Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и классификация средств лазерного зондирования. Задачи лазерной высотометрии 18
1.1 Лазерная локация 18
1.2 Состав импульсных лазерных дальномеров. Структурно-функциональные схемы определения дальности-высоты 22
1.3 Лазерные высотомеры 28
1.3.1 Особенности лазерных высотомеров 28
1.3.2 Задачи лазерной высотометрии 31
Глава 2. Энергетический расчет. Дальность действия и обоснование требований к фотоприемному устройству. Расчет точности измерении импульсного высотомера на основе твердотельного лазера 41
2.1 Энергетический расчет. Дальность действия и обоснование требований к фотоприемному устройству 41
2.1.1 Методы определения дальности (методы выделения сигналов в условиях помех) 41
2.1.2 Расчетная методика 45
2.1.3 Оценка влияния фона 46
2.1.4 Формирование рабочего поля высотомера 49
2.1.5 Результаты расчета 52
2.2 Расчет точности измерения дальности и скорости 54
2.2.1 Расчет точности измерения дальности 54
2.2.1.1 Дискретность измерителя временных интервалов ARHBH. 54
2.2.1.2 Методы преобразования наносекундных интервалов (методы измерения временных интервалов) 56
2.3 Расчет точности измерения скорости 61
2.3.1 Оптимальный алгоритм измерения скорости 62
2.3.2 Оценка скорости цели в реальных условиях 65
Глава 3. Методы повышения точности измерений, точности привязки и формирования оптимальной структуры приемо-передающего канала импульсных высотомеров на основе твердотельных лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения
3.1 Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов... 69
3.2 Модифицированный метод временной привязки лазерного высотомера 74
3.2.1 Методы временной фиксации импульсных сигналов при наличии помех (устройства временной привязки импульсов) . 75
3.2.2 Обоснование предлагаемого модифицированного устройства временной привязки импульса 81
3.2.3 Реализация нового метода временной фиксации сигнала . 85
3.3 Обоснование выбора активного элемента для лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм 88
3.4 Обоснование выбора фотодиода 92
Глава 4. Обоснование выбора импульсного лазерного диода и фотоприемника. Энергетический расчет. Дальность действия высотомера. Точностной расчет дальности высотомера на основе полупровод-никового лазера 95
4.1 Обоснование выбора импульсного лазерного диода 95
4.2 Выбор лазера и фотоприемника 101
4.3 Энергетический расчет. Дальность действия высотомера 103
4.3.1 Оптическая система высотомера 104
4.3.2 Энергетический расчет в моноимпульсном режиме. 105
4.3.3 Энергетический расчет в режиме накопления 107
4.4 Точностной расчет дальности 109
4.4.1 Методы временной фиксации результатов некоге рентного накопления 109
4.4.2 Компьютерное моделирование приемного тракта с накоплением 112
4.4.3 Результаты моделирования накопителя 114
Глава 5. Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений. Практическая значимость полученных результатов внедрения образцов лазерных высотомеров
5.1 Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений, направленных на разработку и создание импульсных высотомеров на основе твердотельных КГВ Nd3+ лазеров 124
5.2 Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений, направленных на разработку и создание импульсных высотомеров на основе полупроводниковых лазеров 131
5.3 Практическая значимость полученных результатов внедрения высотомеров ДЛ-2М 135
5.4 Практическая значимость полученных результатов внедрения высотомеров ДЛ-1М 139
Заключение (основные результаты и выводы) 147
Список литературы
- Состав импульсных лазерных дальномеров. Структурно-функциональные схемы определения дальности-высоты
- Методы преобразования наносекундных интервалов (методы измерения временных интервалов)
- Модифицированный метод временной привязки лазерного высотомера
- Энергетический расчет. Дальность действия высотомера
Введение к работе
Введение Актуальность работы
Развитие импульсной лазерной локации в настоящее время отмечено широким функциональным многообразием (дальномеры, высотомеры, лидары, системы ЗО-регистрации и др.). Это многообразие обусловлено необходимостью решения широкого круга задач, вызванных как запросами потребительского рынка, так и требованиями различных производственных, оборонных и научных применений. При этом все более остро ставится вопрос практической реализации предельных возможностей дальномеров по дальности действия и точности при минимальной массе и стоимости этих приборов.
