Научно-исследовательская работа кафедры лазерных измерительных и навигационных систем

Работы кафедры по использованию кольцевых лазеров в прецизионных угловых измерениях привели к созданию нового научного направления – лазерной динамической гониометрии. Лазерная динамическая гониометрия сформировалась в самостоятельное научное направление, которое, используя фундаментальные свойства лазеров с кольцевым резонатором, привело к разработке и широкому применению техники прецизионных высокоскоростных угловых измерений в фундаментальных физических и метрологических исследованиях, аттестации преобразователей угла различных типов, оценке статических и динамических параметров сложного углового движения объектов различного класса.

Данное научное направление является для кафедры новым, работы в нем начали проводиться с 1999 г. Начало работ в данном направлении обусловлено бурным развитием в последние годы микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ), при создании которых используется технология микроэлектроники. Существенно проигрывая пока в точности традиционным чувствительным элементам, ММЧЭ характеризуются значительно меньшими размерами и стоимостью. На кафедре разрабатываются микромеханические акселерометры с использованием поверхностных акустических волн. Проводится анализ и выбор наиболее перспективных направлений разработки микрооптических гироскопов. Работы ведутся совместно с Центром микроэлектроники и диагностики СПбГЭТУ.

Проводятся исследования и разработка инерциальных методов и средств контроля под нагрузкой геометрических параметров рельсовых путей.

В разработках широко применяются инерциальные и неконтактные методы измерения, которые позволят существенно повысить скорость движения путеизмерительных средств (для железнодорожного транспорта до 300 км/час).

Разрабатывается компьютеризированная система сбора, обработки и передачи измерительной информации.

Развиваются методы элементов и систем со стереоскопическими телевизионными камерами, датчиками линейных перемещений и микромеханическими чувствительными элементами. Исследования проводятся совместно с центром исследования железных дорог Германии (г. Минден). Экспериментальные образцы систем и их элементов внедрены в вагоне-лаборатории «ВИКС», вагоне-дефектоскопе ОАО «Радиоавионика», путеизмерительном вагоне метрополитена Санкт-Петербурга, в центре исследования железных дорог Германии. Ведется активное взаимодействие по данному направлению с группой компаний «Твема», НПЦ «Инфотранс», ЗАО «Электрооптика».

На определенных этапах разработки современных микромеханических чувствительных элементов навигационных систем ставится задача об их испытаниях и калибровке в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Этим требованиям отвечают испытательные стенды зарубежных производителей, таких как Acutronic, Actidyn, Ideal Aerosmith и др. На кафедре были разработаны современные малогабаритные автоматизированные одно-, двух- и трёхосные стенды, позволяющие проводить испытания и калибровку инерциальных чувствительных элементов и навигационных систем на их основе с высокой точностью, в широком диапазоне угловых скоростей и широком диапазоне температур.

Стенды полностью удовлетворяют требованиям стандартов IEEE в рамках испытания и калибровки микромеханических чувствительных элементов и, при этом, имеет лучшие по сравнению со своими зарубежными аналогами массогабаритные, эксплуатационные и стоимостные характеристики.

В настоящее время ведутся работы по метрологическому обеспечению (проведение испытаний с целью утверждения типа средства измерений) разработанных испытательных стендов совместно с ВНИИМ им. Д.И.Менделеева

Среди потребителей таких систем выступают ведущие отечественные производители инерциальных чувствительных элементов, навигационного оборудования и систем безопасности в автомобилестроении, авиации и железнодорожном транспорте, такие как ЦНИИ «Электроприбор», ОАО «Авангард», ОАО «Радиоавионика», различные научно-исследовательские институты ВНИИМ, МФТИ, ЦМИД и т.д.

Существует большой круг навигационных задач, решение которых возможно лишь при использовании интегрированных систем навигации, построенных на базе микромеханических чувствительных элементов. Часто такие системы используются для навигации беспилотных летательных аппаратов, подземной и внутритрубной навигации.

Коллективом кафедры ведется разработка таких навигационных систем, которые должны функционировать в некомфортных температурных условиях при сильных механических воздействиях.

Современный уровень развития элементной базы радиоэлектронных компонентов и конструкционных материалов позволяет создавать навигационные системы, имеющие малые массогабаритные характеристики и позволяющие решать навигационную задачу с высокой точностью благодаря комплексированию со спутниковой навигационной системой и различными первичными преобразователями.

Разрабатываются магнито-инерциальные методы навигации и мониторинга магнитных полей. Методы и их техническая реализация основаны на использовании трехкомпонентного магнитометра и системы ориентации на лазерных гироскопах и акселерометрах.

Разработанные методы полностью снимают ограничения, существующие при проведении измерений магнитного поля на ферромагнитных носителях любого рода. Погрешности проводимых измерений определяются точностью магнитометра, системы ориентации и алгоритмов обработки информации.

Проведены натурные испытания на гидрографическом судне ГС-403 в Балтийском море, подтвердившие эффективность метода.

В результате выполненных измерений на борту ферромагнитного судна, построены крупномасштабные карты компонент магнитного поля.

Вращательная сейсмология является сравнительно молодым направлением в геофизике и занимается изучением различных аспектов угловых сейсмических колебаний. Для регистрации этих колебаний необходимо создание специализированных измерительных средств.

В течение нескольких последних лет кафедра ЛИНС активно занимается этой задачей в сотрудничестве с ведущими зарубежными исследователями из США, Германии, Италии, Чехии, Тайваня.

При проведении исследований в данном направлении, решаются следующие основные задачи:

Решение различных измерительных задач сегодня связано с применением разнообразных оптических и оптоэлектронных систем, включая методы динамической голографии и интерферометрии, гартмановские датчики, компьютерное видение, измерение в реальном времени малых визуальных смещений различных объектов и т.п.

Для решения этих и других прикладных задач на кафедре ЛИНС в 2008 г. была создана специальная оптическая лаборатория.

Лаборатория оснащена современным оптическим оборудованием, различными лазерами и специализированными оптическими системами, включая интерферометр Физо апертурой 100 мм, другие интерферометры, адаптивную оптическую систему и разнообразные системы компьютерного видения.

Ряд исследований производится совместно с Государственным оптическим институтом.

Решение современных измерительных задач в научной сфере и промышленном производстве (в т.ч., измерение абсолютной длины, перемещений, качества поверхностей и т.д.) требуют создания малогабаритных лазеров с высокой стабильностью выходных параметров (частоты, уровня мощности излучения и др.).

При проведении научных исследований в данной области на кафедре ЛИНС решаются следующие основные задачи:

• разработка малогабаритных высокостабильных твердотельных лазеров;
• стабилизация частоты твердотельных лазеров;
• применение твердотельных лазеров в интерферометрах.

Эти работы ведутся совместно с Институтом Астрономии РАН, Санкт-Петербургским политехническим университетом и Государственным оптическим институтом им. С.И. Вавилова.