Thử nghiệm tải trọng và cảm biến trong luồng không khí: Camera, Lidar và ăng-ten dưới tải trọng hoạt động

Một camera tạo ra hình ảnh sắc nét trên bàn thí nghiệm không tự động tạo ra hình ảnh sắc nét khi được gắn dưới một chiếc máy bay đang bay ở tốc độ cao. Điều này cũng tương tự với một ăng-ten vượt qua bài kiểm tra quỹ đường truyền ở dải tĩnh, hoặc một gimbal giữ ổn định đường ngắm trong một căn phòng không có rung động. Luồng không khí xung quanh khung máy bay không phải là một môi trường trung tính — nó làm suy giảm chính xác hiệu suất mà tải trọng được kỳ vọng mang lại, và nó gây ra điều này theo những cách mà thử nghiệm trên bàn không thể tái tạo được.

Thử nghiệm tải trọng và cảm biến trong luồng không khí là cách để thu hẹp khoảng cách đó trước khi nó biến thành hình ảnh mờ hoặc mất kết nối trong một nhiệm vụ thực tế.

---

1. Tại sao thử nghiệm trên bàn là chưa đủ

Đánh giá chất lượng nội bộ của nhà sản xuất tải trọng thường chỉ bao gồm hiệu suất điện, độ phân giải quang học và độ bền cơ học một cách độc lập. Những gì họ thường không thể bao quát là điều gì sẽ xảy ra khi chính phần cứng đó nằm trong lớp biên nhiễu loạn của máy bay hoặc ở hạ lưu của luồng khí phía sau nắp chụp, với phổ rung động mà khung máy bay thực tế tạo ra, trong dải nhiệt độ mà nhiệm vụ thực tế diễn ra. Đó là những điều kiện ở cấp độ khung máy bay, và chúng chỉ tồn tại khi tải trọng được gắn vào — hoặc được mô phỏng trên — phương tiện mà nó sẽ thực sự bay cùng.

---

2. Độ mờ quang-khí động học: nhiễu loạn làm suy giảm hình ảnh, không chỉ ảnh hưởng đến khung máy bay

Đối với bất kỳ camera, lidar hoặc hệ thống laser nào nhìn xuyên qua luồng không khí xung quanh, quang-khí động học (aero-optics) là lĩnh vực vật lý liên quan — một lĩnh vực nghiên cứu bắt nguồn từ những năm 1950, khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên định lượng được cách một lớp biên nhiễu loạn làm biến dạng một chùm ánh sáng đi qua nó. Cơ chế này rất đơn giản: nhiễu loạn tạo ra các biến thiên cục bộ về mật độ không khí, các biến thiên mật độ làm thay đổi chiết suất cục bộ, và một mặt sóng đi qua trường chiết suất biến thiên đó sẽ bị quang sai thay vì phẳng.

Hiệu ứng này phụ thuộc vào bước sóng, và nó có ảnh hưởng lớn hơn đối với các cảm biến hiện đại so với các hệ thống mà lĩnh vực này ban đầu được xây dựng để phục vụ. Đối với một mức độ biến dạng đường truyền quang học cố định, một hệ thống sử dụng ánh sáng nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại (dải sóng mà hầu hết các camera và nhiều lidar sử dụng) sẽ mất đi chất lượng hình ảnh nhiều hơn so với một hệ thống bước sóng dài cũ ở cùng mức độ nhiễu loạn — một mức độ biến dạng hầu như không làm giảm hiệu suất của laser 10,6 μm có thể làm giảm tỷ số Strehl (một thước đo tiêu chuẩn về độ sắc nét của hình ảnh, trong đó 1,0 là hoàn hảo) của hệ thống cận hồng ngoại từ mức gần như hoàn hảo xuống còn khoảng 0,67. Đây là một lý do tại sao hình dáng khí động học và vị trí lắp đặt của vỏ chứa cảm biến lại quan trọng không kém gì các thành phần quang học bên trong nó.

Thử nghiệm hầm gió đối với các hiệu ứng quang-khí động học là một phương pháp đã được thiết lập từ nhiều thập kỷ trước, được thực hiện trong các hầm gió cận âm và cận âm cao thông thường với thiết bị đo lường dựa trên laser (kỹ thuật "đầu dò Malley") được đặt để đo lường chính xác loại suy giảm hình ảnh do lớp biên gây ra này trước khi một cảm biến thực sự cất cánh.

---

3. Luồng không khí tác động như thế nào đến phần còn lại của tải trọng

• Rung động. Một gimbal hoặc giá treo camera phải chịu phổ rung động thực tế của khung máy bay, chứ không phải là dải quét lý tưởng của bàn rung trong phòng thí nghiệm — và các hệ thống ổn định gimbal được tinh chỉnh đặc biệt để loại bỏ rung động ở các tần số cụ thể, điều này chỉ xuất hiện chính xác dưới sự kích thích thực tế của khung máy bay.
• Gia nhiệt. Các thiết bị điện tử của cảm biến bên trong vỏ chứa hoặc nắp chụp tự tạo ra nhiệt, và luồng không khí xung quanh vỏ bọc quyết định liệu lượng nhiệt đó sẽ được tản đi hay tích tụ lại — một vấn đề thay đổi hoàn toàn giữa môi trường thử nghiệm tĩnh trên bàn và môi trường có luồng không khí chuyển động.
• Đóng băng trên chính cảm biến, không chỉ trên khung máy bay. Một cửa sổ quang học hoặc vòm che ăng-ten bị đóng băng sẽ ngừng hoạt động rất lâu trước khi cánh máy bay bị ảnh hưởng, và mô hình bồi đắp băng phụ thuộc vào luồng không khí cục bộ xung quanh hình dáng nắp chụp cụ thể đó.
• Hình dáng nắp chụp so với chất lượng tín hiệu. Một vòm che ăng-ten hoặc vòm quang học là sự thỏa hiệp giữa lực cản khí động học và độ trong suốt đối với bất cứ thứ gì nó bảo vệ — nếu thiết kế hình dáng sai về mặt khí động học, bạn cũng sẽ làm biến dạng đường truyền RF hoặc quang học đi qua nó.

---

4. Một chiến dịch thử nghiệm tải trọng thực sự đo lường những gì

• Chất lượng hình ảnh hoặc mặt sóng trên toàn bộ dải tốc độ và góc độ , sử dụng cùng một thiết bị đo lường quang-khí động học được phát triển cho các hệ thống quang học trên không — chứ không phải là một bức ảnh cơ sở tĩnh duy nhất.
• Phổ rung động tại giá treo cảm biến dưới sự kích thích thực tế của khung máy bay, được so sánh với băng thông loại bỏ rung động của chính gimbal hoặc hệ thống ổn định.
• Quỹ đường truyền hoặc thông lượng quang học xuyên qua nắp chụp thực tế , không phải qua một khẩu độ trần — vỏ bọc là một phần của đường truyền quang học hoặc RF của cảm biến, chứ không chỉ là một lớp vỏ bảo vệ.
• Hành vi nhiệt của các thiết bị điện tử bên trong dưới luồng không khí đại diện, không phải trong không khí tĩnh.
• Sự bồi đắp băng trên hình học nắp chụp cụ thể , khi có liên quan đến phạm vi hoạt động.

---

5. Năm sai lầm chúng tôi thường thấy

• Đánh giá chất lượng cảm biến và nắp chụp một cách riêng biệt. Một vòm che ăng-ten hoặc vòm quang học được thiết kế mà không tính đến trường nhìn và bước sóng thực tế của cảm biến có thể vượt qua bài kiểm tra khí động học của chính nó nhưng vẫn phá hỏng hiệu suất của tải trọng.
• Thử nghiệm khả năng loại bỏ rung động trên một cấu hình bàn rung chung. Một gimbal được tinh chỉnh theo phổ rung động trong phòng thí nghiệm vẫn có thể bị lỗi bởi các tần số cụ thể mà khung máy bay thực tế tạo ra.
• Coi thử nghiệm quang học chỉ là vấn đề trên bàn thí nghiệm. Các chỉ số độ phân giải và MTF từ bàn thí nghiệm không nói lên điều gì về việc các thành phần quang học đó sẽ hoạt động ra sao phía sau một lớp biên nhiễu loạn ở tốc độ bay.
• Định cỡ vỏ bọc dựa trên trọng lượng và lực cản, chứ không phải đường truyền nhiệt. Một vỏ chứa được bọc kín trông có vẻ gọn gàng về mặt khí động học có thể giữ lại lượng nhiệt mà các thiết bị điện tử bên trong chưa bao giờ được thiết kế để chịu đựng.
• Bỏ qua các thử nghiệm đóng băng trên nắp chụp tải trọng vì trường hợp đóng băng của khung máy bay đã được bao gồm. Một vòm che ăng-ten hoặc cửa sổ quang học có thể tích tụ băng khác với cánh máy bay mà nó được gắn vào, và sự khác biệt này đủ để khiến nó hỏng trước.

---

6. Điều này có ý nghĩa gì đối với chương trình tích hợp của bạn

Hãy gửi cho chúng tôi gói cảm biến, hình học nắp chụp và phạm vi hoạt động của bạn , và chúng tôi sẽ lên phạm vi cho một chiến dịch thử nghiệm để đo lường những gì tải trọng thực sự mang lại trong luồng không khí — không chỉ là những gì nó mang lại trên bàn thí nghiệm. Bài viết liên quan:

Thử nghiệm đóng băng và khí hậu cho UAV

, nơi hình dáng của nắp chụp cũng quan trọng không kém.

---

Nguồn và ghi chú

• Quang-khí động học là nghiên cứu về quang sai mặt sóng từ luồng không khí nhiễu loạn gần một khẩu độ quang học trên không, bắt nguồn từ công trình nghiên cứu độ lệch ánh sáng ở lớp biên năm 1952 của Liepmann, và sự phát triển của nó thông qua các phép đo hầm gió bằng đầu dò Malley ở tốc độ cận âm và cận âm cao: 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, Hội nghị Động lực học Plasma và Laser AIAA lần thứ 39, 2008, được thử nghiệm trong các hầm gió tại Đại học Notre Dame và Học viện Không quân Hoa Kỳ.
• Sự phụ thuộc vào bước sóng của hiện tượng suy giảm hình ảnh đối với một biến dạng đường truyền quang học cố định (Ví dụ về tỷ số Strehl: ~0,996 ở 10,6 μm so với ~0,674 ở ~1 μm cho cùng một mức độ biến dạng): cùng nguồn, phần Giới thiệu, trích dẫn công thức tỷ số Strehl trong Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Các khuyến nghị về phương pháp thử nghiệm (khớp phổ rung động, thử nghiệm đường truyền quang học/RF tích hợp nắp chụp, đóng băng trên hình học dành riêng cho tải trọng) là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech.