автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Совершенствование методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением

) I

На правах рукописи

Витухновский Борис Игоревич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПАСНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПРИ ВЗЛЕТЕ И ПОСАДКЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ И КОНТРОЛЯ ЗА ИХ АКУСТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

I

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2003

»

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническим университете гражданской авиации

i

доктор технических наук, профессор Рубцов В.Д. доктор технических наук, профессор Прохоров A.B.

кандидат технических наук, доцент Егоров В.И. Московское конструкторское бюро «Компас»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится «_» _ 2003 г. в_ часов

на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: 125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «_»

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С.К.Камзолов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Согласно статистическим данным ИКАО 78% всех авиационных происшествий, связанных с метеоусловиями во время взлета и посадки воздушных судов (ВС), вызвано резким изменением скорости и направления ветра, так называемым «сдвигом ветра».

Традиционные наземные средства предупреждения о сдвиге ветра строятся с использованием датчиков, измеряющих скорость ветра - анемометров, устанавливаемых в центральной части аэропорта и на его периферии. Помимо «фрагментарности» картины состояния атмосферы в аэродромной зоне недостатком такой системы является низкая оперативность контроля.

Другим видом опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне являются турбулентные пульсации атмосферы на ВПП, вызываемые «спут-ным следом» от ВС, осуществляющего взлет или посадку.

Большая часть ограничений, присущих указанным выше системам обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, может быть снята при использовании для контроля за состоянием воздушной среды пространственно протяженных устройств регистрации волновых возмущений, чувствительным элементом которых служит зондирующий луч из когерентных узконаправленных электромагнитных колебаний СВЧ или оптического диапазонов, либо акустических колебаний.

Принцип действия таких устройств основан на эффекте параметрического взаимодействия волн в среде. При этом изменение скорости распространения колебаний в зондирующем луче, обусловленное их взаимодействием с регистрируемыми колебаниями, приводит к возникновению фазовой модуляции зондирующих колебаний. Накопленная по длине луча девиация фазы, содержащая информацию об интенсивности волновых возмущений и направлении на их источник может бьггь измерена методами микрофазометрии.

Использование пространственно протяженных параметрических регистрирующих устройств позволяет избежать фрагментарности регистрируемой картины атмосферных возмущений и осуществлять направленный прием волновых возмущений низкой частоты, к которым относятся возмущения типа сдвига ветра. Обеспечивается также оперативность контроля воздушной среды, который может осуществляться в реальном масштабе времени.

Рассматриваемые параметрические регистрирующие устройства могут быть использованы также для решения задачи контроля за акустическим излучением ВС в зоне взлета и посадки, что особенно актуально в связи о воо

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА | С. Петербург л ]

оэ

растающими требованиями по допустимому уровню шума, создаваемого ВС. ~

Спектральный состав акустических шумов, генерируемых ВС, достаточно сложен. При этом акустический спектр газовой струи, истекающей из сопла реактивного двигателя, являющегося основным источником акустического излучения ВС, сосредоточен, в основном, в области ультразвука, на которую приходится примерно 95% общей мощности излучения.

Стандартная методика измерения уровня акустического излучения ВС не предусматривает детального анализа его спектра. Между тем, знание «тонких» характеристик акустического излучения ВС важно как с точки зрения идентификации источников излучения, и, соответственно, определения путей совершенствования авиационной техники, направленного на уменыие- '

ние уровня шума, так и с точки зрения определения уровня компонент излучения, оказывающих наиболее вредное воздействие на человека, - инфразву- \ ковой и ультразвуковой, не регистрируемых стандартной аппаратурой из-за ее ограниченной полосы пропускания. Кроме того, стандартная аппаратура, будучи локальной, не обладает выраженными направленными свойствами, что затрудняет определение уровня шума конкретного ВС в реальных условиях эксплуатации из-за мешающего воздействия посторонних источников излучения и, в первую очередь, других ВС, находящихся в аэродромной зоне.

Как и в случае обнаружения опасных атмосферных возмущений, при решении задачи контроля за акустическим излучением ВС в зоне взлета и посадки большая часть ограничений, присущих существующим системам контроля, может быть решена с использованием параметрических устройств регистрации волновых возмущений, позволяющих осуществлять направленный прием акустического излучения в широком диапазоне частот, включая его инфразвуковую и ультразвуковую части.

Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач: I. Развитие теории пространственно протяженных устройств регистрации атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и акустического излучения воздушных судов на этапах взлета и посадки, принцип действия которых основан на эффекте параметрического взаимодействия зондирующих и

регистрирующих колебаний с последующим выделением продуктов взаимодействия методами микрофазометрии, в части влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности и направленности и частотные свойства регистрирующих устройств.

2. Разработка на основе эффекта параметрического взаимодействия волн аппаратурных средств для обнаружения опасных атмосферных возмущений на этапах взлета и посадки воздушных судов и оповещения экипажа о характеристиках этих возмущений и средств контроля за акустическим излучением воздушных судов, осуществляющих взлет и посадку, в широком диапазоне частот, а также пеленгования источников акустического излучения.

3. Экспериментальное исследование параметрических устройств регистрации атмосферных возмущений и акустического излучения воздушных судов на электромагнитном и акустическом зондирующих лучах с целью экспериментального подтверждения основных теоретических результатов диссертации.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе использованы методы математической и экспериментальной физики, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ характеристик параметрических регистрирующих устройств с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами и теоретически и экспериментально обоснована возможность создания на их основе систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучениям.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- проведен сравнительный анализ направленных свойств и частотных характеристик параметрических устройств регистрации волновых возмущений с электромагнитным (оптическим или СВЧ) и акустическим зондирующими лучами с точки зрения применимости их для обнаружения опасных атмосферных возмущений типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на ВПП, вызванных спутным следом ВС, и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки;

- произведена оценка влияния толщины зондирующего луча и его искривления при распространении в среде на характеристики параметрических регистрирующих устройств с зондирующими лучами различной физической природы и определены критические значения параметров зондирующего лу-

ча, обеспечивающие сохранение работоспособности устройства;

- выведены аналитические выражения для дисперсии сигнала на выходе параметрического регистрирующего устройства при воздействии на его вход стохастического сигнала типа турбулентных пульсаций атмосферы, а также для отношения сигнал/помеха на выходе устройства при приеме детерминированного сигнала на фоне флуктуационной помехи, и показано, что параметрическое регистрирующее устройство способно осуществлять пространственную фильтрацию сигнала, причем длина зондирующего луча эквивалентна времени наблюдения в обычном фильтре;

- разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки с СВЧ зондирующим лучом и теоретически оценены его чувствительность и уровень помех, обусловленных тепловыми шумами при микрофазометрии, термодинамическими возмущениями атмосферы и ее турбулентными пульсациями при ветре;

- разработаны параметрические устройства обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС и фазовый пеленгатор источника возмущений с оптическими зондирующими лучами и даны теоретическая и экспериментальная оценки чувствительности и направленных свойств этих устройств;

- разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС с акустическим зондирующим лучом, оценены ограничения на частоту колебаний в луче, обусловленные влиянием флуктуирующей среды, предложен двухчас-тотный метод ослабления этого влияния и экспериментально оценена чувствительность устройства при регистрации акустических и ветровых возмущений в воздушной среде.

На защиту выносятся:

1. Теоретический анализ влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности, направленности и частотные свойства параметрических устройств обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами.

2. Разработка систем обнаружения и оценки параметров опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС при взлете и посадке на основе параметрических регист-

рирующих" устройств с микрофазометрическим принципом съема полезной информации.

3. Данные экспериментальных исследований систем регистрации атмосферных возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- повысить эффективность наземных систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и передачи информации о них на борт воздушного судна;

- повысить эффективность систем контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки и оптимизировать расположение трасс захода на посадку и вылета с точки зрения минимизации уровня шума на прилегающей к аэропорту местности.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» и Особом конструкторском бюро «Компас-М», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Мевдународной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г.Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (МГТУ ГА, 2003).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Основная часть диссертации содержит 123 страницы текста, 39 рисунков, 2 таблицы и библиографию из 55 наименований. Общий объем работы -126 страниц.

Содержание работы

В первой главе диссертации рассмотрены теоретические основы построения систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке ВС и контроля за их акустическим излучением на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде, а именно: взаимодействии регистрируемых колебаний с когерентными колебаниями в зондирующем луче, являющемся чувствительным элементом регистрирующего устройства,

с последующим выделением методами микрофазометршГ накопленных по длине луча полезных продуктов взаимодействия.

При использовании электромагнитного (оптического или СВЧ) зондирующего луча для регистрации атмосферных возмущений инфразвукового диапазона или акустических волн, излучаемых ВС, параметрическое взаимодействие зондирующих и регистрируемых колебаний обусловлено изменением показателя преломления среды под действием последних, приводящим к модуляции волновым возмущением скорости распространения волн в луче и, соответственно, временной задержки (и фазы) зондирующих колебаний.

При использовании акустического зондирующего луча модуляция скорости распространения волн в луче обусловлена двумя эффектами: нелинейностью адиобатического уравнения состояния среды и переносом точки профиля волн в луче модулирующей волной.

Чувствительность рассматриваемого параметрического устройства регистрации атмосферных возмущений характеризуется девиацией фазы колебаний на выходе зондирующего луча, определяемой выражением

_ 8 с L

Д(/ = 2л---— ,рад., (1)

с Л0

где <5с / с = (dc / dp) 8Р / с - относительное изменение скорости распространения волн в луче под действием избыточного давления 8Р, создаваемого возмущением; L и До - соответственно, длина луча и длина волны колебаний в нем; del dP- крутизна параметрической зависимости с(Р), равная

^ ^ |2,7-10"7 8 /'[мбар]- для электромагнитного луча, ^ ~ [8,5-КГ1" 8Р[мбар] - для акустического луча.

Из (2) следует, что чувствительность регистрирующего устройства с электромагнитным зондирующим лучом выше, чем устройства с акустическим лучом, причем, поскольку, как следует из (1), чувствительность обратно пропорциональна длине волны зондирующих колебаний Ао, она выше при использовании колебаний оптического диапазона.

При допущении о гармоническом законе изменения атмосферного возмущения фаза колебаний на входе зондирующего луча также изменяется по гармоническому закону с девиацией д{р, а), зависящей от отношения длины луча к длине волны регистрируемого возмущения р - L / Я и от угла а между направлениями луча и возмущения (рис. 1) и определяемой выражением

= (3)

где

¡sin (я- p cos а)/л p cos a¡ - для электромагнитного луча, Isin(2тг р sin2 а/2)/2я р sin2 а / 2| — для акустического луча

функция, играющая роль нормированной амплитудной диаграммы направленности (ДН) регистрирующего устройства. При этом А ц/ имеет смысл максимума девиации фазы, имеющего место при

Проведенный теоретический анализ характеристик параметрических регистрирующих устройств с зондирующими лучами различной физической природы позволяет сделать вывод о перспективности использования их для решения зада обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением воздушных судов.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы аппаратурной реализации систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением.

Наибольшая протяженность зондирующего луча параметрического регистрирующего устройства и, соответственно, наибольшие размеры контролируемого пространства могут быть реализованы при использовании в качестве зондирующих колебаний радиоволн СВЧ диапазона. Такое устройство может быть использовано, в частности, для регистрации атмосферных возмущений типа сдвига ветра и для контроля за акустическим излучением ВС.

Структурная схема предложенного в работе параметрического регистрирующего устройства с СВЧ зондирующим лучом представлена на рис. 2.

На ней обозначено: РПДУ - радиопередающее устройство, РПУ - радиоприемное устройство, Ум. - умножитель, ОГ - опорный генератор, Ус. -усилитель, ПФ - полосовой фильтр, ФД - фазовый дискриминатор, УЭ -управляющий элемент, ФАП - фазовая автоподстройка.

Устройство помимо СВЧ радиоканала содержит УКВ радиоканал для передачи опорной фазы, колебания в котором возбуждаются от общего с СВЧ радиоканалом ОГ. При этом принятый по УКВ радиоканалу опорный сигнал используется, с одной стороны, для формирования гетеродинной частоты в РПУ СВЧ канала, а с другой - для демодуляции СВЧ сигнала, промо-дулированного по фазе атмосферным возмущением. Демодуляция осуществляется в кольце ФАП, подстраивающей опорный сигнал с выхода РПУ УКВ

± к / 2 - для электромагнитного луча,

0-для акустического луча.

(5)

канала под среднее значение фазы сигнала промежуточной частоты с выхода РПУ СВЧ канала. Демодулированный сигнал снимается с выхода ФД и после усиления и фильтрации поступает на выход устройства.

СВЧ ЛУЧ

Рис. 2

При сдвиге ветра скачки деления составляют единицы миллибар. Полагая <5Р = 5 мбар и принимая активную длину луча (длину участка луча, непосредственно находящегося в зоне возмущения) равной £ = 100м, из(1)с учетом (2) при с = 3-Ю8 м/сек и Яо = 3,2 см получаем Д(/= 2,6-Ю'2 рад.

Регистрация таких фазовых сдвигов методами микрофазометрии не представляет принципиальных затруднений, поскольку при этом задача сводится к измерению напряжения

Аи=итАр, (6)

где и„ - амплитуда опорного сигнала.

Полагая 1/т = 1 в, при Д у/= 2,6-10"2 рад. из (6) получаем Д II г 26 мВ. Избыточное звуковое давление, создаваемое двумя реактивными двигателями ВС мощностью 10 тыс. л.с. каждый в диапазоне частот50 Гц ... 3 кГц (Л = 11 см ... 660 м), для которых длина волны существенно превышает длину волны в СВЧ луче (Яо = 3,2 см), что необходимо для получения модуляционного эффекта, на удалении г = 3 км при допущении, что дополнительное затухание акустического излучения, обусловленное поглощением и рассеянием волн, не превышает 30 дБ, составляет 5Р = 17 мбар. При этом в соответствии с (1), (2) и (6) имеем: Ац/= 8,2-Ю"2 рад., Д С/ = 82 мВ

Из факторов, определяющих чувствительность регистрирующего устройства на СВЧ луче, можно указать на турбулентные пульсации атмосферы, термодинамические процессы в ней и шумовой порог избирательного уст-

ройства. При указанных выше условиях среднеквадратическое отклонение (СКО) флуктуаций девиации фазы на выходе зондирующего луча, обусловленных указанными факторами, соответственно равно 4,4-Ю"6 ; 2,5-Ю"7 и 10"* рад., что на несколько порядков меньше значений девиации фазы, обусловленных сдвигом ветра и акустическим излучением ВС. Отсюда можно заключить, что принципиальных отграничений на возможность обнаружения с использованием параметрического регистрирующего устройства на СВЧ зондирующем луче указанных источников атмосферных возмущений нет.

Потенциально более высокая чувствительность параметрического регистрирующего устройства, как отмечалось, может быть реализована при использовании оптического зондирующего луча. На рис. 3 приведена структурная схема предложенного и реализованного устройства такого типа.

На ней обозначено: ОКГ - оптический квантовый генератор, ФП - фотоприемник, ГОН - генератор опорного напряжения, ПЭ - пьезоэлемент с отражателем, ФПЧ - фильтр нижних частот, Ус. - усилитель, ПФ - полосовой фильтр, Отр. - отражатель. Источник

------ВЯЧя возмущения

Устройство построено по принципу интерферометра с ФП, работающим на «темном фоне». При этом ФАП колебаний в зондирующем луче осуществляется изменением длины оптического луча, осуществляемым с помощью ПЭ и двух Отр.: одного, входящего в состав интерферометра, и второго -внешнего, расстояние до которого определяет длину зондирующего луча. Управляется ПЭ с выхода ФП через ФНЧ, полоса пропускания которого определяет инерционность ФАП. Полезный сигнал снимается с выхода ФП.

Высокая чувствительность параметрического регистрирующего устройства на оптическом зондирующем луче позволяет на его основе построить устройство регистрации опасных турбулентных пульсаций атмосферы на ВПП, вызванных спутным следом от ВС, интенсивность которых ниже ин-

тенсивности атмосферных возмущений типа сдвига ветра. На рис. 4 приведена предложенная структурная схема такого устройства. На ней обозначено: РС - расщепитель света, Кор. - коррелятор, ПУ - пороговое устройство, РУ -решающее устройство, остальные обозначения - те же, что и на рис. 3.

Устройство на параллельных оптических лучах, разнесенных на расстояние, превышающее среднее значение радиуса пространственной корреляции турбулентных пульсаций гср, позволяет компенсировать систематическую погрешность, обусловленную влиянием дестабилизирующих факторов. При этом полезный эффект, обусловленный фазовой модуляцией зондирующих колебаний в лучах турбулентными пульсациями атмосферы, накапливается по длине луча, причем дисперсии флуктуации девиации фазы в лучах вследствие взаимной некоррелированности этих флуктуации между собой суммируются на выходе ФП, работа которого на «темном фоне» обеспечивается ФАП, аналогичной ФАП в схеме, представленной на рис. 3.

ПЭ

/ОК1

впп

Отр

-тгггю

Рис.4

Усиленный сигнал с выхода ФП оценивается в ПУ и Кор. и, если СКО вызванных атмосферными пульсациями флуктуаций девиации фазы а¥ и интервал их корреляции тк удовлетворяют условиям:

СТГп> ^пор.'

Тк < < Г.

мин, * микс. ■

(7)

ГДе > Ч.а«.и

- соответственно, пороговое значение СКО флуктуаций, превышение которого опасно для полета ВС, и граничные значения тк, нахождение в которых также опасно, то по каналу связи на борт ВС передается сообщение об опасных атмосферных возмущениях в зоне ВПП.

Заметим, что интервал корреляции тк связан со средним радиусом пространственной корреляции турбулентных пульсаций атмосферы гф приближенным соотношением

тк = гср / а, (8)

где а - скорость распространения возмущения. При этом опасньми считают-" ся пульсации, у которых г'ср соизмерим с размерами планера ВС.

Предложена схема фазового пеленгатора, состоящего из двух параметрических регистрирующих устройств, выполненных по схеме представленной на рис. 3, с параллельными оптическими зондирующими лучами различной длины L¡h ¿2- Формирование колебаний в этих лучах, также как опорных колебаний осуществляется из единого ОКГ с помощью расщепителей света.

Пеленгационная характеристика формируется с помощью фазового дискриминатора, измеряющего разность фаз колебаний на выходах регистрирующих устройств записывается

Д в(р, а) = к A pcos а, (9)

где Д р - р, - pi - (Lr Li) / Я. ) При пеленговании источника звука с частотой/ = 10 кГц (Я = 3,3 см)

(или «вырезании» с помощью полосового фильтра из спектра широкополосного источника акустического излучения участка спектра с такой центральной частотой) для L, - ILi = 66 см, полагая инструментальную погрешность фазового дискриминатора равной 86Р = 1°, получаем инструментальную погрешность фазового пеленгатора да =2', что соизмеримо с погрешностью, реализуемой в лазерных системах траекторных измерений (ЛСТИ).

В работе предложено регистрирующее устройство с акустическим зондирующим лучом, структурная схема которого представлена на рис. 5.

Здесь обозначено: Ак.Изл. и Ак.Прм. - акустический излучатель и акустический приемник; остальные обозначения - те же что и на рис. 2.

Устройство работает по принципу пространственного генератора, включающего в себя акустический канал, выполняющий роль зондирующего луча. Сигнал с его выхода ретранслируется в УКВ радиоканал, выполняющий роль канала обратной связи. Принятый радиосигнал после фильтрации в ПФ, частота настройки которого v0 определяет рабочую частоту v пространственного генератора, поступает на акустический излучатель. Под среднее значение фазы сигнала на выходе РПУ с помощью ФАП подстраивается ОГ. Полезный сигнал, как и в устройстве с СВЧ лучом, снимается с выхода ФД ФАП.

Процедура выделения полезной информации в параметрическом регистрирующем устройстве может быть упрощена, если перейти от фазовых изме-

f

' рений к частотным с учетом известной связи этих параметров. При этом ис-

' чезает необходимость в организации специального канала передачи опорной

i) фазы. Однако частотным измерениям присуща худшая по сравнению с фазо-

вым измерениями инструментальная точность. ' ~

Предложено и реализовано регистрирующее устройство с акустическим лучом, сочетающее преимущества частотного и фазового методов измерения. Его структурная схема представлена на рис. 6. Здесь обозначено: ИФ - измеритель фазы. Остальные обозначения - те же, что и на рис. 5.

уу)тт

Акустический луг;

Возмущение

Ак.Изл. ПФ

УКВ РПДУ

Ак. Прм.

Рис.5

>=1

' ! ' | Источник \ \ \ \ \ возмущения

\ \ \

УКВ РПУ

II

Ак. Изл.

Акустический луч

П.

Рис.6

ПФ

Ус.

Ус.

Вых.

I

ИФ

7

Устройство помимо акустического канала содержит радиоканал, замыкающий цепь обратной связи пространственного генератора. Сигнал в радиоканале модулируется по амплитуде сигналом с выхода акустического канала. С помощью узкопояосного кварцевого ПФ, на вход которого после амплитудной демодуляции в УКВ РПУ поступает сигнал, в частотной модуляции которого содержится полезная информации об атмосферном возмущении, частотная модуляция преобразуется в фазовую с девиацией фазы, определяемой крутизной фазо-частотной характеристики ПФ. После этого измеряется разность фаз колебаний на входе и выходе с помощью ИФ, роль которого может выполнять микрофазометр.

При гармоническом атмосферном возмущении закон изменения разно-

сти фаз, повторяя закон изменения мгновенной частоты, остается гармоническим и отличается от исходного лишь сдвигом фазы на я/2. При этом вид амплитудной и фазовой ДН регистрирующего устройства полностью сохраняется, а-максимальное значение девиации разности фаз, характеризующее чувствительность регистрирующего устройства, определяется выражением Л <Рр=^Пф а&щ (10)

где т - частота регистрируемого возмущения, Л у/- девиация фазы колебаний на выходе зондирующего луча, определяемая выражением (1).

На основании рассмотрения вопросов аппаратурной реализации систем ( контроля за опасными атмосферными возмущениями при взлете и посадке

ВС и их акустическим излучением на основе эффекта параметрического взаимодействия волн можно сделать вывод о реализуемости таких систем. ^ В третьей главе диссертации приведены результаты эксперименталь-

ных исследований устройств регистрации атмосферных возмущений на оптическом и-акустическом зондирующих лучах.

Были проведены экспериментальные исследования описанного выше параметрического регистрирующего устройства с оптическим зондирующим лучом, структурная схема которого представлена на рис.3.

При этом экспериментальная установка имела следующие характеристики: длина волны оптических колебаний, генерируемых неон-гелиевым ОКГ, Ло = 0,63 мкм; излучаемая мощность = 10 мВт; угол расхождения луча Д1о = 5'; длина луча до отражателя, закрепленного металлической балке, £ = 1 м.

Генерируемые генератором гармонических сигналов акустические колебания частотой / — 6,6 кГц, модулированные по амплитуде последовательностью прямоугольных импульсов с частотой следования Р = 5 Гц и скважностью д = 2, излучались в воздушную среду акустическим излучателем типа ЦТС-19. Регистрация принятых колебаний производилась с помощью осциллографа и документировалась путем фотографирования его экрана.

Оценка чувствительности регистрирующего устройства производилась путем регулировки мощности излучения акустического излучателя Рак до ве-^ личины, соответствующей интенсивности звука при разговоре (/ = 10"'°

р= 20 ВОЗДУХ 1= 10"1ОВт/см2 («РАЗГОВОР»)

Вт/см3). При этом интенсивность звука оценивалась на слух. При.указанной интенсивности регистрировался уверенный прием акустических волн при размещении излучателя на расстоянии 2 м от середины оптического луча.

Была снята амплитудная ДН регистрирующего устройства. Она снималась путем перемещения акустического излучателя по окружности радиусом 2 м с центром в середине луча. Вид ДН показан на рис. 7. Здесь же пунктиром показана расчетная ДН, полученная при относительной длине зондирующего луча р = L I Х = Lf! а = 1 ■ 6,6 • 103/330 = 20 м, где а = 330 м/сек -скорость распространения акустических волн, остальные обозначения -прежние. Как видим, совпадение экспериментальных и расчетных данных достаточно хорошее. Так, ширина главного лепестка ДН, снятой экспериментально, составляет примерно 6° при расчетном ее значении 5,7°.

Были проведены в реальных условиях экспериментальные исследования параметрического регистрирующего устройства с акустическим зондирующим лучом, радиоканалом в цепи обратной связи, фазо-частотным преобразованием принимаемого сигнала и микрофазометрическим преобразователем. Структурная схема этого устройства приведена на рис. 6. При этом экспериментальный образец устройства имел следующие характеристики: рабочая частота радиоканала 30 мГц, рабочая частота акустического канала 10 кГц, полоса пропускания кварцевого полосового фильтра 1 Гц акустический излучатель и преобразователь акустического сигнала в электрический - пьезоэлектрического типа, регистрирующее устройство 0 самописец.

С помощью этой экспериментальной установки при длине зондирующего луча 70 м регистрировались порывы ветра в открытом пространстве со скоростью 3 ... 8 м/сек. Сравнение данных об усилении и спаде ветра, полученных от параметрического регистрирующего устройства и анемометра, проведенное по выборке из 40 замеров, дало вероятность совпадения данных Рсо.п = 0,8.

На основании проведенных экспериментальных исследований параметрических регистрирующих устройств с оптическим и акустическим зондирующими лучами можно сделать выводы о том, что основные положения теории пространственно протяженных регистрирующих устройств на основе эффекта параметрического взаимодействия волн получили экспериментальное подтверждение.

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи совершенствования методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением. В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Развита теория устройств регистрации атмосферных возмущений различного вида на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде в части анализа их чувствительности, направленности, частотной избирательности и фильтрующих свойств при использовании зондирующих лучей различной физической природы.

2. Дана оценка влияния параметров зондирующего луча и параметров среды распространения на характеристики параметрического регистрирующего устройства.

3. Предложены, реализованы и испытаны устройства регистрации акустических и ветровых возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде с оптическим и акустическим зондирующими лучами, а также предложено аналогичное устройство с зондирующим СВЧ лучом и теоретически обоснована возможность его реализации.

4. Разработаны принципы построения на основе параметрических регистрирующих устройств систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций атмосферы на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.

5. Предложен двухчастотный метод обеспечения когерентности при фазовых измерениях в параметрических регистрирующих устройствах, осуществляющих регистрацию возмущений в сильно флуктуирующей среде.

| 6. Предложен и реализован микрофазометр повышенной помехоустой-

чивости для использования в параметрических устройствах регистрации ат-' мосферных возмущений.

7. Экспериментально доказана возможность направленного приема аку-! стических волн звукового диапазона с помощью параметрического регистри-

рующего устройства с оптическим зондирующим лучом. ^ 8. Экспериментально доказана возможность регистрации атмосферных

возмущений очень низких частот, а также ветровых возмущений с помощью ^ параметрического регистрирующего устройства с акустическим зондирую-

1 щим лучом и радиоканалом в цепи обратной связи.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрических устройств регистрации акустических и ветровых возмущений с электромагнитным (оптического или СВЧ диапазона) и акустическим зондирующими лучами свидетельствуют о возможности создания на их основе принципиально новых систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки, обладающих более высокими показателями чувствительности и направленности приема регистрируемых возмущений, в том числе и очень низких частот, по сравнению с традиционными системами, основанными на использовании локальных датчиков.

2. Потенциально наиболее высокая чувствительность приема может / быть реализована при использовании параметрических регистрирующих устройств с оптическим зондирующим лучом. Однако большая направленность приема при регистрации атмосферных возмущений может быть достигнута

при использовании устройств с СВЧ радиолучом вследствие возможности реализации большой протяженности последнего. При этом устройства с электромагнитным (оптическим или СВЧ) зондирующим лучом существенно широкополоснее устройства с акустическим лучом, что позволяет эффективно использовать их в системах, осуществляющих регистрацию возмущений в широком диапазоне частот, таких как системы предупреждения об опасных атмосферных возмущениях в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Витухновский Б.И. Система обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне при взлете им посадке воздушных судов на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54, с. 150-155.

2. Витухновский Б.И. Система регистрации акустического излучения воздушных судов на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №61, с. 45-49.

3. Витухновский Б.И. Пеленгование воздушного судна по его акустиче- , скому излучению с использованием эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 62, с. 5 7-61. »

4. Витухновский Б.И. Пространственная фильтрация сигнала в системе обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 62, с. 68-71.

5. Витухновский Б.И. Системы регистрации опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне на основе параметрических волновых антенн. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования авиационной техники и систем воздушного транспорта», т. III. С.-Петербург: АГА, 1998, с.34-38.

6. Витухновский Б.И. Использование параметрических волновых антенн для траекторных измерений при калибровке систем посадки. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствование авиационной техники и систем воздушного транспорта», т. III . С.-Петербург: АГА, 1998, с. 68-72.

7. Витухновский Б.И., Рубцов В.Д. Обнаружение опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне при взлете и посадке ВС путем зондирования атмосферы узконаправленными колебаниями. Международная конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002». Тезисы докладов. Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2002, с. 85.

8. Витухновский Б.И., Рубцов В.Д. Контроль за акустическим излучением ВС в аэродромной зоне с использованием волновых антенн на основе параметрического взаимодействия волн в среде. Международная конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002». Тезисы докладов. Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2002, с. 120.

9. Витухновский Б.И. Метод обнаружения «сдвига ветра» и турбулентных пульсаций атмосферы на ВПП с использованием когерентных зондирующих лучей. Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», тезисы докладов. М.: МГТУ ГА, 2003, с. 115.

10. Витухновский Б.И. Контроль акустического излучения и пеленгование ВС с использованием когерентных зондирующих лучей. Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». Тезисы докладов. М.: МГТУ ГА, 2003, с. 111-112.

Соискатель П

Л I'

Подписано в печать 24.04.2003 г. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,25 уч.-изд. л.

1,16усл.печ.л. Заказ № 1014//У//" Тираж 70 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д. 6а

© Московский государственный

технический университет ГА, 2003

í

I

l-,

2-Ъо?-Л if. oaa3és^

h

(

\

i

»

Введение.

Ф 1. Теоретические основы построения систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением на основе эффекта параметрического взаимодействия волн.

1.1. Принципы регистрации волновых возмущений путем выделения методами микрофазометрии продуктов их параметрического взаимодействия с зондирующими колебаниями.

1.2. Анализ направленных и частотных свойств устройств регистрации волновых возмущений с зондирующими лучами различной физической природы. 1.3. Анализ влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики параметрического устройства регистрации волновых возмущений.

1.4. Анализ фильтрующих свойств параметрических устройств регистрации волновых возмущений на зондирующих лучах.

1.5. Основные научные результаты и выводы.

2. Аппаратурная реализация систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов ^ и контроля за их акустическим излучением на основе эффекта параметрического взаимодействия волн.

2.1. Аппаратурная реализация параметрических устройств регистрации волновых возмущений с зондирующими лучами различной физической природы.

2.2. Особенности реализации устройств регистрации волновых возмущений в сильно флуктуирующей среде.

2.3. Технические решения основных элементов параметрических регистрирующих устройств.

2.3.1. Принцип построения векторного микрофазометрического преобразователя.

2.3.2. Анализ погрешности цифровых систем слежения за фазой и ее измерения в параметрических регистрирующих устройствах.

2.3.3. Принцип регистрации волновых возмущений с использованием фазо-частотного преобразования.

2.4. Основные научные результаты и выводы.

3. Экспериментальные исследования параметрических устройств регистрации атмосферных возмущений.

3.1. Экспериментальные исследования устройства регистрации

Ф атмосферных возмущений с оптическим зондирующим лучом.

3.2. Экспериментальные исследования устройства регистрации атмосферных возмущений с акустическим зондирующим лучом.

3.3. Основные научные результаты и выводы.

Актуальность работы. Проблема мониторинга природных сред актуальна для многих отраслей народного хозяйства, науки и техники. Существенное значение для обеспечения безопасности полетов воздушных судов (ВС) на наиболее ответственных этапах полета - взлета и посадки имеет система контроля состояния воздушной среды в аэродромной зоне , и в частности в зоне взлетно-посадочной полосы (ВГШ).

Согласно статистическим данным ИКАО 78% всех авиационных происшествий, связанных с метеоусловиями во время взлета, захода на посадку или посадки, вызвано резким изменением скорости и направления ветра в приземном воздушном слое, так называемым «сдвигом ветра» [1].

Опасные сдвиги ветра на малой высоте могут быть вызваны различными метеорологическими причинами: восходящими и нисходящими воздушными потоками, особенно часто имеющими место в гористой местности; струйным течением на малых высотах; сильными инверсиями температуры на малых высотах, особенно характерными для прибрежных и предгорных районов.

Сдвиг ветра приводит к появлению турбулентности, вызывающей осложнение полета ВС. Причиной турбулентности может служить также так называемый «спутный след», сопровождающий ВС.

При прохождении линии сдвига ветра через пункт метеорологического контроля имеют место резкие скачки давления, насчитывающие несколько миллибар.

Традиционные наземные средства предупреждения о сдвиге ветра строятся с использованием локальных датчиков, измеряющих скорость ветра, - анемометров. Так, в США разработана система предупреждения о сдвиге ветра на малой высоте LLWSAS (Low level wind shear alert system) [2]. Эта система с помощью анемометров, устанавливаемых на периферии аэропорта и в центральной его части, преимущественно у ВПП, снимает данные о скорости и направлении ветра, которые по каналам связи передаются в командно-диспетчерский пункт (КДП), откуда эти данные после обработки в ЭВМ передаются на борт ВС, заходящего на посадку или готовящегося к взлету.

Когда разность скоростей ветра, зафиксированных периферийными и центральным анемометрами, превышают 7 м/сек, на индикаторы диспетчеров КДП выдается дополнительная информация, которая передается ими по каналу радиосвязи в виде предупреждения об опасности на борт соответствующих ВС. При этом данные о ветре, поступающие с периферийных установок, усредняются за 30 сек с помощью электронных фильтров. Скорости ветра, снимаемые с центрального анемометра, усредняются за 2 мин при любом порыве ветра, превышающем определенный максимум.

Из изложенного можно сделать заключение о присущих указанному методу регистрации опасных атмосферных возмущений недостатках. Во-первых, как любому методу мониторинга, использующему локальные датчики, этому методу присуща фрагментарность регистрируемой картины возмущений, что естественно снижает его надежность. Кроме того, при его использовании относительно невелика оперативность в принятии решения об опасном характере атмосферных возмущений, что особенно важно в условиях высокой интенсивности воздушного движения.

Наряду с использованием анемометров, осуществляющих непосредственную регистрацию сдвига ветра, возможны косвенные методы, основанные на обнаружении радиофизическими методами метеоявлений, при водящих к сдвигу ветра, поскольку известно, например, что сдвиг ветра на малой высоте под воздействием нисходящих воздушных потоков может иметь место в основании грозового облака [1]. Радиофизические методы исследования природной среды широко используются и достаточно полно освещены в литературе [3, 4].

Однако, косвенные методы обнаружения сдвига ветра и сопутствующей ему турбулентности атмосферы, вызывающей осложнение полета ВС на наиболее ответственных этапах полета -при взлете и посадке, нося прогностический характер, очевидно не удовлетворяют условию оперативности принятия решения об опасном характере атмосферных возмущений.

Непосредственные методы обнаружения сдвига ветра и турбулентных явлений в атмосфере на основе доплеровских радиолокационных систем (PJIC) СВЧ и оптического диапазонов обеспечивают получение информации об опасных атмосферных возмущениях в реальном масштабе времени [3], однако контроль с их помощью состояния воздушной среды в приземном слое затруднен из-за влияния подстилающей поверхности.

Помимо наземных средств обнаружения сдвига ветра существуют также бортовые средства. Так, в США фирмой МС Donnel Douglas разработано несколько типов индикаторных устройств [1]. Наиболее эффективным средством для определения сдвига ветра во время захода на посадку является сравнение воздушной и путевой скоростей ВС. Это простая процедура, посредством которой пилот вычисляет минимальную потребную путевую скорость путем вычитания элемента встречного ветра на ВПП из истинной воздушной скорости захода на посадку. Затем пилот выполняет обычный заход на посадку и, используя информацию о приборной скорости, следит, чтобы путевая скорость не падала ниже определенного значения. Эта процедура заставляет пилота увеличивать воздушную скорость для компенсации потери путевой скорости, происходящей при встрече воздушного судна со сдвигом ветра.

Вторым по эффективности индикаторным средством при обнаружении сдвига ветра является сравнение элемента ветра на высоте полета ВС и на земле. Определение разницы скоростей ветра по сути эквивалентно процедуре сравнения путевой и воздушной скоростей ВС за исключением того, что информация представляется несколько в иной форме. При этом путевая скорость используется для вычисления элемента ветра в точке местоположения ВС и сравнивается с ветром в предполагаемом месте его посадки. Информация о разнице ветра предоставляется пилоту и показывает величину сдвига ветра, к которому приближается ВС.

В отличие от проектов бортовых систем обнаружения сдвига ветра, использующих информацию о путевой скорости с поправкой на запаздывание и сравнивающих ее с индикаторной воздушной скоростью для вычисления потери последней, американская фирма Safe Flight Instrument Corp. разработала бортовую систему контроля сдвига ветра WSMS (Wind Shear Monitor System), использующую информацию измерителей вертикальных и продольных ускорений. Путем сравнения этих данных с информацией других бортовых приборов можно вычислить предельный допуск увеличения тяги двигателя, необходимый для парирования сдвига ветра. Если этот допуск не соответствует техническим возможностям ВС система информирует экипаж об опасности.

Общим недостатком бортовых средств обнаружения сдвига ветра является то, что информация о его наличии поступает к экипажу уже после попадания в зону сдвига ветра, что не всегда позволяет парировать негативные последствия этого.

Кроме того, эти средства, базируясь на данных, полученных в локальных точках пространства не дают информации о направлении линии сдвига ветра. Между тем, такая информация весьма существенна с точки зрения прогнозирования развития метеообстановки в аэродромной зоне.

Другим видом опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, как отмечалось, являются турбулентные пульсации атмосферы на ВПП, вызываемые спутным следом от ВС, осуществляющего посадку или взлет, попадание в который следующего заходящего на посадку или взлетающего ВС может служить причиной авиационного происшествия.

Опасность возникновения такого рода атмосферных возмущений особенно возрастает с внедрением в гражданскую авиацию широкофюзеляжных ВС. При этом в аэропортах с интенсивным воздушным движением турбулентные пульсации атмосферы на ВПП могут служить фактором, ограничивающим пропускную способность аэропорта.

Возможности использования радиолокационных средств обнаружения турбулентных пульсаций атмосферы в приземном слое ограничены в связи с мешающим влиянием отражений сигнала от подстилающей поверхности.

Практикующееся в некоторых зарубежных аэропортах распыление в зоне ВПП специальных красящих веществ, позволяющее визуализировать процесс рассасывания или сдувания с ВПП турбулентных пульсаций атмосферы, вызванных возмущающим воздействием ВС, недостаточно эффективно, поскольку оно, в частности, не дает представления о размерах атмосферных вихрей. Между тем, эта информация является существенной, поскольку наибольшую опасность представляют вихри, размеры которых соизмеримы с размерами планера ВС [1]. Кроме того, этот метод неудовлетворителен с экологической точки зрения.

Большая часть ограничений, присущих указанным системам обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, может быть снята при использовании для контроля за состоянием воздушной среды пространственно протяженных устройств регистрации волновых возмущений, своего рода «волновых антенн», «рабочим телом» которых служит зондирующий луч из когерентных узконаправленных электромагнитных колебаний СВЧ или оптического диапазона, либо акустических колебаний. Принцип действия таких устройств основан на эффекте параметрического взаимодействия волн в среде и пространственной фильтрации регистрируемых колебаний с помощью узконаправленного зондирующего луча [5]. Впервые вопросы взаимодействия волн в среде применительно к акустическим волнам рассматривался в работе [6].

Сам механизм «переноса» информации о регистрируемых волновых возмущениях на зондирующий луч может быть различным и зависит от физической природы взаимодействующих волн. Наиболее универсальный характер имеет эффект изменения скорости основной гармоники колебаний в зондирующем луче вследствие их параметрического взаимодействия с регистрируемыми колебаниями, приводящего к возникновению фазовой модуляции зондирующих колебаний. Накопленная по длине луча девиация фазы, содержащая информацию об интенсивности волновых возмущений и направлении на их источник, может быть измерена методами микрофа-зометрии.

Представляется, что использование методов контроля состояния воздушной среды на основе параметрических регистрирующих устройств, принципы построения которых излагались в [5], позволит повысить эффективность систем предупреждения об опасных атмосферных возмущениях в аэродромной зоне. Во всяком случае, они в силу возможности использования регистрирующих средств большой протяженности позволяют избежать фрагментарности регистрируемой картины атмосферных возмущений. При этом в силу той же причины возможно осуществление направленного приема волновых возмущений низкой частоты, к которым относятся возмущения типа сдвига ветра. Обеспечивается также оперативность контроля воздушной среды, который может осуществляться в реальном масштабе времени.

Отмеченная выше возможность реализации пространственно протяженных регистрирующих устройств в сочетании с возможностью осуществления регистрации возмущений в широком диапазоне частот позволяет использовать указанный метод не только для обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, но и для решения задачи контроля за акустическим излучением ВС в зонах их взлета и посадки, что особенно актуально в связи с возрастающими требованиями по допустимому уровню шума.

Проблема снижения шума ВС вблизи аэропортов является частью общей программы охраны окружающей среды. С целью ограничения уровня шума на местности, прилегающей к аэропортам, введены международные нормы шума для пассажирских ВС - стандарт ИКАО [7].

Суммарный уровень шума, измеренный в соответствии со стандартной методикой ИКАО по трем контрольным точкам: при разбеге, взлете и посадке, в соответствии с требованиями норм главы 2 стандарта [8] для дозвуковых реактивных самолетов не должен превышать 324 дБ, а в соответствии с требованиями главы 3 этого стандарта 310 дб.

Согласно данным [7] суммарный уровень шума отечественных ВС Ту-134, Ту-154 и Ил-62, находящихся в массовой эксплуатации, составляет 330 дБ, 320 дБ и 315 дБ, соответственно, и, как видим, превышает наиболее жесткую норму стандарта [8] на 5 - 20 дБ.

Анализ тенденции снижения шума отечественных и зарубежных ВС за счет совершенствования авиационной техники показывает, что снижение шума на 10 дБ происходит примерно за 10 лет [7], откуда следует, что эта проблема сохраняет актуальность на ближайшие годы. Возможными путями снижения шума ВС являются выбор оптимальных по шумности параметров планера и двигателя ВС, использование шумопоглощающих устройств в двигателе, а также применение специальных процедур полета ВС, обеспечивающих снижение шума.

Спектральный состав акустических шумов, генерируемых различными элементами конструкции ВС, достаточно сложный. При этом акустический спектр газовой струи, истекающей из сопла реактивного двигателя, являющегося основным источником акустического излучения ВС, сосредоточен, в основном, в области ультразвука. На эту область приходится примерно 95% общей мощности акустического излучения ВС [9].

Стандартная методика измерения уровня акустического излучения ВС не предусматривает детального анализа его спектра и дает лишь информацию о результирующем уровне шума ВС в полосе регистрирующего устройства.

Между тем, знание «тонких» характеристик акустического излучения ВС важно как с точки зрения идентификации источников этого излучения и, соответственно, определения путей совершенствования авиационной техники, направленного на уменьшение уровня шума, так и с точки зрения определения уровня компонент излучения, оказывающих наиболее вредное воздействие на человека. Так, наиболее вредные инфразвуковая и ультразвуковая компоненты акустического излучения ВС стандартной аппаратурой не регистрируются из-за ее ограниченной полосы пропускания.

Отсюда следует, что наряду с совершенствованием авиационной техники, направленным на снижение уровня шума ВС, необходимо совершенствование средств и методов его контроля.

Кроме предъявления требований к регистрирующей аппаратуре с точки зрения ее спектральных характеристик существенное значение имеют также ее направленные свойства. Стандартная аппаратура, будучи по своей природе локальной, имеющей воспринимающее устройство с ограниченной апертурой, явно выраженными направленными свойствами не обладает. Между тем, определение уровня шума конкретного ВС в реальных условиях эксплуатации существенно затруднено из-за мешающего воздействия посторонних источников излучения и, в первую очередь, других ВС, находящихся в зоне аэропорта.

Как и применительно к проблеме обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций атмосферы на ВПП, вызванных спутным следом ВС, при решении задачи контроля за акустическим излучением ВС в зоне взлета и посадки большая часть ограничений, присущих существующим системам контроля может быть решена с использованием пространственно протяженных устройств регистрации волновых возмущений [5], позволяющих осуществлять направленный прием акустических излучений в широком диапазоне частот, включая его инфразвуковую и ультразвуковую части.

Следует отметить, что использование пространственно протяженных параметрических регистрирующих устройств лежит в русле современной тенденции развития радиотехники, являющейся основой технических средств систем мониторинга природных сред и различных технических систем, а именно: переход от радиотехнических устройств, представляющих собой комбинации линейных и нелинейных электрических цепей, к функциональным устройствам и системам, производящим обработку сигналов за счет специфических волновых и колебательных явлений в твердых, жидких или газообразных сферах [10].

Рассматриваемые в [5] принципы регистрации волновых возмущений, которые предлагается использовать для решения задач обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС при взлете и посадке, в конечном итоге, предполагают выделение информации о фазе зондирующих колебаний, что, с одной стороны, как известно [11, 12], обеспечивает наиболее точно оценивать характеристики регистрируемых волновых возмущений, в частности, направление их распространения, а с другой стороны, предполагает разработку относительно сложных технических устройств. В этой связи актуальна проблема использования, по возможности, известных из других областей техники [12] современных методов фазометрии.

Таким образом, из приведенного анализа можно сделать вывод об актуальности и целесообразности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

1. Развитие теории пространственно протяженных устройств регистрации атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и акустического излучения воздушных судов на этапах взлета и посадки, принцип действия которых основан на эффекте параметрического взаимодействия зондирующих и регистрирующих колебаний с последующим выделением продуктов взаимодействия методами микрофазометрии, в части влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности и направленности и частотные свойства регистрирующих устройств.

2. Разработка на основе эффекта параметрического взаимодействия волн аппаратурных средств для обнаружения опасных атмосферных возмущений на этапах взлета и посадки воздушных судов и оповещения экипажа о характеристиках этих возмущений и средств контроля за акустическим излучением воздушных судов, осуществляющих взлет и посадку, в широком диапазоне частот, а также пеленгования источников акустического излучения.

3. Экспериментальное исследование параметрических устройств регистрации атмосферных возмущений и акустического излучения воздушных судов на электромагнитном и акустическом зондирующих лучах с целью экспериментального подтверждения основных теоретических результатов диссертации.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе использованы методы математической и экспериментальной физики, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ характеристик параметрических регистрирующих устройств с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами и теоретически и экспериментально обоснована возможность создания на их основе систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучениям.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- проведен сравнительный анализ направленных свойств и частотных характеристик параметрических устройств регистрации волновых возмущений с электромагнитным (оптическим или СВЧ) и акустическим зондирующими лучами с точки зрения применимости их для обнаружения

9 опасных атмосферных возмущений типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на ВПП, вызванных спутным следом ВС, и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки;

- произведена оценка влияния толщины зондирующего луча и его искривления при распространении в среде на характеристики параметрических регистрирующих устройств с зондирующими лучами различной физической природы и определены критические значения параметров зондирующего луча, обеспечивающие сохранение работоспособности устройства;

- выведены аналитические выражения для дисперсии сигнала на выходе параметрического регистрирующего устройства при воздействии на его вход стохастического сигнала типа турбулентных пульсаций атмосферы, а также для отношения сигнал/помеха на выходе устройства при приеме детерминированного сигнала на фоне флуктуационной помехи, и показано, что параметрическое регистрирующее устройство способно осуществлять пространственную фильтрацию сигнала, причем длина зондирующего луча эквивалентна времени наблюдения в обычном фильтре;

- разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки с СВЧ зондирующим лучом и теоретически оценены его чувствительность и уровень помех, обусловленных тепловыми шумами при микрофазометрии, термодинамическими возмущениями атмосферы и ее турбулентными пульсациями при ветре;

- разработаны параметрические устройства обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС и фазовый пеленгатор источника возмущений с оптическими зондирующими лучами и даны теоретическая и экспериментальная оценки чувствительности и направленных свойств этих устройств;

- разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС с акустическим зондирующим лучом, оценены ограничения на частоту колебаний в луче, обусловленные влиянием флуктуирующей среды, предложен двухчастотный метод ослабления этого влияния и экспериментально оценена чувствительность устройства при регистрации акустических и ветровых возмущений в воздушной среде.

На защиту выносятся:

1. Теоретический анализ влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности, направленности и частотные свойства параметрических устройств обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами.

2. Разработка систем обнаружения и оценки параметров опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС при взлете и посадке на основе параметрических регистрирующих устройств с микрофазометрическим принципом съема полезной информации.

3. Данные экспериментальных исследований систем регистрации атмосферных возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- повысить эффективность наземных систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и передачи информации о них на борт воздушного судна;

- повысить эффективность систем контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки и оптимизировать расположение трасс захода на посадку и вылета с точки зрения минимизации уровня шума на прилегающей к аэропорту местности.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» и Особом конструкторском бюро «Компас-М», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г.Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (МГТУ ГА, 2003).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ф трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

118 Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи совершенствования методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Развита теория устройств регистрации атмосферных возмущений различного вида на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде в части анализа их чувствительности, направленности, частотной избирательности и фильтрующих свойств при использовании зондирующих лучей различной физической природы.

2. Дана оценка влияния параметров зондирующего луча и параметров среды распространения на характеристики параметрического регистрирующего устройства.

3. Предложены, реализованы и испытаны устройства регистрации акустических и ветровых возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде с оптическим и акустическим зондирующими лучами, а также предложено аналогичное устройство с зондирующим СВЧ лучом и теоретически обоснована возможность его реализации.

4. Разработаны принципы построения на основе параметрических регистрирующих устройств систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций атмосферы на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.

5. Предложен двухчастотный метод обеспечения когерентности при фазовых измерениях в параметрических регистрирующих устройствах, осуществляющих регистрацию возмущений в сильно флуктуирующей среде.

6. Предложен и реализован микрофазометр повышенной помехоустойчивости для использования в параметрических устройствах регистрации атмосферных возмущений.

7. Экспериментально доказана возможность направленного приема акустических волн звукового диапазона с помощью параметрического регистрирующего устройства с оптическим зондирующим лучом.

8. Экспериментально доказана возможность регистрации атмосферных возмущений очень низких частот, а также ветровых возмущений с помощью параметрического регистрирующего устройства с акустическим зондирующим лучом и радиоканалом в цепи обратной связи.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрических устройств регистрации акустических и ветровых возмущений с электромагнитным (оптического или СВЧ диапазона) и акустическим зондирующими лучами свидетельствуют о возможности создания на их основе принципиально новых систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки, обладающих более высокими показателями чувствительности и направленности приема регистрируемых возмущений, в том числе и очень низких частот, по сравнению с традиционными системами, основанными на использовании локальных датчиков.

2. Потенциально наиболее высокая чувствительность приема может быть реализована при использовании параметрических регистрирующих устройств с оптическим зондирующим лучом. Однако большая направленность приема при регистрации атмосферных возмущений может быть достигнута при использовании устройств с СВЧ радиолучом вследствие возможности реализации большой протяженности последнего. При этом устройства с электромагнитным (оптическим или СВЧ) зондирующим лучом существенно широкополоснее устройства с акустическим лучом, что позволяет эффективно использовать их в системах, осуществляющих регистрацию возмущений в широком диапазоне частот, таких как системы предупреждения об опасных атмосферных возмущениях в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.

1. Васин И.Ф, Влияние сдвига ветра на безопасность полетов воздушных судов. Итоги науки и техники. Воздушный транспорт. 1980, т. 8.

2. Kadlec Р. Low level wind shear associated with convective storms near the lee side of the Rocky Moutains. Aerospace and Aeronaut. Meteorol. Symp. 1976, 7 th Conf.

3. Арманд П.А., Башаринов A.E., Шутке A.M. Исследование природной среды радиофизическими методами. Известия вузов. Радиофизика, 1977, т. 20, 6

4. Богородский В.В., Козлов А.И. Микроволновая радиометрия земных покровов. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985.

5. Бодиер В.А., Иноземцев А.Г., Рубцов В.Д. Пространственная фильтрация волновых возмуш,ений узконаправленными лучами. В кн.: Проблемы управления движением и навигации, АН СССР. Отделение механики и процессов управления. М.: Наука, 1984.

6. Горелик А.Г., Зверев В.А. К вопросу о взаимодействии звуковых волн. Акустический журнал, 1955, т. 1, 4.

7. Приложение 16 «Авиационный шум» к Чикагской конвенции о международной гражданской авиации. 3-е изд., июль, 1978.

8. Buck R. N. Helping pilots to detect and handle wind shear. Flight operations, 1977, V. 66, 7.

9. Мухин А.Г., Черемухин Г.А., Шипов P.A. Акустические характеристики сверхзвуковых пассажирских самолетов. В кн. Аэроакустика. М.: Наука, 1980. Ю.Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы М.: Высшая школа, 1988.

10. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. М.: Советское радио, 1968.

11. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1978.

12. Helson D.F., Lax М. Theory of the photoelastic interaction. Phys. Rev. 1971,v.3,№6.

13. Проклов B.B., Шкердин Г.Н., Гуляев Ю.В. Дифракция электромагнитных волн на звуке в проводящих кристаллах. Физика и техника полупроводников, 1972, т. 6, 10.

14. Uchida N., Niizek N. Acoustooptic deflection materials and techniques. Proc. IEEE, 1973, v. 61, 8.

15. Левин B.M., Маев Р.Г., Филатова З.И. Новый механизм акустического взаимодействия в пьезополупроводниковых кристаллах. Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 17, 2.

16. Михайлов Г.Д. О взаимодействии ультразвуковых волн в жидкостях. Доклады АН СССР, 1953, т. XXXIX 4.

17. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. Акустический журнал, 1970, т. XVI, 2.

18. Зверев В.А., Калачев А.И. Измерение взаимодействия волн в жидкостях. Акустический журнал, 1958, т. IV, 4.

19. Plmonow L. Modulation dondes stationnaires ultrasonres dans Fair. Ann. Telecom., 1954, t. 9, 1.

20. Долу ханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972.

21. Скучик Е. Основы акустики, т. 1. М.: Мир, 1976.

22. Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989.

23. Гоиоровский И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.

24. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородностей движущейся среды. М.: ОГИЗ-Гостезиздат, 1946.

25. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962.

26. Витухновский Б.И. Система обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне при взлете и посадке воздушных судов на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника 2002 54.

27. Витухновский Б.И. Система регистрации акустического излучения воздушных судов на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, 61.

28. Витухновский Б.И. Пространственная фильтрация сигнала в системе обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №61.

29. Витухновский Б.И., Рубцов В.Д. Обнаружение опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне при взлете и посадке ВС путем зондирования атмосферы узконаправленными когерентными колебаниями. Международная конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002». Тезисы докладов Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2002,

30. Иноземцев А.Г., Рубцов В.Д. Устройство для обнаружения упругих волн. Авторское свидетельство 839425. СССР, 1981.

31. Жвалов В.П., Соркин Л.И., Толстошеее М.Н. Акустические характеристики струй, истекающих из сопел с центральным телом. В кн. Аэроакустика. М.: Наука, 1980. 33. Ван дер Зил. Шумы при измерениях. М.: Мир, 1979.

32. Основные формулы физики. Под ред. Д.Мензела. М.: Иностранная литература, 1957.

33. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964.

34. Атмосферная турбулентность и распространение радиоволн. Труды Международного коллоквиума. М.: Наука, 1965.

35. Бойцов В.А.., Крыжановский Г.А. Лазерные траекторные измерения полетов воздушных судов в процессе управления воздушным движением и посадки. Итоги науки и техники. Воздушный транспорт. 1980, т. 8.

36. Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1992.

37. Рубцов В.Д., Потапов B.C. Об оценке фазы с использованием выборочного среднего. Радиотехника и электроника, 1974, т. 19, 4.

38. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1. М.: Советское радио, 1966.

39. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. М.: Советское радио, 1960.

40. Заикин В.В. О законе распределения нестационарной фазы. Радиотехника, 1967, т. 22, 12.

41. Асеев Б.П. Фазовые соотношения в радиотехнике. М.: Связьиздат, 1954.

42. Бернштейн И.Л. Опыт Саньяка на радиоволнах. ДАН, 1950, 1.

43. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. М.: Радио и связь, 1993.

44. Левин Б.Р., Фомин Я.А. Распределение времени первого достижения заданной границы. Радиотехника и электроника, 1966, т. 11, 9.

45. Коровин Ю.К. Распределение нулей узкополосного случайного процесса. Вопросы радиоэлектроники, 1963, серия XII, вып. 13.

46. Рубцов В.Д. О статистических характеристиках нулей и фазы узкополосного случайного процесса. Вопросы радиоэлектроники, 1970, серия ОТ, вып. 15.

47. Тихонов В.И. Распределение выбросов нормальных флуктуации по длительности. Радиотехника и электроника, 1956, т. 1, 1.

48. Витухновский Б.И. Пеленгование воздушного судна по его акустическому излучению с использованием эффекта параметрического взаимодействия волн в среде. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №61.

49. Витухновский Б.И., Рубцов В.Д. Контроль за акустическим излучением ВС в аэродромной зоне с использованием волновых антенн на основе параметрического взаимодействия волн в среде. Международная конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002». Тезисы докладов. Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2002.

50. Витухновский Б.И. Системы регистрации опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне на основе параметрических волновых антенн. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования авиационной техники и систем воздушного транспорта», т. III. -Петербург: АГА, 1998.

51. Витухновский Б.И. Использование параметрических волновых антенн для траекторных измерений при калибровке систем посадки. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования авиационной техники и систем воздушного транспорта», т. III. -Петербург: АГА, 1998.

52. Витухновский Б.И. Метод обнаружения «сдвига ветра» и турбулентных пульсаций атмосферы на ВПП с использованием когерентных зондирующих лучей. Международная научно-техническая конференция. «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». Тезисы докладов. М.: МГТУ ГА, 2003.

53. Витухновский Б.И.. Контроль акустического излучения и пелен