения.

Целью дипломной работы является обоснование возможности комплексного применения лазерной визуальной системы посадки и светосигнального оборудования (ССО) для снижения метеорологического минимума аэродромома.

В дипломной работе применяются математические методы и методы статистического обнаружения электромагнитного сигнала.

Рассмотрены и предложены к применению новейшие электронные приборы для обеспечения посадки ВС по ССО аэропорта не категорированного по метеоминимуму.

Безопасность и регулярность полетов в гражданской авиации (ГА) во многом определяются ССО. Вопросы повышения эффективности и снижения метеорологического минимума являются весьма актуальными.

1. Аналитический обзор лазерных систем навигации посадки и выбор оптимальной лазерной системы аэропорта

1.1 Лазерные системы

В последнее время находят широкое применение лазерные системы для ориентации и наведения транспортных средств. Они предназначены для определения местоположения и направления движения в секторе или зоне ориентирования, для ограждения зон, запретных или опасных для перемещения, а также для указания рекомендуемых траекторий, курсов и обозначения областей пространства со специальным режимом перемещения.

Контраст между яркостью прямого лазерного излучения, направленного на наблюдателя, и фоном рассеянного излучения для лазерных пучков сохраняется на очень удаленных расстояниях, значительно превосходящих дальности в случае использования известных точечных источников света либо огней с направленным излучением. Лазерный свет характеризуется относительно малой зависимостью траектории его распространения от особенностей рельефа местности. В то же время лазерные источники нецелесообразно использовать из-за малого КПД для сигнализации в полусфере. Кроме того, при плохих погодных условиях в аэрозольной атмосфере фиксированная длина волны лазера из-за возможности сильного поглощения средой менее предпочтительна по сравнению со спектрально широкополосным источником света. У широкополосного источника света всегда имеются спектральные полосы излучения, не поглощаемые при данных условиях загрязненной атмосферой.

Обычно лазерная система оптической посадки ЛА на аэродром может содержать один, два или несколько лазеров. Направленное излучение лазера может либо точно указывать оптимальную траекторию снижения ЛА (при этом пилот своими глазами видит направленное в него излучение лазера) или располагаться рядом с ней с параллельным глиссаде направлением луча рис. 1.

Лучи нескольких лазеров могут обозначать плоскость, в которой необходимо находиться ЛА при правильном снижении, причем лучи могут быть параллельными друг другу или пересекаться. Предлагаются также ОСП, у которых лазерные лучи создают ломаную траекторию снижения: более крутую для ЛА, находящегося вдалеке и более пологую для ЛА, находящегося рядом с авианосцем. Лазеры при этом могут располагаться у кормы, в середине или на носу палубы корабля, что соответствует ВПП.

При использовании устройства, которое вращает лазерный луч, ОСП приобретает новые качества. ЛА находится в конусе, созданном вращающимся лучом. В таких ОСП лазеров может быть один, два или более. Возможны комбинации такие же, как и для систем без вращения лазерного луча рис. 2.

Расходимость луча может меняться от 5' до 50. Лазер располагают на гиростабилизированной платформе. Луч может прерываться с определенной частотой или модулироваться по амплитуде. С уменьшением расходимости луча от 5°до 5' возрастает плотность мощности излучения, но уменьшается телесный угол. Следовательно, снижается возможность его обнаружения пилотом и увеличивается вероятность выхода ЛА из конуса.

В глиссадных системах в основном используется гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 632,8 нм. В принципе могут использоваться и другие типы лазеров: рентгеновские, ультрафиолетовые или инфракрасные, излучение которых не поглощается атмосферой. Для восприятия их сигналов на борту ЛА должны находиться соответствующие приемники.

Лазерная аэродромная система посадки самолетов «Глиссада» основана на следующих физических явлениях. Лазерный луч, распространяясь в атмосфере, теряет часть энергии при рассеянии на молекулах газов, аэрозольных частицах, а также на неоднородностях, вызванных турбулентным движением воздуха. Поэтому он виден в атмосфере. На рис. 3 два лазера, размещенных в конце ВПП, указывают своими лучами боковые стороны ВПП. Пять лазеров в линию своими пересекающимися лучами указывают пилоту плоскость, ниже которой воздушное судно не должно снижаться. Два других лазера за порогом ВПП сбоку от нее создают два светящихся луча, лежащих в плоскости, ограничивающей сверху нужный коридор, в котором находится глиссада.

