Naudingosios apkrovos ir jutiklių bandymai oro sraute: kameros, lidarai ir antenos veikiant apkrovai

Kamera, kuri sukuria ryškų vaizdą ant laboratorinio stalo, nebūtinai sukurs ryškų vaizdą, kai bus pritvirtinta po lėktuvu, skrendančiu dideliu greičiu. Tas pats pasakytina ir apie anteną, kuri išlaiko ryšio biudžeto testą statinėje aplinkoje, arba kardaninį pakabą, kuris išlaiko stabilų matymo lauką patalpoje be vibracijos. Oro srautas aplink orlaivio korpusą nėra neutralus fonas – jis pablogina būtent tas naudingosios apkrovos savybes, dėl kurių ji buvo įsigyta, ir daro tai taip, ko neįmanoma atkurti atliekant bandymus laboratorijoje.

Naudingosios apkrovos ir jutiklių bandymai oro sraute yra būdas užpildyti šią spragą, kol ji nepasirodė kaip neryškus vaizdas ar nutrūkęs ryšys realios misijos metu.

---

1. Kodėl laboratorinio stalo nepakanka

Naudingosios apkrovos gamintojo atliekamas kvalifikavimas paprastai apima tik izoliuotus elektrinio našumo, optinės skiriamosios gebos ir mechaninio patvarumo bandymus. Tačiau paprastai neatsižvelgiama į tai, kas nutinka, kai ta pati įranga atsiduria orlaivio turbulentiniame ribiniame sluoksnyje arba aptako aerodinaminiame šešėlyje, veikiant realiam orlaivio korpuso vibracijos spektrui ir temperatūrų diapazonui, kuriame iš tikrųjų vykdoma misija. Tai yra orlaivio lygmens sąlygos, kurios atsiranda tik tada, kai naudingoji apkrova sumontuojama ant transporto priemonės, kuria ji iš tikrųjų skris, arba kai šios sąlygos yra tiksliai imituojamos.

---

2. Aerooptinis susiliejimas: turbulencija blogina vaizdą, ne tik veikia orlaivio korpusą

Bet kokiai kamerai, lidarui ar lazerinei sistemai, „žiūrinčiai“ per supantį oro srautą, aktuali fizikos sritis yra aerooptika – tyrimų sritis, siekianti XX a. 6-ąjį dešimtmetį, kai tyrėjai pirmą kartą kiekybiškai įvertino, kaip turbulentinis ribinis sluoksnis iškraipo per jį pereinantį šviesos spindulį. Mechanizmas yra paprastas: turbulencija sukuria vietinius oro tankio svyravimus, tankio svyravimai keičia vietinį lūžio rodiklį, o per šį kintamo rodiklio lauką pereinantis bangos frontas tampa iškraipytas, o ne plokščias.

Šis poveikis priklauso nuo bangos ilgio ir šiuolaikiniams jutikliams jis yra kur kas svarbesnis nei toms sistemoms, kurioms ši sritis iš pradžių buvo sukurta. Esant fiksuotam optinio kelio iškraipymo lygiui, sistema, naudojanti matomąją arba artimojo infraraudonojo ryšio šviesą (diapazonas, kurį naudoja dauguma kamerų ir daugelis lidarų), praranda kur kas daugiau vaizdo kokybės nei senesnė ilgojo bangos ilgio sistema esant tam pačiam turbulencijos lygiui – iškraipymo lygis, kuris vos paveikė 10,6 μm lazerio veikimą, gali sumažinti artimojo infraraudonojo ryšio sistemos Strehlo skaičių (standartinį vaizdo ryškumo matą, kur 1,0 yra tobula) nuo beveik tobulo iki maždaug 0,67. Tai viena iš priežasčių, kodėl jutiklio kapsulės aerodinaminė forma ir montavimo vieta yra tokia pat svarbi kaip ir jos viduje esanti optika.

Aerooptinių efektų bandymai vėjo tunelyje yra nusistovėjusi, dešimtmečius gyvuojanti praktika, atliekama įprastuose ikigarsiniuose ir transgarsiniuose vėjo tuneliuose su lazerine matavimo įranga (vadinamoji „Malley zondo“ technika), skirta tiksliai išmatuoti tokį ribinio sluoksnio sukeliamą vaizdo pablogėjimą dar prieš jutikliui pakylant į orą.

---

3. Ką oro srautas daro likusiai naudingajai apkrovai

• Vibracija. Kardaninis pakabas arba kameros laikiklis patiria realų orlaivio korpuso vibracijos spektrą, o ne idealizuotą laboratorinio vibracinio stalo ciklą – kardaninio pakabo stabilizavimo sistemos yra specialiai suderintos slopinti tam tikrų dažnių vibraciją, kuri teisingai pasireiškia tik esant realiam orlaivio korpuso žadinimui.
• Kaitimas. Jutiklių elektronika kapsulės ar aptako viduje generuoja savo šilumą, o oro srautas aplink korpusą lemia, ar ta šiluma bus pašalinta, ar kaupsis – tai problema, kuri visiškai pasikeičia perėjus nuo statinio laboratorinio stalo prie judančio oro srauto aplinkos.
• Apledėjimas ant paties jutiklio, ne tik ant orlaivio korpuso. Optinis langas arba antenos radomas, kuris apledėja, nustoja veikti daug anksčiau nei sparnas, o ledo kaupimosi pobūdis priklauso nuo vietinio oro srauto aplink tą konkrečią aptako formą.
• Aptako forma ir signalo kokybė. Radomas arba optinis kupolas yra kompromisas tarp aerodinaminio pasipriešinimo ir skaidrumo tam, ką jis saugo – parinkus netinkamą aerodinaminę formą, taip pat iškraipomas per jį einantis radijo dažnių (RF) arba optinis kelias.

---

4. Ką iš tikrųjų matuoja naudingosios apkrovos bandymų kampanija

• Vaizdo arba bangos fronto kokybę visame greičių ir kampų diapazone , naudojant tą pačią aerooptinę matavimo įrangą, sukurtą ore esančioms optinėms sistemoms – o ne vieną statinį bazinį kadrą.
• Vibracijos spektrą ties jutiklio laikikliu esant realiam orlaivio korpuso žadinimui, lyginant su paties kardaninio pakabo ar stabilizavimo sistemos slopinimo dažnių juosta.
• Ryšio biudžetą arba optinį pralaidumą per realų aptaką , o ne per atvirą apertūrą – korpusas yra jutiklio optinio arba radijo dažnių (RF) kelio dalis, o ne tik dangtis.
• Uždaros elektronikos šiluminę elgseną esant reprezentatyviam oro srautui, o ne nejudančiam orui.
• Ledo kaupimąsi ant konkrečios aptako geometrijos , kai tai aktualu eksploatacinėms riboms.

---

5. Penkios klaidos, kurias pastebime

• Atskiras jutiklio ir aptako kvalifikavimas. Radomas arba optinis kupolas, suprojektuotas neatsižvelgiant į faktinį jutiklio matymo lauką ir bangos ilgį, gali išlaikyti savo aerodinaminius bandymus, bet vis tiek sugadinti naudingosios apkrovos veikimą.
• Vibracijos slopinimo bandymai naudojant bendrinį vibracinio stalo profilį. Kardaninis pakabas, suderintas pagal laboratorinį vibracijos spektrą, vis tiek gali nesusidoroti su specifiniais dažniais, kuriuos sukuria realus orlaivio korpusas.
• Optinių bandymų traktavimas tik kaip laboratorinio stalo problemos. Skiriamosios gebos ir MTF (moduliacijos perdavimo funkcijos) rodikliai, gauti laboratorijoje, nieko nesako apie tai, kaip ta pati optika veiks už turbulentinio ribinio sluoksnio skrydžio greičiu.
• Korpuso matmenų parinkimas atsižvelgiant į svorį ir pasipriešinimą, o ne į šilumos kelią. Sandariai uždaryta kapsulė, kuri atrodo aerodinamiškai švari, gali sulaikyti šilumą, kuriai viduje esanti elektronika niekada nebuvo pritaikyta.
• Apledėjimo bandymų ant naudingosios apkrovos aptakų praleidimas, manant, kad orlaivio korpuso apledėjimo atvejis jau įvertintas. Radomas arba optinis langas gali apledėti kitaip nei sparnas, ant kurio jis sumontuotas, ir pakankamai kitaip, kad sugestų pirmas.

---

6. Ką tai reiškia jūsų integravimo programai

Atsiųskite mums savo jutiklių paketą, aptako geometriją ir eksploatacines ribas , ir mes suplanuosime bandymų kampaniją, kuri išmatuos, ką naudingoji apkrova iš tikrųjų gali oro sraute, o ne tik laboratorijoje. Susijusi literatūra:

UAV apledėjimo ir klimatiniai bandymai

, kur aptako forma yra tokia pat svarbi.

---

Šaltiniai ir pastabos

• Aerooptika, kaip bangos fronto aberacijų dėl turbulentinio oro srauto šalia ore esančios optinės apertūros tyrimas, jos ištakos H. Liepmanno 1952 m. darbe apie šviesos nukrypimą ribiniame sluoksnyje ir jos plėtra atliekant „Malley zondo“ matavimus vėjo tunelyje ikigarsiniu ir transgarsiniu greičiais: Cress, J.A., Gordeyev, S., Post, M.L., Jumper, E.J., „Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles“, AIAA 2008-4214, 39-oji AIAA plazmos dinamikos ir lazerių konferencija, 2008 m., išbandyta Notre Dame universiteto ir JAV karinių oro pajėgų akademijos vėjo tuneliuose.
• Vaizdo pablogėjimo priklausomybė nuo bangos ilgio esant fiksuotam optinio kelio iškraipymui (Strehlo skaičiaus pavyzdys: ~0,996 esant 10,6 μm, palyginti su ~0,674 esant ~1 μm tam pačiam iškraipymo lygiui): tas pats šaltinis, įvado skyrius, cituojant Strehlo skaičiaus formulę iš Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Bandymų metodikos rekomendacijos (vibracijos spektro suderinimas, su aptaku integruoto optinio / RF kelio bandymai, apledėjimas ant specifinės naudingosios apkrovos geometrijos) yra TunnelTech inžinerinė praktika.