Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Возможности идентификация поверхности по временной труктуре сигнала 11
1.1. Отражательные характеристики в импульсной оптической локации 11
1.2. Импульсные характеристики элементарных поверхностей 14
1.3. Сигналы отраженны от элементарных поверхностей [9] 24
1.4. Системные отражательные характеристики поверхностей. Эффективная длительность импульсной характеристики поверхности 38
Выводы по первой главе 48
Глава 2 Обнаружение сигналов, отраженных от поверхностей сложной пространственной структуры 50
2.1. Влияние пространственной протяженности облучаемой поверхности и временного формирования излучения на условия обнаружения 50
2.2 Влияние инерционности приемной системы на энергетические характеристики при нестационарном облучении поверхности 55
2.3 Влияние отступлений от оптимальной фильтрации на условия обнаружения сигналов, отраженных от протяженных поверхностей 60
Выводы по второй главе 66
Глава 3 Анализ случайных погрешностей измерения радиальной ротяженности облучаемых поверхностей 68
3.1. Анализ шумовой погрешности оценки длительности сигнала 69
3.2 Анализ шумовой погрешности при измерении радиальной протяженности облучаемой поверхности 74
3.3 Влияние отступлений от условий оптимальной фильтрации на погрешности фиксации сигнала 80
3.4 Аномальная погрешность определения временной протяженности поверхности 85
3.5. Анализ погрешности, обусловленной уровнем фиксации в условиях априорной еопределенности облучаемой поверхности 90
3.6 Суммарная случайная погрешность определения радиальной протяженности облучаемой поверхности 93
Выводы по третьей главе 95
Глава 4 Ринципы пострения моноимпульсного лазерного нализатора рельефа поверхности 98
4.1. Структурная схема лазерного оперативного анализатора рельефа поверхности 98
4.2. Схема измерения с пропорциональным растягиванием времен-ного интервала 106
4.3. Интерполяционный измеритель временного интервала с оптико-электронной линией задержки 109
Выводы по четвертой главе 112
Заключение 114
Список литературы 116
- Импульсные характеристики элементарных поверхностей
- Влияние инерционности приемной системы на энергетические характеристики при нестационарном облучении поверхности
- Анализ шумовой погрешности при измерении радиальной протяженности облучаемой поверхности
- Схема измерения с пропорциональным растягиванием времен-ного интервала
Введение к работе
Бурное развитие космической техники, направленное на решение разнообразных задач, в том числе, и исследование планет и астероидов солнечной системы выдвигает жесткие требования к созданию навигационной аппаратуры. В том числе и к системам обеспечения посадки космических аппаратов.
При исследовании планет и астероидов солнечной системы с использованием беспилотных аппаратов и автоматических транспортных средств, которые могут спускаться на платформах с борта космических аппаратов, при их посадке для избежания опрокидывания возникает необходимость определения структуры рельефа посадочной поверхности. Особенно важно знать перепад высот посадочной поверхности. Ввиду этого необходимо проводить оперативную оценку рельефа поверхности с достаточно больших высот, чтобы осуществить необходимости коррекцию траектории посадки.
Такой оперативный анализ рельефа посадочной поверхности должен осуществляться с достаточно больших высот с погрешностями изменения перепада высот, составляющими десятые доли метра. При этом технические средства анализа рельефа поверхности должны иметь минимально возможные габариты, массу и, главное, низкое энергопотребление.
Определенные перспективы для таких навигационных систем открывает использование оптико-электронных систем, которые по сравнению с радиотехническими обладают рядом преимуществ:
малые веса и габариты,
низкое энергопотребление,
более высокие точностные характеристики.
Применение для этих целей стереоскопических телевизионных систем не представляется возможным из-за необходимости использования достаточно большой базы, чтобы обеспечить требуемые погрешности оценки перепада высот. Кроме этого использования их ограничено состоянием освещенности
5 поверхности. Применение систем со сканированием импульсного лазерного излучения по исследуемой поверхности и измерением расстояния может решить поставленную задачу, но связано с необходимостью формирования узко направленных полей излучения, созданием оптико-механических сканирующих систем и существенными энергетическими затратами.
Для создания таких технических средств можно использовать трансформацию пространственных признаков во временные в отраженном сигнале при моноимпульсной локации исследуемой поверхности. В этом случае в параметрах отраженного сигнала содержится информация о пространственной структуре облученной поверхности и ее радиальной протяженности при однократном зондировании поверхности. При этом будет использоваться аппаратура с существенно низким энергопотреблением
Параметры отраженного сигнала определяются отражательными характеристиками поверхностей в направлении приема, к которым относятся [31]:
энергетические отражательные характеристики, связывающие интенсивности отраженного и зондирующего излучения и зависящие от параметров поверхности и условий их облучения и наблюдения;
пространственно-частотные отражательные характеристики - двумерная функция эффективных коэффициентов яркости облучаемых и наблюдаемых точек поверхности, перпендикулярной направлению наблюдения;
временные отражательные характеристики, обусловленные пространственной протяженностью и формой облучаемой поверхности;
поляризационные отражательные характеристики, которые при заданном ракурсе описываются 16-элементной матрицей рассеяния, являющейся аналогом матрицы Мюллера [На основание этих матриц могут быть определены отраженные потоки при любом состоянии поляризации зондирующего излучения и поляризационной аппаратной функции приемника].
Естественно, что в основе трансформации пространственных признаков
во временные лежат энергетическо-временные отражательные характеристики поверхностей. При этом требуется, прежде всего, дать теоретическое обоснование возможности идентификации поверхностей по временной структуре отраженного сигнала.
Второй задачей, которая возникает при создании прибора, анализирующего временную структуру отраженного сигнала, является определение рационального временного формирования излучения и выбор характеристик приемно-усилительного тракта по условию наименьших энергетических затрат и минимальных точностных потерь.
Имеется достаточно большое количество работы, посвященных обнаружению и оценке параметров оптических сигналов, в том числе и с учетом специфических особенностей приема, например [6,7,14,15,16] и др. Однако нигде не рассматриваются задачи оценки длительности и дисперсии этих оценок. Недостаточно исследованы и вопросы выбора временных параметров излучения и характеристик приемно-усилительного тракта, при которых обеспечивались наименьшие энергетические и точностные потери, возникающие при облучении радиально протяженных поверхностей.
Таким образом, разработка теоретических положений, позволяющих обосновать выбор основных параметров, характеристик и принципов построения моноимпульсных систем оперативного анализа рельефа поверхности по временной структуре отраженного импульса, является актуальной задачей.
Цель диссертации и задачи исследований: на основе теоретических исследований сформулировать требования, к выбору основных характеристик и принципа построения бортового моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности.
Для достижения этой цели поставлены задачи:
исследование возможности идентификации элементарных ламбертовых поверхностей по временной структуре отраженных сигналов;
анализ обнаружительной способности при идентификации поверхностей;
анализ случайных погрешностей определения информационного параметра;
обоснование структурной схемы моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности.
В первой главе диссертационной работы рассматривается возможность идентификации формы облучаемой поверхности в моноимпульсной локации при ее однократном зондировании путем анализа амплитудно-временной структуры принимаемого сигнала. Исходя из предположения, что посадочные поверхности имеют также размеры, при которых они могут быть аппроксимированы элементарными поверхностями, получены импульсные характеристики этих поверхностей; которые являются энергетически-временными отражательными характеристиками. При этом форма импульсных характеристик, определяются пространственной структурой поверхности, а временная протяженность импульсной характеристики пропорциональна радиальной протяженности облучаемой поверхности. Форма импульсной характеристики поверхности и ее временная протяженность являются первичными информационными параметрами для идентификации поверхностей. Рассмотрены отраженные сигналы от этих поверхностей для двух форм зондирующих импульсов. Рассмотрены изменения первичных информационных параметров для случая гауссовых полей излучения и приема. Вводится аппроксимации системной импульсной характеристики поверхности с эквивалентной ее длительностью. Такая аппроксимация позволяет упростить описание отраженного сигнала при анализе обнаружительных и точностных характеристик системы. Рассмотрены отраженные сигналы при полях излучения и приема, отличных от идеальных, в условиях облучения зондирующими импульсами различной длительности и формы. Сформулированы требования к характеристикам и параметрам излучения для идентификации поверхности.
Во второй главе проведен анализ энергетических потерь обусловленных изменением радиальной протяженности облучаемой поверхности. Рассмотрена
8 эффективность временного формирования зондирующего сигнала заданной энергии в гипотетически оптимальных системах, а также степень влияния инерционности фотоприемой цепи (фотоприемного контура) на обнаружение сигналов, отраженных от поверхностей с изменяющейся радиальной протяженностью. Проведен анализ влияния отступлений от условий оптимальной фильтрации при постоянных параметрах и характеристиках приемно-усилительного тракта. Даются рекомендации к выбору ширины полосы пропускания приемно-усилительного тракта при априорно неизвестной облучаемой поверхности с позиции минимальных энергетических потерь.
Третья глава посвящена анализу случайных составляющих погрешностей определения радиальной протяженностей облучаемой поверхности.
Впервые определена дисперсия оценки длительности сигнала и ее зависимость от уровня отсчета. Показано, что основной вклад в эту погрешность вносят дисперсии оценок времени фиксации фронта и спада принимаемого сигнала. Корреляция оценок фиксации по фронту и спаду сигнала имеет существенное значение только при высоких уровнях отсчета.
Проводится анализ дисперсии оценки времени фиксации по фронту при безынерционном и инерционном приеме в зависимости от радиальной протяженности облучаемой поверхности при различном временном формировании излучаемого сигнала заданной энергии.
В условиях априорно неизвестной облучаемой поверхности определена оптимальная ширина полосы пропускания приемно-усилительного тракта, обеспечивающая минимальные точностные потери.
Рассмотрена аномальная погрешность определения длительности сигнала, которая возникает вследствие принятия шумового выброса за сигнальный. Исходя из аппроксимации поведения дифференцируемого случайного процесса над отсчетом уровнем параболой определена дисперсия длительности выброса на этом уровне. Показано, что в ряде случаев пренебрегать аномальной погрешностью опасно, так как она может оказаться сопоставимой с шумовой погрешностью.
Анализируется погрешность, обусловленная выбранным уровнем отсчета в условиях априорной неопределенности появления отражающих поверхностей. Показано, что эта погрешность может достигать 40% от измеряемой радиальной протяженности облучаемой поверхности и является наиболее существенной составляющей случайной ошибки определения радиальной протяженности облучаемой поверхности. Анализ этой погрешности показал, что при разрушении первичных информационных параметров из-за полей излучения и приема, параметров и характеристик зондирующего сигнала и передаточной функции приемно-усилительного тракта эта погрешность существенно уменьшается. При достаточно больших по величине сигналах эта погрешность окажется сопоставимой с остальными составляющими случайной ошибки.
В условиях различных законов распределения составляющих ошибок определения радиальной протяженности поверхности предложено суммарную погрешность определять с учетом доверительной вероятности.
В четверной главе диссертации приводится структурная схема моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности. Можно этот анализатор назвать моноимпульсным определителем радиальной протяженности поверхности. Схема анализатора включает в себя также устройство измерения величины сигнала и схему АРУ. Первое из них позволяет исключить погрешность, связанную с изменением величины сигнала при заданном уровне отсчета (фиксации). Второе - исключить грубую погрешность, обусловленную насыщением усилителя по мере сближения с поверхностью. При этом, чтобы приемно-усилительный тракт, передаточная функция которого может изменяться при регулировках, не вносил дополнительные ошибки, осуществлять регулировку уровня сигнала предлагается в оптическом тракте посредством изменения апертуры приемного объектива. Даются выражения для расчетов временной протяженности импульсной характеристики в контроллере.
Рассмотрены две схемы косвенного измерения длительности сигнала: схема пропорционального растягивания временного интервала,
10 интерполяционная схема с рециркуляторами.
В первой схеме предложено зарядно-разрядное устройство с изменяющейся постоянной времени. Это дает возможность уменьшить погрешность измерения временного интервала за счет снижения разброса срабатывания компаратора.
Во второй схеме предлагается в рециркуляторах в качестве линии задержки использовать оптико-электронную волоконную линию задержки. Теоретически это дает возможность проводить измерения с точностью до \мм .
В заключении даются основные выводы по диссертационной работе.
Импульсные характеристики элементарных поверхностей
Из полученных в разделе 1.2 материалов видно, что форма импульсной характеристики зависит от конфигурации облучаемой поверхности, а длительность импульсной характеристики указывает на радиальную протяженность поверхности.
Можно утверждать, что форма импульсных характеристик рассмотренных элементарных поверхностей позволяет их идентифицировать. Длительность импульсной характеристики прямо пропорциональна радиальной протяженности облучаемой поверхности независимо от ее конфигурации.
Таким образом, форма и длительность импульсной характеристики являются первичными информационными параметрами, позволяющими теоретическими идентифицировать облучаемую поверхность.
Практическая идентификация осуществляется по принимаемым сигналам, в которых произошло разрушение первичных информационных параметров, которое возникает при отражении от поверхности зондирующего сигнала и воздействия среды распространения на параметры отраженного сигнала. Естественно, что основные искажения первичных информационных параметров вносятся зондирующим сигналом при его отражении от поверхности. Ввиду этого искажениями, обусловленными средой распространения, будем пренебрегать.
Для определения временных функций отраженных сигналов воспользуемся интегралом Дюамеля с учетом, что импульсные характеристики - финитные, когда необходимо раздельное вычисление интеграла для временных значений tx и t2 , зависящих от соотношения между длительностью излучаемого импульса г0 и временной протяженностью облучаемой поверхности г,.
Рассмотрим влияние длительности зондирующего импульса на изменения первичных информационных параметров. Для чего определим отраженные сигналы от рассмотренных ранее элементарных поверхностей при облучении их прямоугольным импульсом величиной а0 и длительностью Т0. При облучении наклонной плоскости согласно (1.32) с учетом (1.13) отраженные сигналы будут определяться следующими соотношениями: - при длительности зондирующего излучения меньшей временной протяженности облучаемой поверхности (г0 На рис. 1.21 (а, б) приведены нормированные по величине временные функции сигналов, отраженных от усеченной выпуклой сферы, рассчитанные соответственно по формулам (1.44) и (1.45). При облучении конуса и усеченного конуса выражения для временныхфункций отраженных сгналов согласно (1.32) с учетом (1.29), (1.31)принимают вид:і) при облучении конуса:
На рис.1.23(а, б) приведены нормированные по величине временные функции сигналов, отраженных от усеченного конуса, рассчитанные соответственно по формулам (1.48) и (1.49).
Рассмотрение отражательных сигналов при прямоугольном зондирующем импульсе показывает, что даже в случае, когда длительность зондирующего импульса превышает временную протяженность облучаемой поверхности, идентифицировать форму элементарных поверхностей удается по временным характеристикам принимаемого сигнала. Что обусловлено резким фронтом и спадом зондирующего сигнала.
Рассмотрим влияние формы зондирующего сигнала на возможность распознавания указанных элементарных поверхностей, Для этого воспользуемся наиболее гладко изменяющейся во времени форме сигнала, к которому можно отнести, например, гауссовой импульс:
Ограничимся рассмотрением отражения этого импульса от ломаной поверхности и усеченного конуса, для которых получены наиболее характерные временные структуры отраженного сигнала при прямоугольном На рис. 1.25 приведены нормированные по величине временные функции сигналов для следующих случаев:- когда длительность зондирующего импульса больше временнойпротяженности облучаемой поверхности г0 г, при двух значениях площадейусеченного части (рис 1.25.а, для Ь0 ирис 1.25.а2 для 360);- когда длительность зондирующего импульса меньше временнойпротяженности облучаемой поверхности г0 г, (рис 1.25.6, для г,/г0 =6 и Ь0, рис1.25.б2 для г,/т0 =6иЗЬ0; рис 1.2.6, для г,/т0 =3 и Ь0, рис 1.25.е2 для т,/г0 =3 и Зй0;рис 1.25г, для г,/г0 = 2м60,рис 1.25г2 для TJT0 =2иЗЬ0). -2г0 о 4г0 г,+2r0 j
Рассмотрение полученных временных функций отраженных сигналов показывает на серьезное разрушение такого первичного информационного параметра, как форма импульсной характеристики. Однако даже при гауссовой форме зондирующего импульса при достаточно коротких длительностях (много меньших временной протяженности облучаемой поверхности) можно относительно легко идентифицировать поверхности.
Однако для любого зондирующего импульса теоретически возможно восстановить информационные параметры импульсной характеристики поверхностей, если передаточная функция приемно-усилительного тракта будет обратно-пропорциональна спектральной функции излучаемого сигнала, т.е. если передаточная функция поверхности - К-Хі), то спектральная функция отраженного сигнала равнаSi{ja )=S\{j« )Kjja), где S jco)- спектральная функция излучаемого импульса. Тогда спектральная функция сигнала на выходе приемно-усилительного тракта будет равна:Sewi{jco)=Krl {ja,)s2(jco)=K,{jco),т.к. Кф{їсо)=—-,—г - передаточная функция приемно-усилительного тракта.поверхности.
Однако техническая реализация такого фильтра может натолкнуться на непреодолимые трудности.Следует отметить, что разрушение второго информационного параметра - длительности импульсной характеристики поверхности легко компенсируется в приемной системе.
Наряду с искажениями информационных параметров, связанными с формой и длительностью зондирующего импульса, возникают еще искажения, обусловленные распределением интенсивности в поле излучения. Эти искажения учитываются в системных импульсных характеристиках.
Влияние инерционности приемной системы на энергетические характеристики при нестационарном облучении поверхности
Проведем анализ энергетического выигрыша в условиях инерционного приема. При этом будем исходить из эквивалентной схемы фотоприемного тракта, приведенной на рис.2.3. На рис.2.3 обозначены: іф - эквивалентный генератор фототока; /і эквивалентный генератор тока дробовых шумов фотоприемника; U эквивалентный генератор тока тепловых шумов нагрузки; Сфи Яф - емкость фотоприемника и сопротивление нагрузки соответственно; іс- эквивалентный генератор тока выходного сигнала первого каскада усиления; /2- эквивалентный генератор тока выходного сигнала первого каскада усиления; h эквивалентный генератор дробовых шумов первого усилиительного каскада; Z - импеданс нагрузки активного элемента первого каскада усиления. Под Лф понимаемся парал лельное соединение внутреннего Рис.2.3: Эквивалентная схема сопротивления фотоприемника, соп- фотоприемного тракта ротивления усилительного каскада, а под Сф - параллельное соединение емкости фотоприемника, монтажа и входной емкости усилителя. Такая эквивалентная схема позволяет перейти к обобщенной модели приемно усилительного тракта (рис.2.4), предложенной в работе [43]. На этом рисунке приведены следующие обозначения: К0 - безынерционный преобразователь оптической энергии в электрическую; Kx{j(o) -передаточная функция фотоприемного контура; К2 [jco) - передаточная функция усилителя; /а\и іаг- эквивалентные источники шумов фотоприемного контура и усилителя соответственно. Передаточная функция фотоприемного контура согласно эквивалентной схеме рис.2.3 будем определяться зависимостью где Т = ЯфСф- постоянная времени фотоприемного контура. Таким образом, даже при постоянных энергетических спектрах шумов фотоприемного контура G, и усилителя G2, шумы, приведенных ко входу будут окрашенными. Их энергетический спектр будет определяться соотношением: В формуле (2.11), S2(jco)- спектральная функция принимаемого сигнала. Предполагая об отсутствии частотных искажений при распространении излучения от отражающей поверхности до фотоприемника, влияющих на спектральную функцию отраженного сигнала, спектральная функция принимаемого сигнала будет определяться зависимостью StUa ) = K;(j(i M »), (2-12) Здесь S ja) - спектральная функция излучаемого импульса, a K 3{ja) системная передаточная функция облучаемой поверхности. По аналогии с разделом 2.1 для простоты вычислений будем считать, что в качестве зондирующего импульса используемся сигнал вида а системная импульсная характеристика облучаемой поверхности g 3(t) заменяемся гауссовой функцией с эквивалентной длительностью г,. В этом случае имеем Рассмотрим влияние инерционности фотоприемного контура на величину отношения сигнала к шуму при изменении временной протяженности облучаемой поверхности и длительности зондирующего импульса заданной энергии. Представим выражение (2.13) в следующем виде . Параметр инерционности характеризует инерционность приема и зависит как от постоянной времени фотоприемного контура Т, так и от m - отношения энергетических спектров шумов усилителя и приемного контура. Как видим, в том случае, когда шумами усилителя можно пренебречь (т 0) инерционность приема не сказывается на энергетических характеристик системы (у = 0). Рассмотрим энергетические потери, обусловленные инерционностью фотоприемного контура в условиях изменения временной протяженности облучаемой поверхности и изменения длительности зондирующего импульса заданной энергии. Энергетические потери будем характеризовать относительной величиной отношения сигнала к шуму rjбезынерционном приеме сигнала, отраженного от плоской ламбертовой поверхности, нормально-ориентированной направлению излучения, для Я = 1.
На рис.2.5 приведены зависимости TJ В зависимости от параметра инерционности v для трех временных протяженностей облучаемой поверхности: « = 0,5; п = 1,5;« = 5 . Такие величины « соответствуют: На этом же рисунке приведены кривые (пунктирной линией), характеризующие влияние параметра инерционности на энергетический проигрыш с учетом только временной протяженности облучаемой поверхности без коэффициента а(у), полученные по формуле
Из кривых рис.2.5 видно, что с увеличением временной протяженности облучаемой поверхности влияние инерционности на энергетический проигрыш ослабевает. Например, при увеличении временной протяженности облучаемой поверхности в 3 и 10 раз влияние инерционности снижается на 20%, и 45% соответственно.
На рис.2.6 приведены графики энергетического проигрыша (выигрыша) TJ и ц от коэффициента временного преобразования излучаемого сигнала Я. Из этих кривых видно, что в условиях инерционного приема энергетический выигрыш от сокращения длительности зондирующего импульса {Л \) при относительно большой инерционности (например, v = 4) почти отсутствует, а при малой инерционности (например, v = 0,25 ) незначительный. Следует отметить, что при большой временной протяженности при оптимальном приеме в условиях инерционного приема энергетический выигрыш от сокращения длительности зондирующего импульса заданной энергии фактически отсутствует.
Следует указать на то, что величины TJ или TJ были названы энергетическими выигрышами или проигрышами. Их можно рассматривать, как выигрыш, когда увеличивается относительное значение сигнал/шум, и проигрыш, если имеется уменьшение сигнала к шуму.
Анализ шумовой погрешности при измерении радиальной протяженности облучаемой поверхности
Проведем анализ шумовой погрешности при измерении радиальной протяженности облучаемой поверхности в условиях инерционного и безынерционного приема. Также рассмотрим влияние временного формирования излучения на дисперсию оценки времени запаздывания сигнала при фиксации по фронту.
Воспользуемся соотношениями (3.5), (3.6) и (3.7). При этом зондирующий импульс будем описать зависимостью а его спектральную функциюгде: Л = -5- - коэффициент временного преобразования сигнала; г0 Чдлительность исходного зондирующего импульса; тш - длительность преобразованного импульса. Также выполняется условиедлительности зондирующие импульсы.Системную импульсную характеристику и системную передаточную функцию облучаемой поверхности запишем в виде будем считать, что = 1.
Исходя из предположения о том, что при облучении любой поверхности каждый раз осуществляется оптимальный прием, передаточную функцию приемно-усилительного тракта для оптико-лакационной системы в общем виде запишем в виде: Так как энергетический спектр шумов, приведенных ко входу равен G(ct)) вид На рис.3.2 приведены графики относительного значения дисперсии оценки фиксации сигнала по фронту в условиях безынерционного приема при увеличении радиальной протяженности облучаемой поверхности для трех фиксированных значениях коэффициента временного преобразования зондирующего сигнала. Расчеты проводились по формулам (3.31) при v = 0.
Следует отметить, что в условиях безынерционного приема при облучении плоской поверхности, нормально ориентированной направлению излучения, сокращение длительности зондирующего импульса заданной энергии снижает дисперсию оценки фиксации сигнала по максимуму в соответствие с зависимостью [18,8]
В нашем случае при безынерционном приеме в этих же условиях этот точностной выигрыш меньше из-за того, что осуществляется фиксации по фронту при полосе пропускания оптимальной обнаруженного сигнала, но не наилучшей с позиции оценки времени запаздывания при выбранном методе фиксации.
Точностной выигрыш в этом случае будет равен При этом, если ширину полосы пропускания приемно-усилительного тракта увеличит до такой, при которой погрешность фиксации будет минимальной (например, для гауссова сигнала это увеличение соответствует в 3 раз), то точностной выигрыш будет оставаться меньше, чем при фиксации по максимуму сигнала в силу того, что теперь полоса пропускания будет не оптимальной по отношению к величине отношения сигнала к шуму.
Как видим, эффект временного формирования излучения заданной энергии при фиксации по фронту существенно ниже, чем по максимуму сигнала.
Из приведенного рис.3.2 также видно, с ростом радиальной протяженности резко увеличивается дисперсия оценки фиксации сигнала, а сокращение длительности зондирующего импульса незначительно снижает погрешность фиксации. контура v = 0,4; v = 1; v = 2,5 при Я = 1.Из приведенного рисунка видно, что дисперсия оценки даже при незначительной инерционности фотоприемного контура существенно возрастает. В таблице 3.1 приведены относительные величины дисперсии фиксации по фронту при облучении плоской поверхности, нормально ориентированной направлению излучения (я = 0), для трех значений параметра инерционности. Сопоставление относительных значений дисперсий при « = 0 и п = 2 приведенных в таблице 3.1 и графиках 3.3, показывает, что с ростом радиальной протяженности облучаемой поверхности влияние инерционности фотоприемного контура на дисперсию оценки фиксации сигнала по фронту уменьшается.
На рис.3.4, 3.5, и 3.6 приведены также графики относительного значениядисперсии оценки фиксации сигналапо фронту при фиксированныхзначениях параметра инерционностифотоприемного контура и различныхзначений коэффициента временногопреобразования зондирующего сигнала. При этом имелось в виду, чтопри изменении временного преобразования сигнала осуществляетсяоптимальная фильтрация пообнаружению в приемно усилительном тракте.
Приведенные на рис.3.4, 3.5 и 3.6 графики дают возможность оценить влияние временного преобразования зондирующего сигнала заданной энергии на погрешность фиксации по фронту в условиях инерционного приема при увеличении радиальной протяженности облучаемой поверхности.
Схема измерения с пропорциональным растягиванием времен-ного интервала
При измерении длительности принимаемого сигнала, величина которого может колебаться от 1(Г8 до 10"7с с погрешностью «10" с можно считать перспективным использование косвенного метода измерения, основанного на пропорциональном растягивании временного интервала. Структурная схема такого измерителя [27] приведена на рис.4.5, а временные диаграммы, поясняющие ее работу на рис.4.6.
На схеме обозначены: Тр.Ш - триггер Шмидта, К - компаратор, Е.Н -емкостной накопитель, Тр - триггер, И - логическая схема И, ГСИ - генератор Далее идет заполнение временного интервала счетными импульсами, которые записываются в регистре памяти. Недостатком такой схемы нестабильность срабатывания компаратора, что может привести к существенным ошибкам измерения коротких временных интервалов.
Используются различные схемы, в частности, в [19] предлагается схема с изменением постоянной времени заряда, которая расширяет коэффициент преобразования, но не снижает погрешность срабатывания компаратора.с триггера будет в « раз большеисходной (длительности импульса Идею изменения вемени заряда можно использовать для снижения ошибки времени срабатывания компаратора.
Предлагается устройство пропорционального растягивания временного интервала, структурная схема которого изображена на рис.4.7. На рис.4.8 приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.напряжения используется разрядно-зарядное устройство, схема которого представлена на рис.4.9 (на рис.4.9 обозначены: Кь К2, К3 - ключи; Одн -одновибратор, ИНВ - инвертор). С приходом измеряемого импульса с Тр.Ш происходит заряд конденсатора в емкостном накопителе по отношению к опорному напряжению U0. Одновременно с такой же постоянной времени осуществляется разряд конденсатор С (рис.4.9) через открытый ключ К2 через сопротивление R]. По окончанию длительности входного импульса, ключ Кг закрывается, открывается ключ К3 и осуществляется заряд конденсатора с новой постоянной времени R2C (как показано на диаграмме 3 рис.4.8).
В предлагаемой схеме условия срабатывания компаратора более лучшие. Существенно уменьшается временной разброс срабатывания из-за увеличения угла между постоянным напряжением и пилообразным напряжением при заданном коэффициенте преобразования (на рис.4.8 это можно проследить -пунктирной линией показана временная диаграмма пилообразного напряжения для схемы рис.4.5.).
Для обеспечения высокой разрешающей способности при определении радиальной протяженности неровности облучаемой поверхности, на которую спускается платформа с транспортным средством или космический аппарат, можно использовать другие косвенные методы измерения временного интервала. Одним из таких методов является интерполяционной метод, техническая реализация которого обеспечивается схемой с электронным нониусом [27,32], приведенной на рис.4.10.
На схеме рис.4.10 обозначены: Т-триггер, НГ - нониусный генератор, ЭГ -эталонный генератор, СГО - счетчик грубого отсчета, СТО - счетчик точного отсчета, И - логические схемы И , СС -схема совпадений.
Схема содержит два счетчика - Рис.4.10: Схема интерполяционногоизмерителя временного интервала. грубого и точного отсчета. Счетчик точного отсчета предназначен для введениядополнительной, точной шкалы отсчета. При появлении старт-импульсатриггер Т опрокидывается в состояние единица и открывает логическую схему
И . Эталонные импульсы с генератора ЭГ поступают в счетчик грубого отсчета. Положим в момент t, появляется стоп-импульс. Тогда импульсы эталонного генератора будет последним, который зарегистрирует счетчик грубого отсчета. Интервал между последнем эталонным импульсом и стоп-импульсом является ошибкой, которую необходимо уменьшить. Для этого стоп-имыульсом запускают нониусный генератор (НГ), период колебания которого Т2 несколько отличается от периода колебаний эталонного генератора Г, , Импульсы нониусного генератора подсчитываются счетчиком точного отсчета. Колебания в нониусном генераторе останавливаются импульсом, поступающим от схемы совпадений СС. Этот импульсы образуется в момент совпадения импульсов нониусного и эталонного генераторов. Совпадение этих импульсов образуется не сразу, а через "/"периодов нониусного колебания. Так как в начале прихода стоп-импульса разность временного положения между нониусным и эталонным импульсами равна том , то с каждым следующим периодом эта разность уменьшается на величину Тх-Т2 (так как Г,-Г2 0 ). Если разность AT = Тх - Т2 кратка том с кратностью "/" , то через "/"периодов повторения импульсов нониусного генератора будет выполнено равенствои наступит совпадение эталонного и нониусного импульсов. Как видно, в этом методе величины том измеряется с точностью до разности AT = Тх - Т2 . Чемменьше разность, тем точнее измерение. Однако с уменьшением разности повышаются требования к стабильности нониусного и эталонного генераторов и разрешения схемы совпадений.Для обеспечения высокой точности и стабильности работы для нашей задачи может быть использована схема электронного нониуса [1] приведенная нарис.4.11.
На рис.4.11 обозначены: Тр.Ш - Триггер Шмидта, Диф.Ц -дифференцирующая, Инв. - Инвертор, СС - схема совпадения, Рец. -Рециркулятор (генератор с запаздывающей положительной обратной связью), Сч.Гр.Отсч - Счетчик грубого отсчета, Сч.Точ.Отсч. - Счетчик точного отсчета.