На рис. 4 показан вариант системы «Глиссада» с тремя лазерами в линию у порога ВПП. Рассмотрим возможные комбинации лучей, которые видит пилот при подлете к ВПП. Лучи, обозначающие боковые стороны ВПП, меняются мало. Основную информацию несут лучи двух лазеров, расположенных за порогом ВПП (сбоку от нее), и средний лазер, находящийся на линии, являющейся продолжением оси ВПП. Если воздушное судно летит выше глиссады, пилотом воспринимается, что лучи боковых лазеров составляют угол с горизонтальной плоскостью и направлены к приближающемуся самолету. Если Л А оказывается ниже глиссады, то они направлены в противоположную сторону. На глиссаде пилот видит их параллельными горизонт. В случае ухода ЛА влево или вправо по азимуту из плоскости точного снижения как бы меняется направление луча среднего лазера. Положение горизонта определяется именно направлением лучa среднего чазера. Точка пересечения лазерных лучей отстоит от ВПП на определенном расстоянии. Это является информацией для пилота. После того как из виду исчезают лучи боковых лазеров, положение ЛА относительно ВПП определяется с помощью лучей лазеров, обозначающих боковые границы ВПП. Таким образом, при использовании принципов проективной геометрии за счет эффекта рассеяния лазерного излучения в атмосфере система «Глиссада» может задавать пилоту курс посадки (курсовую плоскость), глиссаду снижения (глиссадную плоскость), положение горизонта, боковые границы ВПП, положение фиксированных точек на посадочной траектории.

Лазерная курсоглиссадная система световых сканирующих маяков (ССМ) отличается тем, что зоны ориентирования создаются сканирующими лазерными лучами. Причем эти зоны вытянуты по горизонтали и имеют небольшие углы расхождения в вертикальной плоскости. Основными элементами ССМ являются три лазера. Глиссадные лазеры расположены по бокам ВПП на расстоянии 300 м от ее порога и в 10 м от ее края. Курсовой лазер устанавливается у торца ВПП на продолжении ее осевой линии. Глиссадные лазеры излучают обычно на длине волны 0,63 или 0. 48… 0,51 мкм, курсовой -- в красной области спектра. Для сканирования лучей используют дефлекторы, а для ослабления применяют нейтральные светофильтры.

Верхняя зона I задается зелеными, а нижняя II — красными лучами (рис. 5).

Область перекрытия двух зон имеет 15' размеры. Она и является глиссадной зоной III. Одновременно с высокочастотной вертикальной разверткой происходит низкочастотное сканирование лучей маяков в горизонтальной плоскости, т. е. при этом вертикальный светящийся отрезок относительно медленно движется в горизонтальной плоскости. Ориентирование осуществляется путем наблюдения за импульсными (за счет сканирования в пространстве) огнями маяков определенного цвета в нужной последовательности. Курсовой маяк указывает азимут перемещения ЛА.

Для увеличения зон информации число глиссадных лазерных маяков сбоку от ВПП может быть увеличено.

В настоящее время лазерные маяки используются достаточно широко. Особенно перспективным направлением их применения является автоматическое наведение на цель быстродвижущихся объектов. Для посадки вертолетов совмещаются лазерные лучи, различающиеся по цвету или частоте модуляции для разметки секторов наведения. При движении в зону посадки вертолет удерживается системой управления в центре створа, границы которого задаются параллельными лазерными лучами. Оптические сигналы лазеров, принимаемые приемником вертолета, демодулируются, передаются в бортовой компьютер и оттуда с помощью периферийных устройств — на исполнительные механизмы. Для обеспечения посадки всех типов транспортных космических кораблей многоразового действия используется лазерная навигационная следящая система. Корабль имеет устройство ориентации и наведения в трехмерном пространстве. Луч лазера на земле непрерывно сканирует таким образом, что обозначает сектор, в котором осуществляется наведение космического корабля. Сканирование производится с помощью механического прибора с вращающимся полигоническим зеркалом. Поперечное перемещение световых полос происходит за счет качающегося плоского зеркала. В начале каждого цикла сканирования излучаются опорные импульсы лазером более высокой мощности, засвечивающие весь сектор ориентации и заведения корабля. Местонахождение космического корабля определяется по изменению интервала между моментом излучения опорного импульса и попаданием его в приемник.

1.2 Лазерная трехцветная навигационная система

Требования к современному навигационному оборудованию для ориентации летательных аппаратов, очень высоки: оно должно быть надежным, эффективно обеспечивать ориентацию в любое время суток даже в экстремальных метеоусловиях и, что немаловажно, не причинять вреда здоровью людей. В новой лазерной трехцветной навигационной системы удалось совместить все эти достоинства благодаря импульсным полупроводниковым лазерам с электронной накачкой. Низкое энергопотребление, малый вес и габариты позволяют быстро разворачивать такие системы как дополнительное средство обеспечения безопасности посадки самолетов, проводки судов в сложных метеоусловиях или использовать их там, где нет стационарных систем навигации.

Преимущества лазерных средств навигационного оборудования (ЛСНО) по сравнению с основанными на традиционных источниках света хорошо известны: узкая спектральная полоса лазерного излучателя значительно увеличивает заметность излучения на фоне других огней и обеспечивает большую дальность видимости, особенно днем, в сумерках и при других неблагоприятных условиях. Благодаря узкой диаграмме направленности возрастает точность формирования глиссад, створов и секторов. Существенно выше у них и КПД, поскольку ЛСНО не нуждаются в цветовых узкополосных фильтрах.

Однако подобные системы имеют и серьезные недостатки, которые, в основном, объясняются использованием в большинстве из них газовых лазеров. Так, КПД газовых лазеров очень низок (не более 0,1%), что требует применения источника питания мощностью в несколько киловатт. Весьма ограничен их цветовой диапазон, особенно в желто-красной области спектра. А чтобы избежать потери ориентации в темных зонах, образующихся при переходе от одной цветовой зоны к другой, приходится использовать прецизионные оптические и сканирующие системы, обеспечивающие непрерывность перехода. ЛСНО на основе газовых лазеров достаточно громоздки: их массогабаритные характеристики возрастают пропорционально числу цветовых зон (практически на каждую длину волны требуется свой лазерный источник или, при многоцветном источнике, своя система сканирования). К тому же они весьма чувствительны к внешним воздействиям и нуждаются в постоянном обслуживании. Еще один существенный недостаток газовых лазеров — вредное воздействие их излучения, обладающего высокой когерентностью, на глаза и организм человека в целом.

Все эти недостатки можно устранить, используя импульсные полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. По КПД (до 10%) они близки к высокоэффективным полупроводниковым инжекционным лазерам, а импульсная мощность их излучения достигает десятков мегаватт на любой длине волны в диапазоне от ближнего ультрафиолета (0,37 мкм) до ближней инфракрасной области спектра (1,1 мкм). Ширина спектра излучения ИПЛЭН (десятки ангстрем) много меньше, чем у обычного светового источника, но на четыре порядка выше, чем у газового лазера — излучение не когерентно, хотя и высокохроматично. Благодаря этому навигационные системы, основанные на ИПЛЭН, обладают всеми преимуществами ЛСНО и безвредны, как обычные световые источники. К тому же, они имеют малые габариты и потребляемую мощность и не требуют систем охлаждения.

Для формирования трех цветовых зон на мишени лазера размещают три пластины, обеспечивающие генерирование в трех диапазонах длин волн: 0,51−0,53 мкм (зеленый), 0,56−0,58 мкм (желтый) и 0,63−0,66 мкм (красный). Если на выходе лазера не устанавливать никаких оптических элементов, то в дальней зоне будет наблюдаться излучение белого цвета из-за классического смешения трех основных цветов. При размещении излучающей поверхности в фокусе объектива ее изображение переносится на бесконечность и смешения не происходит.

Все функциональные узлы ЛСНО, кроме вынесенного аккумулятора (12 В) и индикатора дальномера, размещены в герметичном корпусе. Его габаритные размеры — 350×450×800 мм, вес — 35 кг.

Сфера применения ЛСНО на основе ИПЛЭН отнюдь не ограничивается авиацией.

Многоцветный полупроводниковый лазер позволяет устранить главную проблему светосигнальных маяков — увеличение центральной световой зоны при увеличении дистанции между маяком и судном, в результате чего возникает опасность отклонения последнего от оси. Созданный на его основе маяк формирует центральный створ в виде коридора заданной ширины. Маяк состоит из двух двухцветных ЛМ, разнесенных на ширину коридора. Один Л М формирует секторы желтого и красного цветов, а другой — желтого и зеленого. Между красной (зеленой) и желтой цветовыми зонами образуются промежуточные зоны (секторы), где видны оба цвета — это дает дополнительную ориентировку. Чтобы избежать появления «мертвых» зон, маяки относят на небольшое расстояние от края ВПП.

1.3 Обзор приёмников лазерного излучения

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое (лазерное) излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Термину фотодетектор используют как эквивалентный термин фотоприемник или приемник оптического излучения.

Поскольку основная задача фотоприемников — регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются основные характеристики фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника — напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность — как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

(1)

Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность — величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения:

(2)

На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:

(3)

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность — это минимальная энергия оптического излучения Pn, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

(4) (5)

При m = 1 P = Pmin называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот f=1, при этом

(5) (6)

Величина, обратная пороговой чувствительности, называется обнаружительной способностью

(7)

Удельная обнаружительная способность D* - величина, нормированная на единицу площади фотоприемника и на полосу частот.

(8)

Таким образом, удельная обнаружительная способность — это величина обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот f=1 и площади фотоприемник A=1, вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму.

Сществуют определенные требования к его качеству и надежности, поскольку отказ любого элемента данного ФПУ приводит к нарушению правильной работы всей системы.

Качество работы ФПУ характеризуется следующими основными параметрами:

Чувствительность

Динамический диапазон

Коэффициент ошибок

Фотодетектор должен вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры.

Технические характеристики оптических модулей приёма сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики

Параметр

Значение

Спектральный диапазон, нм

1100. 1650

Скорость приема, Мбит/с

2. 155

Мощность насыщения, дБм

+3

Чувствительность, 155мБит/c

-36

Напряжение питания, В

4,5. 5,5

Как известно чувствительность любого усиливающего устройства потенциально ограничивается собственными шумами.

Усилитель ФПУ не является исключением. Для того, чтобы была возможна устойчивая работа устройства, уровень сигнала должен превышать уровень шума в некоторое количество раз.

ФПУ должно обеспечивать заданное качество приема сигнала при минимально возможном уровне входной мощности, удовлетворение этого требования позволит увеличить длину участка связи при фиксированной мощности передатчика или при той же длине снизить необходимую мощность передатчика. Уменьшение мощности передатчика в свою очередь создает предпосылку для увеличения срока службы лазера — самого надежного и дорогостоящего элемента.

Техника фотоприемных устройств развивается в направлениях повышения быстродействия, освоения новых спектральных диапазонов, совершенствования технологии изготовления, конструкции и улучшения основных параметров в соответствии с приведенными требованиями.

2. Аналитический обзор систем светосигнального обеспечения и описание ССО некатегорированного аэропорта

Современные радиоэлектронные средства могут обеспечить автоматическую посадку воздушных судов (ВС). Однако процесс посадки значительно удешевляется и облегчается, если на последних этапах посадки пилот вступает в зрительный контакт со светотехническими средствами. Радиотехнические средства обеспечивают безопасность подлета ВС к аэродрому на дальних к нему расстояниях, а светосигнальные средства используются при окончании снижения, выравнивании, приземлении, пробеге и рулении. По нормам ИКАО посадка самолетов в условиях плохой видимости подразделяется последовательно на три эксплуатационные категории, которые характеризуются определенными пределами дальностей видимости огней ВПП и высотами принятия решения о посадке.

Важным этапом при посадке ВС является выход в зону приближения к ВПП в которой пилот переходит к условиям визуальной ориентировки по световым сигналам. Огни приближения импульсного или постоянного горения предназначены для указания пилоту направления на ось ВПП. Они излучают белый свет. Огни световых горизонтов зоны приближения и ВПП (устанавливаемые на ее начальном участке) служат для создания искусственного горизонта и информирования пилота о крене ВС по отношению к естественному горизонту.

В международной практике используются системы зоны приближения типа Кальверта и Альпа — Ата. Первая из них может применяться на аэродромах с простейшей светосигнальной системой (некатегорированной), а вторая послужила основой для создания зоны приближения аэродромов по первой категории ИКАО. Например, в системе Кальверта имеется шесть световых горизонтов различной длины, перпендикулярных продольной оси ВПП и ее продолжению к воздушным подходам. Длина световых горизонтов уменьшается по мере приближения к торцу ВПП.

Систему огней приближения применяют в качестве вспомогательного оборудования к радиотехническим средствам навигации на конечном этапе захода на посадку. Иногда она имеет самостоятельное значение. Огни приближения обеспечивают пилота визуальной информацией при посадке самолета: о крене и тангаже, высоте полета и удалении относительно торца ВПП. Система огней приближения должна разрабатываться с учетом угла наклона глиссады, типичной дальностей видимости в регионе расположения аэродрома, телесного угла зрения и посадочных скоростей ВС. Для безошибочной ориентировки пилотов эти системы стандартизованы в международном масштабе и подразделяются на две категории: системы огней высокой интенсивности и системы огней средней интенсивности.

2.1 Категории метеоминимумов

Видимость — одна из характеристик состояния атмосферы, внешней среды, в которой осуществляются полеты ВС. Строго говоря, это максимальное расстояние, на котором виден объект. Нужно было бы говорить о дальности видимости, но по сложившейся терминологии говорят о видимости, понимая дальность видимости, на которой виден объект. Поэтому очень важно знать, в каких внешних условиях среды будет происходить полет. Особенно важно знать, каковы условия, в которых будут проходить взлет и посадка. Поэтому значение видимости ВПП входит в минимумы погоды, вводимые для обеспечения безопасности полетов.

Видимостью на ВПП (дальность видимости на ВПП) называется максимальное расстояние, в пределах которого пилот ВС, находящегося на осевой линии ВПП, может видеть маркировку ее покрытия или огни, ограничивающие ВПП или обозначающие её осевую линию.

Определение видимости на ВПП представляет серьезные трудности. Дело в том, что видимость на ВПП представляет не только физическую характеристику атмосферы, но включает в себя психофизиологическую сторону восприятия пилотом обстановки. Эта психофизиологическая сторона восприятия практически трудно учитываема количественно. По существу видимость на ВПП, как и видимость, вообще, представляет психофизическую характеристику, оценить которую количественно пока не найдено способов. Пилот должен не только увидеть, но еще опознать неосвещенные объекты (ориентиры) днем и световые ориентиры (освещенные объекты) ночью. Опознание же у разных пилотов не одинаково. Оно зависит от психического состояния зрения пилота. Особенно сложен этот процесс при посадке (взлете) в сложных метеоусловиях, когда видимость ограничена и находится в пределах 2000 м и менее. Кроме того, в таких ситуациях видимость нередко бывает изменчива. При изменчивости видимости нужно иметь в виду, что видимость зависит от характера метеоявления (туман, густая дымка, интенсивные осадки и т. п.) и от того, в каком направлении по отношению к ВПП перемещается помутняющая среда. Если направление ветра совпадает с направлением ВПП, изменения видимости будут зафиксированы приборами, измеряющими видимость у ВПП. Совсем иная ситуация создается в тех случаях, когда ветер направлен перпендикулярно к ВПП. При таких ситуациях изменение видимости может произойти неожиданно (особенно при ливневом снегопаде), резко по сравнению с первым случаем. В этом случае возникают серьезные трудности в оценке характера изменчивости видимости и принятия пилотом соответствующего решения на посадку (взлет). Нужно иметь в виду также и то обстоятельство, что при посадке у пилота очень мало времени на исправление предшествующих ошибок. Не случайно согласно опыту международной и отечественной авиации больше всего авиационных происшествий бывает при посадке из-за ограниченной видимости.

Посадочный метеоминимум — это предельные метеоусловия, при которых обеспечивается безопасная посадка самолета.

Минимум погоды для посадки определяется высотой принятия решения на посадку и дальностью видимости на ВПП. Высота принятия решения -- это установленная высота, на которой должен быть начат маневр ухода на второй круг, если до этой высоты не установлен надежный визуальный контакт с огнями светосигнального оборудования аэропорта или другими ориентирами, позволяющими выполнить безопасную посадку, или если положение самолета в пространстве относительно заданной траектории полета не обеспечивает безопасность посадки. Дальность видимости на ВПП -- это наибольшее расстояние в направлении посадки, с которого ВПП, специальные огни или маркеры, ограничивающие ВПП, можно видеть с определенной высоты над ВПП, соответствующей среднему уровню глаз пилота при посадке. Эта высота принята равной 5 м. Международной организацией гражданской авиации приняты категории, соответствующие различным посадочным минимумам табл. 2

Таблица 2 Категории посадочных минимумов

Категория

Высота принятия решения, м

Дальность видимости на ВПП, м

I

60…70

800

II

30

400

III-a

0

200

III-b

0

50

III-c

0

0

Возможность посадки самолета по соответствующей категории посадочного минимума определяется, в основном, следующими факторами:

— точностными характеристиками радионавигационного оборудования аэродрома и самолета;

— маневренными характеристиками самолета;

— светотехническим оборудованием самолета;

— уровнем профессиональной подготовки летного и диспетчерского состава.

