Способ построения визуальной взлетно-посадочной системы с помощью вихревых лазерных пучков
METHOD OF CONSTRUCTING A VISUAL TAKE-OFF SYSTEM USING VORTEX LASER BEAMS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оптическим визуальным средствам посадки самолета на взлетно-посадочную полосу (ВПП), в том числе и на не оборудованных светотехническими системами посадки аэродромах, например, при смене дислокации ВПП в процессе проведения операций службами МЧС и сельхозавиации.
Как свидетельствует статистика летных происшествий как для малой авиации, так и для магистральных самолетов, до 70% аварий совершается на этапах взлета, посадки, которые происходят в основном из-за сложных метеоусловий и утомляемости пилотов к концу полета. Повышение безопасности посадки, в особенности для малой авиации, не оснащенной полным комплексом бортового оборудования и пилотируемой менее подготовленными, чем на магистральных самолетах, пилотами, остается актуальной задачей. Одним из эффективных путей решения является дальнейшее совершенствование визуальных систем посадки в направлении развития лазерных систем.
Уровень техники
Способ основан на повышении безопасности, надежности и точности захода на посадку и обеспечение процесса взлета путем увеличения дальности видимости и заметности ориентационного символа, сформированного рассеянным излучением вихревых лазерных пучков с кольцеобразной структурой интенсивности в поперечном сечении.
Все известные системы посадки самолетов по лазерному пучку, описанные в ряде российских и зарубежных патентах (Калошин Г.А., Матвиенко Г.Г., Шишкин С.А., Анисимов В.И., Бутузов В.В., Жуков В.В., Столяров Г.В., Пасюк В.П. Потенциал лазерной системы посадки самолетов // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. №03. С. 232-242; US №4259658 31.02.1981; US 4925303 А, 1990; CN 101295021 А, 2008; RU 2369532 С2, 2009; RU 2369532 С2, 2009) используют пучки, у которых распределение интенсивности в поперечном сечении хорошо аппроксимируется функцией Гаусса. Все эти патенты отличаются главным образом способами построения линейных ориентиров за счет различных вариантов размещения лазерных излучателей вблизи ВПП и цветностью огней. Так, например, в соответствии со способом, изложенном в статье (Калошин Г.А., Матвиенко Г.Г., Шишкин С.А., Анисимов В.И., Бутузов В.В., Жуков В.В., Столяров Г.В., Пасюк В.П. Потенциаллазерной системы посадки самолетов // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. №03. С. 232-242) и патенте US 4925303 А, 1990 формируют линейные ориентиры в виде буквы «Т» с помощью: курсового лазерного маяка, расположенного на оси ВПП у порога ВПП; двух глиссадных лазерных маяков, расположенных по обе стороны ВПП в районе места приземления; двух лазерных маяков для индикации боковых границ ВПП, расположенных по обе стороны ВПП; двух лазерных маяков для индикации оси ВПП, расположенных на оси в конце ВПП. Лазерные пучки одного или разных цветов направляют навстречу самолету в ориентационную зону для посадки самолета в соответствии с заданными угловыми размерами. Причем направляют так, чтобы два из них располагались в плоскости глиссады, а один совпадал с осевой линией ВПП. Таким образом, формируют символ в виде буквы «Т», изменение формы (правильности) которого позволяет пилоту ориентировать самолет при посадке, таким образом, что при наблюдении правильного символа в виде буквы «Т» самолет будет находиться на курсе и глиссаде.
Общим свойством указанных способов является формирование лазерных пучков, у которых распределение интенсивности в поперечном сечении аппроксимируется функцией Гаусса. Такой способ формирования является и общим недостатком указанных способов. Этот общий недостаток проявляется в том, что в условиях замутненной атмосферы при наличии плотной дымки, осадков, тумана визуальный символ, создаваемый лазерными неподвижными протяженными ориентирами (НПО) в виде буквы «Т», сильно размывается, что приводит к уменьшению контраста изображения пучков. Визуально они выглядят размытыми, их контуры не просматриваются, что сильно снижает точность ориентирования либо вообще исключает такую возможность. Кроме того, они не позволяют ориентироваться в сумерках и не обеспечивают взлет самолета.
Известны вихревые лазерные пучки (ВЛП) [Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. Спиральные пучки света // Успехи физических наук. 2004, т.174, №12, с. 1274-1300; Хонина С.Н., Устинов А.В. Анализ интерференции радиально-поляризованных лазерных пучков, сформированных кольцевыми оптическими элементами с вихревой фазой в условиях острой фокусировки// Компьютерная оптика, 2015, том 39, №1, с. 13-25; Alexey P. Porfirev, Mikhail S. Kirilenko, Svetlana N. Khonina, Roman V. Skidanov, and Victor A. Soifer, "Study of propagation of vortex beams in aerosol optical medium," Appl. Opt. 56, E8-E15 (2017)] с поперечным распределением интенсивности излучения в виде колец, кольца и не полного кольца. На фиг. 1 а), б) приведены примеры экспериментально реализованных и фотометрированных нами ВЛП с поперечным распределением интенсивности в виде 4-х и 12-и концентрических колец соответственно [Калошин Г.А., Шишкин С.А. Внеосевая регистрация лазерного пучка на морских и прибрежных трассах // Материалы XXII Межд. симпозиума. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016. С. В350 - В354]. Из изометрии видно, что наружное кольцо имеет максимальную интенсивность, которая спадает к центру пучка по закону Гаусса. Основная мощность пучка сосредоточена в первых двух кольцах. На фиг. 1 а), б) белый цвет соответствует максимальной интенсивности, а черный нулевой интенсивности. Получать пучки с таким распределением интенсивности возможно только в рамках сингулярной оптики, конкретно, - с помощью вихревых пучков. Другие методы в настоящее время нам не известны.
Известны результаты экспериментальных полевых исследований границ переноса контраста вихревых лазерных пучков в условиях тумана и дымки с поперечным распределением интенсивности в виде концентрических колец [Калошин Г.А., Шишкин С.А. Внеосевая регистрация лазерного пучка на морских и прибрежных трассах // Материалы XXII Межд. симпозиума. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016. С. В350 - В354]. Результаты показывают существенно большие значения границ обнаружения ВЛП по сравнению с традиционным гауссовым пучком при одинаковых значениях мощности и длины волны излучения пучка. На фиг. 2 приведены экспериментальные результаты изменения осредненной яркости лазерных пучков при перемещении приемника перпендикулярно оси пучка: кривая (а) для вихревого лазерного пучка и кривая (б) для традиционного гауссова пучка. Видно, что традиционный гауссов пучок размывается сильнее, чем ВЛП. Иными словами, контраст для ВЛП по сравнению с традиционным гауссовым пучком при одинаковых значениях мощности, длины волны излучения и в одинаковых условиях распространения оптического излучения оказывается выше, четче, яснее видимым. Отсюда следуют преимущества ВЛП в увеличении дальности видимости и точности ориентирования за счет повышение контраста изображения и его заметности. Зрительно ВЛП видны более четко, более контрастно и существенно дальше традиционного гауссова пучка.
Кроме того, известно [Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск, «Наука и техника», 1969], что увеличение оптического диаметра лазерного пучка при одинаковой расходимости увеличивает его дальность действия по сравнению с первоначальным пучком. Все это дает экономию в энергопотреблении, повышает контраст пучков и, соответственно, увеличивает дальность видимости и точность ориентирования по визуальной взлетно-посадочной системе.
Поскольку ВЛП по своей природе имеют оптический диаметр значительно больший, чем традиционный гауссов пучок, то появляется уникальная возможность в оптимизации мощности по сечению пучка, а именно, в концентрации максимальной мощности в направлении пилота и в уменьшении таковой в других направлениях, что иллюстрируетсяфотографиями (а-г) на фиг. 3, где приведены вихревые лазерные пучки с поперечным распределением интенсивности в виде кольца (а) и неполного кольца (б - г).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, реализованный в «Устройстве посадки самолета по лазерным пучкам», описанный в Патенте №168737 (МПК: B64F 1/18). По этому способу посадки самолета по лазерным пучкам в ориентационной зоне создают линейные ориентиры с помощью лазерных пучков с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении. Лазерные пучки размещают вблизи ВПП в районе места приземления самолета, причем спектр излучения пучков находится в зеленом диапазоне, на длине волны λ=527 нм. При этом один лазерный пучок устанавливают у порога ВПП на ее оси и направляют в сторону заходящего на посадку самолета, который воспринимается пилотом на борту самолета за счет рассеяния атмосферным аэрозолем в виде курсового неподвижного ориентира (НПО) и который указывает курс. Два других лазерных пучка, устанавливают по бокам ВПП в районе посадки и направляют параллельно оси ВПП также навстречу самолету, которые образуют глиссадный НПО. В результате в пространстве возникает ориентационный символ в виде буквы «Т», по которому пилот ориентирует самолет при посадке таким образом, что при наблюдении правильного символа в виде буквы «Т» самолет будет находиться на курсе и глиссаде. Система позволяет визуально ориентировать самолет с достаточной точностью и надежностью, но только в ночных условиях.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата при использовании способа-прототипа, заключаются в создании линейных ориентиров гауссовыми пучками лазерного излучения. Ориентирование в способе-прототипе возможно только в ночных условиях при хорошей видимости в атмосфере, т.е. когда атмосфера слабо замутнена частицами гидрометеоров и дымки, а именно отсутствует дождь, снег, туман и другие аэрозоли. В этих условиях пилот на большом расстоянии от лазерных пучков визуально воспринимает их с высокой контрастностью как светящиеся остронаправленные прямые линии, что и позволяет ему надежно ориентировать самолет при посадке. В условиях же плохой видимости при наличии в атмосфере плотной дымки, тумана, осадков пилот визуально не может воспринять лазерные пучки контрастно в виде светящихся неподвижных протяженных ориентиров (НПО), а воспринимает их в виде пучков света с размытыми границами, что осложняет возможность надежного ориентирования с высокой точностью при движении самолета даже при слабом замутнении атмосферы, а при сильном замутнении атмосферы исключает такую возможность полностью. Это происходит в силу использования традиционных гауссовых лазерных пучков для формирования ориентационной зоны, которые не обеспечивают необходимый контраст изображения лазерного пучка, уменьшаятем самым дальность видимости. Также сильно снижается точность ориентирования, либо вообще исключается такая возможность. Кроме того, ближайший аналог не позволяет осуществлять взлет самолета, а только посадку, так как лазерные пучки в виде светящихся НПО с места старта уже не видны и пилот не имеет ни каких ориентиров для прямолинейного разбега самолета вдоль оси ВПП.
Раскрытие сущности изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности, надежности и точности захода на посадку и обеспечение процесса взлета путем повышения дальности видимости и заметности ориентационного символа, сформированного рассеянным излучением вихревых лазерных пучков, что дает возможность выполнения взлета, посадки самолета вплоть до момента касания земли в сумеречных и ночных условиях и в условиях пониженной видимости в атмосферы, соответствующей I категория ИКАО, обеспечивая тем самым расширение условий полетов и повышение безопасности посадки.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в повышении точности захода на посадку и дальности видимости лазерных пучков за счет увеличения контраста изображения пучка и его заметности при повышении экономичности в энергопотреблении. Таким образом, предлагается простой и надежный способ взлета и посадки самолета, не требующий установки дополнительного оборудования на борту. Более того, заявляемый способ обладает большим потенциалом модернизации, т.к. единая система символа позволяет легко автоматизировать процесс посадки в целом, разгружая пилота на этапе захода на посадку и оставляя ему функции контроля.
Поставленная задача решается благодаря тому, что по способу построения визуальной взлетно-посадочной системы в заданную зону пространства навстречу заходящему на посадку самолету посылают четыре вихревых лазерных пучка излучения (ВЛП) в зеленом диапазоне спектра электромагнитных волн, на длине волны λ=527 нм, таким образом, что два глиссадных лазерных пучка направляют по границам коридора посадки под углом глиссады к плоскости ВПП, а два курсовых лазерных пучка направляют также под углом глиссады к плоскости ВПП в вертикальной плоскости, проходящий через ось ВПП в начале и в конце ВПП. В данном техническом решении для повышения безопасности, надежности и точности захода на посадку и обеспечение процесса взлета предлагается осуществлять формирование линейных ориентиров вихревыми лазерными пучками с поперечным распределением интенсивности в виде либо колец, либо кольца, либо не полного кольца. Это является принципиальным отличием от прототипа, в котором линейные ориентиры формируются обычными лазерными пучками с гауссовым распределением интенсивности впоперечном сечении пучка. Физическая сущность предлагаемого технического решения состоит в формировании ориентационного символа вихревыми лазерными пучками, которые повышают контраст изображения пучка и его заметность в сумеречных, ночных и в условиях пониженной видимости, чего не дает ни одна из известных лазерных посадочных систем. При этом происходит увеличение безопасности, надежности и точности захода на посадку за счет повышения дальности видимости и точности ориентирования при взлете и посадке на ВПП и повышение экономичности в энергопотреблении. Кроме того, в предлагаемом способе предлагается с противоположной стороны от места посадки формирование четвертого вихревого лазерного пучка, излучение которого направляют также под углом глиссады к плоскости ВПП в вертикальной плоскости, проходящий через ось ВПП в сторону, с которой самолет заходит на посадку. Это позволяет обеспечить процесс взлета самолета и осуществить контроль возможного смещения самолета относительно оси ВПП.
Таким образом, в пространстве формируют ориентационный символ в виде креста, по которому пилот ориентирует движение самолета относительно расчетного курса и глиссады.
Вышеназванные физические предпосылки повышения безопасности, надежности и точности захода на посадку и обеспечение процесса взлета реализованы введением в известный способ соответствующих операций и технических средств для их проведения, которые определили отличительную часть формулы изобретения. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками изобретения, отсутствует. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к требуемому техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна". Исследование известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, показало, что оно не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку в проанализированных заявителем источниках информации не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение требуемого технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
В формировании ориентационной зоны визуальной взлетно-посадочной системы с помощью ВЛП предусмотрены следующие отличия: вместо традиционных Эрмита-Гауссовыхлазерных пучков с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка использованы вихревые пучки с модами Лагерра-Гаусса, у которых поле потока световой энергии имеет вихревой характер. А именно, использованы: ВЛП с модами Лагерра-Гаусса или спиральные пучки с поперечным распределением интенсивности в виде концентрических колец; либо ВЛП, у которых распределение интенсивности выглядит в виде одного кольца (замкнутой спирали); либо ВЛП с поперечным распределением интенсивности в виде не полного кольца (части кольца или в виде незамкнутой спирали).
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно использование ВЛП с рассмотренными поперечными распределениями интенсивности позволяет перераспределить мощность пучка по сечению в оптимальном виде для конкретной задачи взлета и посадки самолета на ВПП. Получение таких пучков возможно только в рамках сингулярной оптики, конкретно, - с помощью ВЛП. Другие методы в настоящее время нам не известны. Такого эффекта, а именно, повышение контраста изображения ВЛП и его повышенной заметности в ночных, сумеречных и в условиях пониженной видимости, не дает ни одна из применяемых в настоящее время лазерных посадочных систем, что является несомненным преимуществом патентуемого способа. При этом происходит увеличение дальности видимости и точности ориентирования при взлете и посадке на ВПП и повышение экономичности в энергопотреблении. Изобретение позволяет обеспечить процесс взлета и посадки самолета на всех его этапах. Таким образом, предлагается простой и надежный способ взлета и посадки самолета. Более того, единая система символа позволяет легко автоматизировать процесс посадки в целом.
Осуществление изобретения.
На фиг. 4 показан общий пример реализации способа построения визуальной взлетно-посадочной системы с помощью ВЛП. На фиг. 4 вид (а) показано расположение взлетно-посадочной системы на ВПП. Система в ориентационной зоне формирует линейные ориентиры за счет рассеянного излучения от вихревых лазерных пучков, генерируемых лазерными маяками 1-4 в зеленом диапазоне спектра электромагнитных волн, на длине волны λ=527 нм, таким образом, что два глиссадных лазерных пучка направляют по границам коридора посадки под углом глиссады к плоскости ВПП, а курсовой лазерный пучок направляют также под углом глиссады к плоскости ВПП в вертикальной плоскости, проходящий через ось ВПП. Для этого используют курсовой лазерной маяк, расположенный на оси ВПП у порога ВПП, два глиссадных лазерных маяка, расположенных по обе стороны ВПП в районе места приземления на расстоянии 300 метров от порога ВПП, образуя тем самым курсо-глиссадную группу, и дополнительный курсовой лазерный маяк для индикацииоси ВПП, расположенный с противоположной стороны от места установки курсо-глиссадной группы также на ее оси. Все пучки посылают навстречу заходящему на посадку самолету под углом глиссады 2° 40'. Маяки 1-4 электрически взаимосвязанны между собой и соединены с блоком управления 5, установленном вблизи ВПП. При таком расположении ВЛП 1-4 происходит оптическая взаимосвязь их между собой таким образом, что в пространстве формируют символ в виде креста «+». Пилот при нахождении на расчетной взлетно-посадочной траектории визуально регистрирует ориентационный символ в виде креста правильной формы. При отклонениях самолета от расчетной траектории происходит изменение взлетно-посадочного символа, которые пилот визуально регистрирует в соответствии с видами (б) фиг. 4 и ориентирует самолет так, чтобы наблюдать ориентационный символ в виде креста правильной формы. Для обеспечения процесса взлета в заданную зону пространства навстречу взлетающему самолету с противоположной стороны ВПП направляют вихревой лазерный пучок, генерируемый маяком 4 фиг. 5, за счет чего формируют линейный ориентир, образованный рассеянным излучением пучка. При взлете при нахождении самолета на оси ВПП пилот наблюдает линейный ориентир индикации оси ВПП в виде вертикальной линии. При отклонении от оси пилот наблюдает линейный ориентир в соответствии с видами, показанными на фиг. 5 (а). На фиг. 5 (б) показано положение самолета при взлете. При этом курсо-глиссадная группа не видна поскольку самолет стоит на месте старта.
На фиг. 6 показан пример реализации визуальной взлетно-посадочной системы, формирующей линейные ориентиры ВЛП с распределением интенсивности в виде кольца или концентрических колец (трубчатые пучки). Также на фиг. 6 показано, что формирование линейных ориентиров возможно разными видами ВЛП, а именно: в виде одного кольца - вид (а), в виде 4-х или 12-и концентрических колец виды (б, в) генерируемых соответственно глиссадными (1, 2) и курсовыми (3, 4) маяками.
На фиг. 7 показан пример реализации визуальной взлетно-посадочной системы, формирующей линейные ориентиры ВЛП с распределение интенсивности в виде сегментов кольца. Здесь показано положение сегментов ВЛП относительно месторасположения конкретного маяка и его назначения. При заходе на посадку пилот наблюдает ВЛП в соответствии с видами, показанными на фиг. 4 (б). На фиг. 7 показано, что положение сегментов колец ВЛП (позиции 6 г - 9 г) выбраны таким образом, чтобы максимально эффективно направить рассеянное излучение ВЛП на пилота, уменьшив при этом рассеянное излучение в сторону от положения самолета, где он не может находиться по требованиям захода на посадку. При этом, исходя из общефизических представлений известно, что в данном случае свет рассеивается в основном в переднюю полусферу в соответствии синдикатрисой рассеяния. Поэтому выбранное положение сегментов колец ВЛП (6 г - 9 г) маяков (1-4) является эффективным как для увеличения дальности видимости и точности ориентирования за счет повышение контраста изображения и его заметности, так и для экономии энергопотребления, так как достигается тот же эффект при меньшей выходной мощности лазеров, по крайней мере полупроводниковых, у которых она напрямую связана с потребляемой мощностью.