Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров

Научная библиотека Комментариев к записи Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров нет

В.Вильнер, А.Ларюшин, Е.Рудь // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 3/2008, с: 118-123

Методы импульсной лазерной локации широко используют при создании дальномеров, высотомеров, лидаров, систем 3D-регистрации и др. Для большинства приложений важно реализовать предельные возможности дальномеров по дальности действия и точности при минимально возможных массе и стоимости приборов. Поэтому необходимы технические решения, которые позволяют существенно повысить точность дальномеров без значительного усложнения их конструкции. Такие решения предложены авторами данной работы.

Типы лазерных дальномеров

Первыми лазерными локационными дальномерами импульсного типа были дальномеры с твердотельными (т/т) лазерами. Они работали по принципу измерения интервала времени между моментом излучения зондирующего лазерного моноимпульса и моментом приема излучения, отраженного от цели [1, 2]. Лазерная техника и микроэлектроника постоянно совершенствуются, поэтому такие дальномеры сейчас в десятки раз легче, имеют в несколько раз большие дальность действия и точность.
За последние десять лет большой прогресс достигнут в области дальномеров с полупроводниковыми (п/п) лазерами. Благодаря невысокой стоимости и малым габаритам они востребованы в системах навигации малых судов и индивидуальных летательных аппаратов. Кроме того, они потеснили дальномеры с т/т-лазерами и в ряде специальных областей. Работают такие дальномеры по методу накопления слабых отраженных сигналов при многократном зондировании цели в импульсном режиме излучения лазера [3]. Накопление применяется из-за того, что энергия излучения у п/п-лазера на несколько порядков ниже, чем у т/т-лазера, и не может обеспечить необходимую дальность действия дальномера при посылке одного импульса. При статистическом некогерентном накоплении эквивалентная энергия сигнала увеличивается в √–N раз, где N – число зондирований в серии (объем накопления) [4]. Моноимпульсный и накопительный методы обработки локационной информации – принципиальное, но не единственное различие между двумя классами дальномеров. Дальномеры на основе п/п-лазеров отличаются типом и конструктивным исполнением оптической системы, формирующей зондирующий пучок. У т/т-лазеров формирователь выходного пучка или отсутствует, или применяется афокальная система (типа телескопа Галилея) с увеличением Г = j0/j, где j0 и j – углы расходимости излучения на выходе лазера и оптической системы соответственно. Для формирования пучка излучения п/п-лазера применяются объективы с фокусным расстоянием f = a/j, где а – ширина излучающей площади лазера, j – требуемый угол расходимости зондирующего пучка. Диаметр объектива Dоб должен удовлетворять условию: Dоб = 2f·tg(a/2), где a – апертурный угол излучения лазера.
Есть еще одно важное отличие. В моноимпульсных дальномерах на т/т-лазерах точность измерения дальности зависит от длительности импульса излучения, что требует минимизации длительности импульса. В разных типах т/т-лазеров она составляет 5–50 нс (так, длительность зондирующего импульса высотомера ДЛ-2 на базе т/т-лазера YAG:Nd3+ – 10 нс). В п/п-лазере тоже можно генерировать импульсы малой длительности, но, ввиду ограничения по импульсной мощности, это еще более увеличит дефицит энергии зондирующего импульса. Устранить этот недостаток можно, повысив точность при накоплении за счет статистической обработки накопленных данных [5–7], в том числе с помощью новых методов, предлагаемых авторами. Эти методы позволяют увеличить длительность импульса до 100–300 нс и более при сохранении высокой точности измерения.
Таким образом, дальномер с п/п-лазером принципиально отличается от своего аналога с т/т-лазером по всем позициям: принципу действия измерительного блока; устройству схемы накачки лазера; построению приемно-усилительного тракта; типу коллимирующей оптической системы; конструктивной компоновке прибора. По-разному решаются в них и вопросы обеспечения точности измерений.
Для стандартных применений достаточно, чтобы погрешность измерения дальности не превышала 5–10 м. Таким требованиям отвечает большинство лазерных дальномеров
(БД-1, ЛДИ-3, 1Д18, ЛДИ-5 и др.). Ряд задач, однако, требует существенно большей точности. К ним относятся:

* измерение скорости цели;
* определение абсолютных координат объектов, в том числе с использованием информации спутниковых систем навигации;
* определение профиля цели (подстилающей поверхности) вдоль трассы полета летательного аппарата;
* определение пространственной протяженности цели вдоль трассы зондирования.

В подобных случаях максимальную ошибку дальномеров (обычно 1–2 м) нужно снижать до 0,2–0,5 м, что достаточно сложно и требует оптимизации процесса измерения. Посмотрим, каковы возможные пути повышения точности лазерных дальномеров различных типов.
Дальномер с твердотельным лазером

В дальномерах с т/т-лазерами применяется моноимпульсный метод измерения интервала Т между излученным и принятым от цели импульсом, по которому определяют дальность R=cT/2, где с – скорость света. Можно выделить основные составляющие ошибки измерения временного интервала Т: систематическая погрешность, обусловленная разным временем задержки сигнала в каналах фиксации старт- и стоп-импульсов; дискретность измерителя временных интервалов (ИВИ); погрешность временной фиксации. Остановимся на них подробнее.
Систематическая погрешность, обусловленная разным временем задержки сигнала в каналах фиксации старт- и стоп-импульсов. Если не принять специальные меры, такая погрешность может достигать 5 м. При схемной компенсации удается уменьшить эту ошибку до 0,2–0,5 м. В так называемой схеме совмещенного старта, когда старт- и стоп-сигналы подаются на один приемник, указанная погрешность компенсируется полностью.
Дискретность ИВИ. Если тактовая частота ИВИ не синхронизирована с моментом излучения зондирующего импульса, что типично для т/т-дальномеров, то плотность w(r) распределения вероятности ошибки, обусловленной этим фактором, является треугольной и определяется выражением:

где r – дальность; ΔR – дискретность ИВИ в единицах дальности.
Тогда дисперсия и среднеквадратическая ошибка (СКВО) оценки дальности равны:

При тактовой частоте ИВИ fT = 30 МГц, принятой в ряде серийно выпускаемых дальномеров, дискретность ΔR = 5 м, а СКВО sИВИ ~ 2 м. В новых разработках, как правило, ΔR=1 м, а sИВИ ~ 0,4 м. Если эти параметры не отвечают предъявляемым требованиям, применяют технические решения, которые позволяют при той же тактовой частоте уменьшить дискретность отсчета дальности [8,9]. Одно из таких решений – метод преобразования временного масштаба (называемый также методом Уилкинсона или временной лупой). Этот метод широко используется в недорогих дальномерах. Он обеспечивает дискретность по дальности 1 м при низкой частоте тактового генератора, позволяющей применять дешевые микросхемы [10].
Когда на рынке появились недорогие микропроцессоры с тактовой частотой 150–300 МГц, стало возможным удовлетворить весьма высокие требования по точности с помощью метода прямого счета и интерполяционных методов [9] (нониусного метода или метода верньерной интерполяции [11]). Вот почему метод преобразования масштаба времени уже практически не применяется. Указанные интерполяционные методы позволяют снизить дискретность преобразования «время-цифра» на порядок и более.
Погрешность временной фиксации. Для старт-импульса задача фиксации решается достаточно легко, поскольку сигнал характеризуется амплитудной и временной стабильностью. Решить же аналогичную задачу для принимаемого от цели импульса значительно сложнее. В зависимости от дальности, состояния локационной трассы и типа цели амплитуда сигнала может меняться на 4–6 порядков. При этом существенно меняется форма сигнала из-за его ограничения в приемном тракте. Кроме того, сигнал может искажаться шумами и помехами аддитивного и мультипликативного характера.
Наиболее распространен метод временной привязки сигнала путем фиксации его по уровню [1, 12], когда момент фиксации определяется моментом пересечения сигналом порога срабатывания формирователя (рис.1). Этот момент фиксируется генерацией стандартного стоп-импульса. Из рис.1 видно, что его положение нестабильно и зависит от амплитуды импульса. Максимальный разброс момента фиксации равен длительности фронта импульса. Существуют способы устранения этой нестабильности, однако они довольно сложны и используются редко [6].
Если требования к точности фиксации импульса очень высоки, применяют методы фиксации максимума импульса
[1, 9] и точки пересечения нуля производной [9, 13]. Эти методы сравнительно легко реализуются и дают высокую точность фиксации, однако они эффективны лишь в линейной области изменения сигнала, как правило, в динамическом диапазоне амплитуд, не превышающем 100 [9]. При нелинейных искажениях, вызываемых перегрузками, эти методы непригодны. Поэтому приходится существенно усложнять аппаратуру, вводя средства сужения динамического диапазона. Но это не всегда возможно, если отсутствует информация об ожидаемой амплитуде сигнала.

Полное содержание статьи: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_385_384.pdf

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top