Заход на посадку при любом посадочном минимуме состоит из двух участков:

— автоматический заход или заход по приборам вне видимости земли;

— участок визуального полета при видимости земли (кроме категории III-с).

2.2 Схемы построения Alpa-Ata и Calvert

С развитием авиации в системах светотехнического обеспечения полетов аэродромов применялись различные схемы групп или подсистем огней полосы подхода: подсистема огней по косому ряду, смешанная подсистема цветных огней и др. Однако к настоящему времени почти во всех странах и, обязательно, в странах--членах ИКАО применяются только две схемы: Калверт (Великобритания) (рис. 6) и Альпа-Ата (США) (рис. 7) при этом различают подсистемы светосигнальных огней полосы подхода высокой и средней интенсивности.

Подсистемы огней полосы подхода средней интенсивности предназначены для использования при видимости на ВПП не менее 2000 м и вертикальной видимости не менее 200 м. В них применяются светосигнальные огни кругового обзора, в оптической части которых имеются линзы Френеля.

В подсистемах светосигнальных огней полосы подхода для посадки при метеоминимумах I, II, III категорий ИКАО используются светосигнальные огни высокой интенсивности. Кривые их светораспределения имеют направленные пучки, размер которых оценивается пространством допусков на отклонения от номинальной глиссады, определяемых установленной в аэропорту радиотехнической системой посадки. Обе системы имеют отчетливо обозначенную центральную линию огней, располагаемых на продолжении оси ВПП, и симметрично размещенные поперек этой оси ряды огней, называемые световыми горизонтами. В подсистеме Калверт они устанавливаются с интервалом 150 м и их размеры уменьшаются с приближением к порогу ВПП. Количество световых горизонтов строго не определено. Существуют системы с 3, 4 и 6 световыми горизонтами. В системах Alpa-Ata световые горизонты представляют собой короткие ряды огней одинаковой длины (4,2 м) на вcем продолжении оси ВПП. Кроме того, в этой подсистеме имеется широкий световой горизонт (длиной 30 м), располагаемый в 300 м от порога ВПП. Для посадки по II и III категориям метеоминимумов ИКАО применяется единая подсистема огней полосы подхода протяженностью 300 м от порога ВПП, представляющая собой усиленную красными боковыми огнями подсистему Alpa-Ata.

2.3 Классификация отечественных светотехнических систем

В зависимости от метеоусловий, при которых обеспечивается посадка ВС с помощью систем светотехнического оборудования аэродромов, все системы могут быть разделены на пять групп рис. 8.

Первая — системы ОМИ-I — огни малой интенсивности в основном для визуальной посадки. К ним относятся системы светотехнического оборудования аэродромов, предназначенные для обеспечения визуальной посадки самолетов в ночных условиях (используют только при хороших метеоусловиях), например, системы типа АСО-МВЛ (аэродромное светосигнальное оборудование для MBЛ), система «Световой старт» и др.

Вторая -- системы ОМИ-II, III — огни малой интенсивности, применяемые в комплексной радиосветотехнической системе посадки. Эти системы светотехнического оборудования аэродромов предназначены для обеспечения визуального завершения посадки с момента установления пилотом визуального контакта со светосигнальными огнями системы, до этого момента пилот производит посадку, используя радиосредства для инструментального захода на посадку. Системы ОМИ-II, III используют, в отличие от систем ОМИ-I, для посадки в ухудшенных метеоусловиях. Однако эти комплексные радиосветотехнические системы посадки не обеспечивают посадку в условиях, соответствующих метеоминимуму I категории ИКАО. Поэтому системы ОМИ-II, III ранее получили название некате-горированных. В эту группу входят системы типа «Луч», «Свеча-1», ОСП-Н, М-1, М-2.

Третья — системы ОВИ-I — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму I категории ИКАО. Применяются в комплексе с соответствующими радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов I категории. К этой группе относятся системы типа Д-1, Д-2 и «Свеча-2» (при соответствующей их доработке).

Четвертая — системы ОВИ-II — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму II категории ИКАО. Применяются в комплексе с соответствующими радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов II категории ИКАО. К ним относятся системы типа «Свеча-3», эксплуатирующиеся в ряде аэродромов гражданской авиации.

Пятая — системы ОВИ-III — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму III категории ИКАО. Предназначены для использования в комплексе с радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов III категории.

В аэропортах и на аэродромах различных классов устанавливаются различные типы систем светотехнического оборудования аэродромов. При проектировании и эксплуатации этих систем вопросы об их составе и расположении решаются в комплексе с радиотехническими средствами посадки в соответствии с нормами технологического проектирования объектов УВД, радионавигации и посадки, международных стандартов и рекомендаций ИКАО. В том случае, когда класс аэродрома не соответствует классу аэропорта, определяющим для выбора системы является класс аэродрома.

3. Аналитический обзор новейших светоизлучающих приборов

3.1 Светодиоды

Полупроводниковые светоизлучающие диоды — класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе их действия лежит инжекционная электролюминесценция. светоизлучающие диоды решают задачу преобразования электрических сигналов оптические, а так же служат эффективными по КПД источниками света.

На сегодняшний день светоизлучающие диоды активно применяются в различных областях: оптоэлектроника, системы отображения информации и т. д. Круг задач, при решении которых используются светоизлучающие диоды, обусловлен высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую (15−20 лм/Вт, лампы накаливания — 10−15 лм/Вт), высокой яркостью и квантовым выходом (при небольшой площади светоизлучающих диодов сила света по оси — 30−50 кд), высоким быстродействием (малая инерционность — порядка единиц наносекунд), характерным спектральным составом, возможностью модуляции излучения питанием, малым потреблением энергии (доли или единицы ватт), электробезопасностью (единицы вольт), надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

Кроме вышеперечисленных сфер СИД задействованы в освещении. Применение СИД для освещения обусловлено, как указывалось выше, высоким КПД преобразования энергии, надёжностью конструкции, хорошо развитой на сегодняшней день технологией изготовления СИД с различными параметрами свечения.

Как и практически любой источник излучения, СИД функционирует совместно с оптической системой, формирующей требуемую кривую силы света.

В основе действия СИД лежит явление инжекционной электролюминесценции в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник.

Инжекционная электролюминесценция характерна для р-n — перехода, подключенного в прямом направлении к источнику питания. При этом в n-область вводятся (инжектируются) избыточные дырки, а в р-область -- электроны или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р- областями. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок (обратный световой генерации тока в полупроводниковых фотоприёмниках эффект).

СИД испускают некогерентное излучение, но, в отличие от тепловых источников света, с более узким спектром, вследствие чего излучение в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучения зависит от полупроводникового материала и его легирования. C целью снижения потерь на полное внутреннее отражение и поглощение в теле кристалла для последнего выбирают полусферическую форму, а для улучшения характеристик направленности излучения СИД помещают в параболический или конический отражатель. Следует отметить, что угловое распределение вышедших из полупроводника фотонов имеет в значительной степени случайный характер.

Промышленность выпускает СИД в дискретном и интегральном исполнении. Дискретные СИД видимого излучения используют в качестве сигнальных индикаторов. Интегральные применяют в различных системах отображения. СИД инфракрасного излучения находят применение в устройствах оптической локации, оптической связи, в дальномерах, матрицы СИД — в устройствах ввода и вывода информации ЭВМ. В ряде областей применения СИД конкурирует с родственным ему прибором — инжекционным полупроводниковым лазером, который генерирует когерентное излучение и отличается от СИД наличием резонатора и режимом работы.

Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы:

1) в металло-стеклянном корпусе;

2) в конструкции с полимерной герметизацией;

3) бескорпусные диоды.

Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью параметров, механической и климатической устойчивостью.

Диоды с полимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной конструкции:

1. полимерная герметизация в большей степени позволяет осуществить перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения (с увеличением силы света — полимерное покрытие играет роль коллиматора), так и в направлении ее расширения (введение в полимер рассеивающих частиц позволит увеличить угловую дисперсию фотонов на выходе СИД);

2. полимерная герметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличения угла полного внутреннего отражения на границе кристалл -- полимер;

3. герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах;

4. полимерная герметизация позволяет получить при необходимости малое отношение объема (габарита) прибора к объему (габариту) кристалла;

5. полимерная герметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость.

Бескорпусные диоды -- самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемой аппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Отражающие стенки охватывают боковое излучение в угле примерно 500. Они в значительной степени сужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевом направлении. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкой приводит к несколько меньшему эффекту сужения диаграммы направленности и увеличения осевой силы света.

Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади и повышения контрастности. Кристалл и светящееся кольцо отражателя разделены более темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и темных участков увеличивает ее контрастность и способствует лучшему визуальному восприятию.

Значительное перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимерной линзы выбирают, как правило, такой, что излучающий кристалл располагается между фокусом преломляющей поверхности, образованной полусферической линзой, и центром этой линзы. Расстояние от центра кристалла до центра сферической поверхности определяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения.

Для диодов с углом излучения 5--15° по половинному уровню от максимального значения силы света наиболее целесообразно использовать величину S/R = 1,9 -- 2,0 (рис. 9). Конкретные значения S/R обычно подбирают с учетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего при введении в компаунд диспергирующего наполнителя.

В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной смолы. Компаунд отличается весьма высоким светопропусканием. Хранение образцов компаунда при температуре +70 — 80 °C практически не приводит к ухудшению светопропускания. Снижение светопропускания начинает наблюдаться при длительном хранении при температуре +100°C и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой части видимого спектра. Введение красителя (например, красного) вызывает резкое увеличение поглощения коротковолнового света, но практически не влияет на поглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителей способствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянного света окружающего пространства.

Для изготовления сигнальных СИД, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяет увеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения (увеличить угол излучения). Одновременно он резко понижает интенсивность отраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает эффект отсвечивания для не включенных диодов.

3.2 Вывод света из полупроводника

Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р — n — переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь:

1. потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник -- воздух под углом, большим критического;

2. поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического;

3. потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях;

4. потери на поглощение излучения в толще полупроводника.

Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника nп и воздуха nв доля выходящего излучения определяется значением критического угла Ипр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

Ипр = arcsin n-1, (9)

где (10)

Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла Ипр равны примерно 16 и 17,7°.

Излучение, падающее на поверхность раздела полупроводник -- воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла. Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет, отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно (и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Долю светового излучения, которая может быть выведена через верхнюю поверхность кристалла плоской конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле

(11)

где Тср -- средний коэффициент пропускания света поверхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшим критического.

Коэффициент пропускания света, падающего нормально к поверхности, определяется по формуле Френеля

(12)

Так как вблизи критического угла пропускание уменьшается, то можно ожидать средний коэффициент пропускания соответственно Т? 0,67 и 0,695.

Значение величины F для таких полупроводников, как GaAs и GaP, находится в пределах 1,3--1,65%. Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов. Существует несколько таких путей:

1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p--n — переходом света падала на границу раздела под углом, меньшим критического. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфера Вейерштрасса) и другие. В этих конструкциях кристалла размер р--n-перехода существенно меньше диаметра полусферы, что и позволяет получать малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Если провести расчет, при некоторых допущенниях (не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверхностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным), то он покажет, что использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения из кристалла в воздух до 34% всего генерируемого излучения. Полусферическую конфигурацию кристалла эффективно применять в тех случаях, когда поглощение света в толще полупроводника мало. Такие условия возникают при использовании структур GaAs: Si, GaP, О: Zn, GaP: N и др.

2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв< n<nn для увеличения критического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпоксидный компаунд с показателем преломления nк=1,5--1,6, то критический угол Ипр возрастает до 25--30°. В этом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду (в данном случае в компаунд) возрастет в 2,5--3 раза. Если прибор предназначен для вывода излучения в воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд -- воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления n = 2--3.

3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического (аналогично просветлению оптики). Таким путём удается увеличить выход излучения на 20−30%.

4. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения «внутренней фокусировки» излучения и увеличения доли генерируемого света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

5. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.

6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения.

Если угловое распределение фотонов, выходящихизактивной области, имеет сферическую симметрию, то создание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения в активной области. В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25--40%.

7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.

Большие возможности получения направленных световых потоков создает эффект «оптического ограничения», возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава. Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятствует такое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слое по сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15--0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р--n-перехода. Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой