Лекция (САСУДС)12

Утверждаю Зав. Кафедрой СБС
д.т.н., проф.

"___"_______________200 р.


ЛекцИя №12
По учебной дисциплине
«Современные автоматизированные системы управления движением судов»
Тема: «ЛАЗЕРНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ».
Учебный класс:
время: 1-2 час.
Место: 52 ауд.
Учебная и воспитательная цель: «Формирование у студентов целостного представления о современных автоматизированных системах управления движением судов»

Учебные вопросы и распределение времени:

Вступление.................................................................................................5 мин.
1. Лазерные гидрографические системы ...35 мин.
2. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]......35 мин.
Выводы и ответы на вопросы....................................................................5 мин.

Учебно-материальное обеспечение: проектор, слайды.

Учебная литература:
1. Алексишин В.Г., Козырь Л.А., Короткий Т.Р. Международные и национальные стандарты безопасности мореплавания. - Одесса: «Латстар», 2002.-257с.
2. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем.-Л.: «Судостроение», 1986.-232с.
3. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика. - Одесса: «Латстар», 2003.-170с.
4. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л., Заичко С.И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. - Одесса: «Фенікс», 2005.-272с.
5. Вагущенко Л.Л. Судовые навигационно-информационные системы. - Одесса: «Латстар», 2004.-302с


СТРУКТУРА ЛЕКЦИИ И МЕТОДИКА ЕЕ ИЗЛОЖЕНИЯ

Лекция начинается с короткого вступления, в котором доводится тема, ее значение в подготовке специалиста, целевая установка и план. Так же во вступлении доводится рекомендуемая литература и ее краткая характеристика.В основной части лекции при определении очередного вопроса плана, формулируется его связь с обеспечивающими учебными дисциплинами и будущей деятельностью специалиста.

1. Лазерные гидрографические системы

В настоящее время за рубежом разработаны и успешно используются на практике лазерные навигационные системы, которые относятся к классу инструментальных систем. В данных системах с помощью бортового приемоиндикатора формируются численные значения координат места корабля.
Интерес к таким навигационным системам вызван, прежде всего, их способностью работать в условиях пониженной видимости, сумерках и в ночное время, а также высокой точностью и простотой измерений. Эти достоинства обусловлены малой угловой расходимостью лазерного луча, широкими возможностями сканирования и модуляции, монохроматичностью излучения, обеспечивающей насыщенность цвета, которая относительно легко позволяет различать его на фоне других огней и солнечных засветок. По указанным свойствам традиционные излучатели на много порядков уступают лазерным.
Лазерные инструментальные системы могут найти широкое применение при плавании по фарватерам, каналам, подходах к пирсам, причалам, постановке на бочки, оборудованные отражателями, при плавании вблизи берега с гористым изрезанным рельефом, где нужна большая разрешающая способность и минимальная «мертвая» зона, при поиске людей, спасательные средства которых покрыты отражающим слоем.
Лазерный створный маяк (ЛСМ) «Анемон» состоит из двух установленных на берегу лазерных маяков (узконаправленные лучи синхронно двигаются в горизонтальной плоскости, пересекаясь). Новая зрительная задача, решаемая судоводителем, состоит в том, чтобы вести судно в зоне одновременного (синхронного) восприятия огней, расположенных вдоль берега. При движении вдоль оси створа судоводитель видит одновременно оба лазерных огня в виде проблесков.
Лазерные огни совершенно безопасны для глаз. При отклонении от курса синхронность нарушается и возникает эффект «бегущего огня», указывающего направление возврата на фарватер. А временной интервал между вспышками указывает на величину уклонения от осевой линии (рис. 1.).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Принцип действия лазерного створного маяка «Анемон»
Проще говоря, при ориентировании по створу судоводитель наблюдает два красных проблесковых огня. При движении по oси створа два огня видны одновременно.
При отклонении от оси створа направление движения огней указывает необходимое изменение курса в сторону проблеска, появляющегося последним: если проблески наблюдаются как огонь, бегущий слева направо, то судно уклонилось влево, и чтобы вернуться на линию створа, необходимо взять «вправо», и, наоборот, если проблески наблюдаются как огонь, бегущий справа налево, то судно уклонилось вправо, и чтобы вернуться на линию створа, необходимо взять «влево».
Другой тип маяков построен на основе многоцветного полупроводникового лазерного излучателя световых импульсов наносекундной длительности с электронной накачкой и оптической системой формирования цветовых зон заданной пространственной конфигурации. Такие зоны обладают повышенной видимостью в экстремальных метеоусловиях и мешающих посторонних засветках.
Особенностью лазера является возможность формирования на одной излучающей поверхности нескольких зон, излучающих свет красного, зеленого, желтого цветов. Пространственное распределение излучающих зон оптической системой переводится в угловое: центральный луч - желтый, боковые - зеленый и красный. Путем изменения геометрии излучающих площадок, можно подбирать угол раствора лазерного пучка, сохраняя при этом угловую энергетическую плотность излучения.
Излучение лазера обладает повышенной видимостью в экстремальных метеоусловиях, в среднем превышающую метеорологическую дальность видимости от 3 до 5 раз.
Многоцветный полупроводниковый лазер позволяет создать створный маяк (ЛСМ), который формирует центральный створ в виде коридора, ширина которого задается конкретными требованиями. Такой створный маяк содержит два двухцветных ЛСМ на основе ПЛЭН, разнесенных в пространстве на ширину коридора.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]


Серьезный недостаток данных систем – поглощение и рассеяние лазерного луча в тумане, что несколько уменьшается благодаря высокой степени поляризации этого излучения.
В отрасли водного транспорта судовождение, безопасность управления судами в значительной мере зависит от береговой инфраструктуры, средств судоходной обстановки – створов, маяков. Несмотря на освоение в технике судовождения современных навигационных средств – сетей GPS и Глонасс, электронных карт и т.п., традиционные средства проводки судов и ограждения водных путей и подходов к портам сохраняют свою значимость и необходимость.
Основные результаты исследования точностных характеристик лазерных зрительных СНО показывают, что названные средства навигационного оборудования имеют достаточную для практического применения точность. Наибольшей точностью (до 2 м) обладают устройства, в которых для задания курсового направления используется способ «бегущий огонь» [1]. Кроме того, такие устройства позволяют получать непрерывную информацию о степени отклонения движущегося объекта от заданного направления.
Использование секторных лазерных маяков [1] открывает принципиально новые эксплуатационные возможности. Наиболее простую конструкцию имеет одноцветный трехсекторный маяк. Устройство может работать в режиме как секторного, так и створного маяка и позволяет уверенно удерживать судно в пределах судового хода. Использование одного лазера в качестве источника света дает возможность создавать наиболее надежные и относительно недорогие, экономичные устройства.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

Лазерные системы швартовки крупнотоннажных судов, разработанная совместно с компанией Marimatech AS, является вспомогательной для лоцманской службы порта и предназначена для повышения безопасности в процессе причаливания и швартовки судов, а также мониторинга их состояния после постановки к причалу. В основе ее работы лежит принцип действия лазерных дальномеров.
Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта.
Основное соотношение для вычисления энергии излучения 13 EMBED Equation.3 1415лазера необходимой для обеспечения максимальной измеряемой дальности 13 EMBED Equation.3 1415, может быть представлено в следующем виде:
13 EMBED Equation.3 1415
Где 13 EMBED Equation.3 1415 - минимальная регистрируемая фотоприемным устройством (ФПУ) энергия излучения лазера при заданной длительности импульса излучения на длине волны лазера; 13 EMBED Equation.3 1415 и13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициенты пропускания передающей и приемной оптических систем; 13 EMBED Equation.3 1415 - диаметр объектива приемной оптической системы; a - коэффициент потерь в атмосфере;13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент, равный отношению энергии излучения 13 EMBED Equation.3 1415Eц, попадающей на цель, к полной энергии Eо пучка излучения на цели (энергии, проходящей через плоскость, перпендикулярную оси пучка измерения в месте расположения цели);13 EMBED Equation.3 1415- площадь отражающей поверхности
Лазерные системы, применяемые для швартовки различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.
Импульсный лазерный дальномер это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения (фотоприемника).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, а также зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
При импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  расстояние до объекта, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  скорость света в вакууме, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  время прохождения импульса до цели и обратно.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Типовая форма зондирующего импульса при импульсном методе

Каждый импульс – это однократное измерение расстояния, но поскольку каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов, то с помощью усреднения результатов достаточно быстро достигается высокая точность измерений.
 [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
Осреднение импульсов
В ходе измерения делается около 20000 лазерных импульсов в секунду. Затем они усредняются для получения более точного значения расстояния. Обычные импульсные дальномеры имеют несколько худшую точность, чем фазовые дальномеры (до 10 мм). 
Фазовый лазерный дальномер - это дальномер, принцип действия которого основан на методе сравнения фаз отправленного и отражённого сигналов.
Принцип действия состоит в определении количества целых длин волн между локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Ширина полосы модуляции до 10 ГГц при использовании современных лазерных диодов (semiconductor laser diodes). Отметим, что в этом случае зондирующее излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом.
Для того, чтобы определить расстояние между источником и объектом, необходимо:
     1. Определить целое количество длин волн модуляции K, приходящихся на это расстояние.
     2. Определить разность фаз [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] между принятой и опорной волной и тем самым оценить дополнительное расстояние, соответствующее «последней» неполной волне.
     Если значения K и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- длина волны модуляции.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] состоит из следующих элементов:
лазерных сенсоров
метеостанции, включающей датчики скорости и направления ветра и датчик высоты волны
цифрового информационного табло
центра управления (ЦУ), включающего компьютер ЦУ с программным обеспечением, принтер, источник бесперебойного питания
канала связи, включающего мультиплексоры и оптоволоконную кабельную линию
Сбор данных
Сбор данных от датчиков системы и формирование группового сигнала осуществляется через мультиплексор. Волоконнооптический кабель обеспечивает соединение мультиплексора на причале и в центре управления. Отображение положения крупнотоннажных судов происходит на рабочем дисплее центра управления. Программное Обеспечение (ПО) состоит из электронной карты и базы данных.
Данные по судам автоматически сохраняются на жестком диске компьютера ЦУ с возможностью просмотра процесса швартовки и вывода на печать. ПО должно иметь модуль тестирования всей системы, включая компьютер ЦУ, датчики, табло. ПО производит расчет положения судов, скорости и направления ветра, волнения моря, температуры воздуха.

Состав базы данных
БД содержит следующие данные:
название судна
судовладелец
время начала/конца постановки к причалу
предупреждения в процессе постановки к причалу
данные по стоянке судна (мониторинг состояния судна)
Отображение информации
Информация с компьютера ЦУ (дальность до судна, скорость сближения по корме и носу) отображается на табло. Табло соединено кабелем с мультиплексором. Информация на табло читаема с расстояния 200 м в дневное и ночное время при нормальной видимости. Табло выполнено для условий взрывоопасной зоны.

Лекция заканчивается формулировкой кратких выводов по рассматриваемому материалу, изложением рекомендаций для самостоятельной работы и ответами преподавателя на вопросы студентов.

Разработал профессор кафедры СБС
д.т.н _________________

Лекция одобрена и утверждена на заседании кафедры СБС протокол №_____ от ___ ___________ 20 г.

Приложенные файлы

  • doc 19253882
    Размер файла: 245 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий