Принцип работы лазерного створного маяка (ЛСМ).
Принцип ориентирования по ЛСМ основан на наблюдении судоводителем двух световых сигналов. В случае восприятия сигналов синхронными во времени, судоводитель находится в створной зоне, а в случае восприятия сигналов несинхронными, судоводитель находится вне створной зоны, причем рассинхронизация сигналов создает эффект бегущего огня указывающего направление к створной зоне.
Каждый из сигналов излучается отдельным модулем. Сигнал формируется следующим образом. Излучение создается непрерывно работающим лазером с углом расходимости три угловых минуты. Излучение развертывается в вертикальную плоскость с помощью сканирования с частотой в 250 Гц на угол обеспечивающий возможность восприятия сигнала наблюдателями, находящимся на различных возможных высотах (в используемых системах ЛСМ этот угол вертикального сканирования равен 60 угловым минутам). После этого полученные световые плоскости от каждого модуля начинают сканировать по горизонтали на встречу друг другу с частотой 0,3 Гц на угол позволяющий видеть сигнал по всей зоне ориентирования (в используемых системах ЛСМ этот угол горизонтального сканирования равен 5-7 угловым градусам).
Таким образом, наблюдатель видит по 1 вспышке от каждого модуля один раз в 3 секунды, сформированной из нескольких импульсов.
После прохождения полученными световыми плоскостями угла горизонтального сканирования лазер отключается и переходит в начальное положение для следующего цикла.
Схема движения пучка лазера.
aгор — угол горизонтального сканирования;
aгор — угол вертикального сканирования;
b — угол расхождения пучка лазера;
dгл — диаметр зрачка глаза наблюдателя.
2. Расчет требуемой мощности.
Расчет требуемой мощности основан на [1].
Выбор мощности определяется возможностью регистрировать вспышки света на максимальной дистанции наблюдения. Возможность регистрации излучения глазом определяется пороговым значением плотности мощности. Мощность выбирается такой, что бы создать на максимальной дистанции плотность мощности равно пороговой умноженной на коэффициент запаса.
Необходимая мощность излучения лазера равна;
где a — угол расходимости луча лазера, рад;
aв — угол вертикального сканирования, рад;
wск.г. — скорость горизонтального сканирования сканирования, рад/с;
t — оптическая прозрачность атмосферы на 1 милю (определяется заказчиком для места установки);
L — дальность видимости в километрах;
Е¥ — пороговая плотность мощности Вт/м2;
W — телесный угол расходимости луча лазера, стерад.;
q — время инерции глаза, с;
kp – коэффициент запаса мощности принимается = 1.2.
3. Расчет безопасности для глаз.
Расчет безопасности для глаз основан на [2], [3] и [4].
В расчете безопасности имеется следующие особенности. Наблюдения вспышек ЛСМ происходит при изменении положения судна. Оценка безопасности основана на сравнении допустимой экспозиции излучения с максимально допустимой экспозицией. В обычных ситуациях, когда наблюдатель не перемещается, то экспозиция определяется произведением экспозиции одного импульса на количество импульсов, однако при перемещении наблюдателя изменяются условия наблюдения огней и меняется экспозиция излучения, что делает необходимым расчет экспозиции при каждом наблюдении и суммирование для получения общей экспозиции излучения.
Так как допустимая экспозиция излучения зависит от времени наблюдения, то на каждом этапе суммирования проводиться сравнение суммарной экспозиции излучения и допустимой экспозиции. Наблюдатель видит лазерное излучение пока движется по зоне ориентирования и суммирование экспозиции проводится за время прохождения наблюдателя по зоне ориентирования. Так как наблюдатель может включиться в наблюдение огней в любой момент времени, то суммирование экспозиции начинается с того места, где экспозиции от каждой вспышки максимальна т.е. с минимального расстояния наблюдения.
При расчете суммарной экспозиции проводиться сравнение с максимально допустимым значением и определяется коэффициент запаса.
Время вспышки определяются углом расходимости лазера и скорость горизонтального сканирования.
Время вспышки равно
tвсп = b / wгор = 0.872*10-3/0.0249 = 0.0358 сек.
Вспышка состоит из нескольких импульсов.
Количество импульсов в вспышке
n = tимп * lверт.скан. = 0,0358*500 = 17,9 »18 импульсов.
Время одного импульса равно
tимп = β / wвер = 6,81 * 10-5
Суммарное время импульсов
tпроб = tимп * n = 1.23 * 10-3
Предельно допустимый уровень (ПДУ) экспозиции лазерного излучения НПДУ. Энергетическая экспозиция HПДУ, усредненная по ограничивающей апертуре:
HПДУ=WПДУ/Sa,
где Sa – площадь ограничивающей апертуры,
WПДУ — предельно — допустимый уровень энергии излучения.
Из нормативов [см. 2] по предельным дозам при однократном воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения при длительности воздействия соответственно для временных интервалов 5,0·10-5 < t ≤ 1,0 и 1,0< t ≤ 2,2·103.
WПДУ (t) = , Дж;
WПДУ (t) = PПДУ ∙ t= , Дж..
равно меньшему из двух значений энергии:
при коэффициенте ξ=1(для ЛСМ) W1=W2.
Тогда предельно допустимая плотность энергии облучения соответствует норме и равна:
HПДУ = WПДУ/Sa .
Экспозиция лазерного излучения ЛСМ рассчитывается согласно формуле полученной в [2] :
,
где c = 2,8 – коэффициент, задаваемый в зависимости от того, по какому уровню интенсивности в паспорте определен угол расходимости лазерного излучения β. Для уровня 0,5 с=2,8;
Pмод — мощность лазерного излучения, Вт;
tпроб — суммарное время импульсов в вспышке, с;
Lmz — длина мертвой зоны, км;
d – диаметр выходной апертуры излучателя, см;
t — коэффициент прозрачности атмосферы на одну милю;
Pмод – мощность излучения одного модуля лазерного сканирующего, Вт;
R – расстояние от источника лазерного излучения до точки наблюдения по ходу луча, см;
β — угол расходимости лазерного излучения, рад;
Δ = Vсуд /υгор — расстояние, которое проходит судно между соседними проблесками при равномерном движении.
При прохождении судов принимается, что судоводитель наблюдает огни створа все время движения судна по фарватеру. После ухода с фарватера и прекращения наблюдения огней створа судоводитель прекращает повышать полученную экспозицию лазерного излучения. Наблюдения вспышек можно считать независимыми, если между вспышками проходит более 200 секунд [4]. Исходя из этого повторные проходы по фарватеру можно считать независимым как для команды судна, так и для лоцманов. В соответствии с этим расчет безопасности для глаз проводиться за время одного прохода судна по фарватеру.
Источники
- Миронов А.Ю. Методы оптимизации параметров функционирования систем лазерных створных маяков для обеспечения безопасности судовождения в стесненных условиях плавания.. — Дисс. к.т.н. .- М.: МГАВТ, 2011.- 142с.
2. Хина А.А. Безопасность и надежность лазерного створного маяка для эксплуатации на подходах к морским портам. — Дисс. к.т.н. .- М.:МГАВТ, 2012.- 170с.
3. ГОСТ 31581-2012 Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий.
4. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров
5804-91. М., 1991.