Исторически первыми лазерными локационными дальномерами импульсного типа были дальномеры с твердотельными лазерами на основе кристалла рубина (А1203 Сг3+,Аг13луч. = 690 нм), работающие по принципу измерения времени между моментом излучения зондирующего лазерного моноимпульса и моментом приема излучения, отраженного целью.
Моноимпульсные лазерные дальномеры первого поколения обеспечивали диапазон измеряемых дальностей 200-5000 м с предельной ошибкой + 10 м, темпом измерения 5-10 в минуту и имели массу 50 кг.
Создание импульсных лазеров на стекле, активированном ионами неодима, обеспечивающих генерацию на длине волны 1064 нм с коэффициентом полезного действия на порядок выше, чем рубиновые лазеры, и германиевых лавинных фотодиодов позволило резко сократить массу дальномеров, повысить их дальность действия, темп измерений, ресурс и снизить их себестоимость.
Благодаря дальнейшему совершенствованию лазерной техники, микроэлектроники и созданию эффективных приемников излучения, такие дальномеры прошли значительную эволюцию. Современные дальномеры по сравнению с первыми образцами, созданными в 60-хх годах ХХ-го века, в
Введение
десятки раз легче, имеют в несколько раз большую дальность действия и существенно превосходят их по точности.
Активным элементом отечественных импульсных лазеров (в основном) является кристалл из алюмо-иттриевого граната, активированного трехвалентными ионами неодима ИАГ* Nd3+ [Y3ALs012 *Nd3+], с длиной волны излучения 1064 нм, опасной для зрения. На их основе разработаны отечественные дальномеры ЛДИ-3, ЛДИ-5, ПДУ-2, ПДУ-4 и др. Среди зарубежных необходимо отметить -Nikon ProStaff 550 Laser Range Finder 8369 (США), Bushnell Pinseeker 1500 Tournament Range Finder (США), Skycaddie SG2.5 rangeflnder (Великобритания), Elop Mamba high-repetition laser range-finder (Израиль) и др. Серийно выпускаются отечественные дальномеры ДЛИ-11, EG-LRF, ЛДМ-2 и другие на кристаллах калий-гадолиниевого вольфрамата КГБ- Nd3+[KGd(W0^)2 ' Nd3+] с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм.
Обладая большей теплопроводностью, чем стекло, эти кристаллические среды обеспечивают нормальный температурный режим лазера при высокой частоте повторения импульсов, а высокая концентрация ионов неодима — более компактную оптическую накачку. Указанные выше дальномеры относятся к портативным и они обеспечивают при весе 2-2,5 кг измерение дальности до 10000 м с точностью до ±5 м. На базе твердотельных импульсных лазеров разработаны и частотные системы (лазерные целеуказатели-дальномеры) типа 1Д15, 1Д-20, 1Д-22, 1Д-26, и др., которые обеспечили решение более широкого круга задач (частота следования импульсов 10-30 Гц):
измерение дальности до 10000 м с точностью ± 5 м;
измерение скорости цели;
поиск и автосопровождение цели по дальности и угловым координатам;
подсветку цели для устройства ночного видения и др.
Частотные системы дают возможность накапливать локационную информацию, а, следовательно, повышать дальность действия системы и
Введение 7
точность интерпретации результатов зондирования. Использование большого количества циклов накопления (до 1000 циклов) при высоких частотах повторения импульсов (до 1000 Гц) возможно и в дальномерах на основе полупроводниковых импульсных лазеров. Однако их низкая мощность не позволяет обеспечить измерение дальности более 800-1000 м.
Широкое развитие и внедрение геолидаров для воздушных систем лазерного картографирования определило создание лазерных высотомеров как неотъемлемой части бортового оборудования для летательных аппаратов контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности:
наклонной дальности (200-2500 м);
пространственной структуры.
По составу и принципу действия импульсные лазерные высотомеры существенно не отличаются от импульсных лазерных дальномеров контроля горизонтальных трасс.
Так как рабочее поле высотомера перемещается в картинной плоскости относительно объектов подстилающей поверхности со скоростью движения летательного аппарата 30-100 м/с, следовательно, им присущи отличительные характеристики:
быстродействие (продолжительность процесса зондирования) < 0,025с;
темп зондирования < 1с;
Указанные характеристики высотомеров позволяют:
- измерять наклонную дальность и скорость как относительное
приращение дальности в единицу времени;
контролировать (в составе воздушных систем) окружающую среду;
обнаруживать, идентифицировать и координировать цели;
производить картографирование местности и геодезические исследования.
Введение
На период выполнения диссертационной работы разработаны и выпускаются ЗАО "СКАТ-Р" г. Москва лазерные высотомеры ДЛ-1 и ДЛ-2, приведенные в таблице 1В.
Таблица 1В Малогабаритные авиационные дальномеры
Высотомеры на основе импульсных твердотельных лазеров используются в составе воздушных лазерных батиметрических систем типа SHOALS 1000т и воздушных сканеров ALTM-3100 (фирма "Геолидар", Москва), которые позволяют получать съемки высокой плотности в тех случаях, когда акустические методы малоэффективны. Например, они позволили картировать побережье, выполнять навигационные работы и др.
Введение 9
Однако очерченный круг задач не может быть решен только перечисленными высотомерами и системами. Например, системы ALTM и SHOALS обеспечивают широкие возможности картографических и геодезических исследований, но в силу сложности аппаратуры они могут встраиваться только в уникальные дорогостоящие исследовательские комплексы. Кроме того системы ALTM и SHOALS не обеспечивают, по сравнению с ДЛ-1 и ДЛ-2, решение и других задач:
- разрешение по дальности недостаточно для анализа вертикального
профиля зондируемых объектов;
тип излучателей не позволяет идентифицировать характер целей;
излучение с длиной волн 800-930 и 1064 нм, включая ДЛ-1 и ДЛ-2, опасно для зрения, вследствие чего применение систем допускается на дальностях не менее 200 м.
На момент начала работы над диссертацией имелись публикации, направленные на повышение измеряемой дальности и точности, связанные с методами измерения, преобразования временных интервалов, определения положения импульса: Волохатюк В.А. и др. — 1971 г.; Ермаков Б.А. и др. — 1973 г., 1993 г.; Клюев Н.Ф. - 1973 г.; Матвеев И.Н. и др. - 1984 г.; Митяшев Б.Н. - 1972 г.; John Morcom - 2004 г.; Lee Seok-Hwan - 2005 г.; М.-С. Amann -2001 г.; Lisicky A.J. - 1959 г.; Peterson W.W. и др. - 1954 г.; Harrington J.V. -1950 г. и др. Анализ публикаций показал, что необходимых методов, обеспечивающих выполнение требований задач диссертации, нет.
Возникает актуальная необходимость (рисунок 1В) разработать новые методы и способы построения нового поколения импульсных лазерных высотомеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм, а именно:
1) для высотомеров на основе импульсных твердотельных лазеров -новые методы лазерного зондирования удаленных объектов и
Введение 10
модифицированное устройство временной привязки высотомера с целью повышения на порядок достоверности результатов измерения и привязки;
2) для высотомеров на основе импульсных полупроводниковых лазеров - новые способы светолокационного определения дальности, основанные на методе некогерентного накопления локационной информации с целью повышения дальности измерения на 25% и на порядок повышения точности измерения.
Следовательно, можно сформулировать цель диссертационной работы и задачи исследований.
Цель работы
Основная цель работы - Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на разработку новых методов и способов построения, создания и внедрения импульсных высотомеров на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения с повышенными точностью и разрешающей способностью для контроля окружающей среды, характеристик объектов подстилающей поверхности, химической разведки и другое в составе комплексов топографической аэросъемки и дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.
Задачи исследований
Следует отметить, что создание и оптимизация параметров импульсных лазерных высотомеров для контроля окружающей среды, характеристик объектов подстилающей поверхности на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм в составе диагностических комплексов были бы невозможны без проведения достаточно полных теоретических и экспериментальных исследований самих аспектов применения лазеров для решения задач высотометрии.
Потребность в импульсных
высотомерах на основе
твердотельных и
полупроводниковых лазеров повышенной точности
Результаты научных
исследований повышения
точности определения
высоты импульсными
лазерными измерителями
Потребность в импульсных
высотомерах на основе лазеров
с безопасной для зрения длиной
волны излучения
Современный уровень
оптики, радиоэлектроники. полупроводниковых и
твердотельных лазеров, информационных средств
Перспективы
появления нового
сегмента рынка
импульсных
высотомеров на основе
твердотельных и
полупроводниковых
лазеров с безопасной
для зрения длиной
волны излучения
повышенной точности
' Нерешенные
(труднорешаемые)
проблемы лазерной
высотометрии для контроля
окружающей среды и
характеристик объектов
подстилающей
поверхности
Задачи высотометрии. Контроль окружающей среды. Химическая разведка.
Контроль характеристик объектов подстилающей поверхности - наклонной
дальности (высоты), пространственной структуры. Измерение скорости.
Картографирование. Стереосъемки. Геодезические исследования и др.
Рисунок 1В
Введение 12
Для достижения поставленной цели были предложены для решения следующие конкретные задачи:
анализ литературных и экспериментальных данных использования высотомеров на основе различных импульсных лазеров;
обоснование необходимости и возможности создания высотомеров на основе импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм;
3) исследование методов определения дальности, преобразования
наносекундных импульсов, временной фиксации импульсных сигналов;
4) анализ потенциальных возможностей светолокационного
импульсного измерителя дальности с эффективным некогерентным
накоплением;
5) создание и внедрение высотомеров для контроля окружающей среды
и характеристик объектов в составе авиационных диагностических комплексов.
Методы исследований
При проведении исследований (при наличии помех) автором использовались:
1) методы определения дальности импульсными лазерными
измерителями;
2) способы светолокационного определения дальности методом
некогерентного накопления;
методы преобразования наносекундных интервалов;
методы определения временного положения импульсов;
метод Монте-Карло (метод статистических испытаний).
Научная новизна
На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных реализации потенциальных возможностей высотомеров по
Введение
дальности действия и точности измерения при минимально возможной массе и стоимости предложены новые методы и способы достижения улучшенных характеристик высотомеров на основе импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения, отличающиеся как по конструктивному исполнению, так и методами обработки светолокационной информации.
Предложены и реализованы автором
Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, научная новизна которого заключается в создании возможности излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности в течение одного цикла накачки твердотельного лазера с пассивным затвором с целью максимального сокращения длительности регистрируемой информации, повышения качества регистрируемого сигнала, значительного увеличения (в 5 раз) до 150 МГц тактовой частоты и минимизации интервала дискретизации, уменьшения регистрирующей аппаратуры и повышения в 4-5 раз точности.
Метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля, научная новизна которого состоит в введении в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой от длительности входного сигнала позволяет устранить недостаток известного метода — уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечить неточность временной привязки сигнала 0,2-0,3 м.
3. Новые способы реализации потенциальных возможностей светолокационного импульсного измерителя с эффективным накоплением на основе полупроводникового лазера, научная новизна которых по отношению к известному способу некогерентного накопления методом статистической проверки гипотез состоит:
Введение
в оценке временной фиксации сигнала по центру тяжести массива данных после накопления с целью увеличения измеряемой дальности в 1,3 раза;
в определении дальности с учетом введения в оценку измерения поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению, с целью повышения на порядок точности измерения.
4. Схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, научная новизна которой заключается в синхронизации момента излучения зондирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, обеспечивающая уменьшение среднеквадратического отклонения временной фиксации зондирующего сигнала относительно тактовой последовательности на порядок по отношению к схеме с асинхронным стартом.
Практическая значимость работы
1. Результаты, проведенных теоретических и экспериментальных
исследований, а также разработанные технические решения использованы в
рамках выполненной с участием автора в ЗАО "СКАТ-Р" научно-
исследовательской работы "Малогабаритные лазерные дальномеры
определения характеристик профиля подстилающей поверхности с высокой
точностью и высокой разрешающей способностью для летательных аппаратов".
2. Разработанные с участием автора импульсные высотомеры на основе
твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной
волны излучения 1540 нм используются:
1) на основе твердотельных лазеров - в ООО "Открытое небо" в составе цифрового топографического аэросъемочного комплекса картографического обоснования площадных объектов (топографические карты, кадастры, поселения и др.) и линейно-протяженных объектов (продуктопроводы, дороги, черты берегов, объекты гидрографии и др.);
Введение
2) на основе полупроводниковых лазеров - в ОАО "Раменский приборостроительный завод" в вертолетном комплексе дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.
Положения, выносимые на защиту
Предложенный метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, обеспечивающий возможность излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности за один цикл накачки импульсного твердотельного лазера с пассивным затвором, позволяет максимально сократить длительность регистрируемой информации, повысить качество регистрируемого сигнала, значительно (в 5 раз) увеличить тактовую частоту (до 150 МГц) и минимизировать интервал дискретизации, одновременно определять структуру объекта и дальность до него в 4-5 раз точнее, чем при моноимпульсном зондировании.
Предложенный метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля за счет введения в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой в зависимости от длительности входного сигнала устраняет недостаток известного метода — уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечивает неточность временной привязки до 0,2-0,3 м, т.е. на порядок точнее прототипа.
Новые способы реализации потенциальных возможностей измерителя дальности с накоплением на основе полупроводникового лазера, которые по отношению к известному способу некогерентного накопления методом статистической проверки гипотез, обеспечивают:
а) увеличение измеряемой дальности в 1,3 раза за счет оценки временного положения сигнала по временной фиксации его по центру тяжести массива данных после накопления;
Введение
б) снижение среднеквадратической погрешности измерений на порядок за счет введения в оценку дальности поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению.
4. Предложенная схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, обеспечивающая синхронизацию зондирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, уменьшает среднеквадратическую ошибку фиксации сигнала относительно тактовой последовательности до 0,1 м, т.е. на порядок точнее схемы с асинхронным стартом.
Апробация работы и публикация
Материалы и основное содержание работы опубликовано в 7 печатных работах, в том числе в двух решениях о выдаче патента (с соавторами), список которых приведен в конце диссертации.
Личный вклад соискателя
Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных задач и схемы исследований в рамках выполненной им научно-исследовательской работы «Малогабаритные лазерные дальномеры-высотомеры для определения характеристик профиля подстилающей поверхности».
Достоверность результатов и выводов
Достоверность результатов и выводов обеспечивается согласованием расчетных данных с результатами теоретических и экспериментальных исследований. Построенная в пакете OrCAD модель (применительно к реальной схеме) с использованием схемы фотоприемного тракта с введением одного или двух дифференцирующих звеньев позволила с достоверностью 0,8 сравнить точностные расчеты в ПО MATLAB 7.0 с экспериментальными
Введение
результатами определения временного положения сигнала методом пересечения нуля.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков, 12 таблиц, 62 наименований источников используемой литературы.
Состав импульсных лазерных дальномеров. Структурно-функциональные схемы определения дальности-высоты
Среди лазерных приборов оптической разведки и целеуказания можно выделить следующие виды, в общих чертах характеризующие современное состояние и тенденции развития направления оптико-электронных приборов разведки (рисунок 1-2). Указанная классификация в достаточной степени условна. Во-первых, приведенные виды аппаратуры могут комплектоваться в различных сочетаниях. Например, лазерный прицел может быть совмещен с целеуказателем и др. Во-вторых, может быть принята иная схема деления, например, лидары и дальномеры в принципе можно отнести к локационным системам. Американский источник [61] дает следующую классификацию лазерных вооружений: лазерные дальномеры; лазерные целеуказатели; визуализаторы целеуказания; оружие с лазерным наведением. Это деление основано на принятой в США практике военных заказов. В-третьих, в основу могут быть положены иные принципы классификации, например, по типу лазера: системы на твердотельных, полупроводниковых лазерах и т.п. Тем не менее, приведенная классификация основана на сложившейся специализации рынка лазерной аппаратуры, отражает реальные «отраслевые» различия существующие производственные связи и технологические традиции. Эта классификация может учитываться при создании научной или производственной кооперации, а также при обосновании структуры и при выборе составных частей разрабатываемого комплекса аппаратуры. 1.2 Состав импульсных лазерных высотомеров. Структурно-функциональные схемы определения дальности-высоты. Структурно-функциональная схема передающего канала на основе импульсного твердотельного лазера представлена на рисунке 1-3 [17]. Лазерное излучение (в данном случае) выходит под углом 60 к продольной оси излучателя через оптическую систему формирования пучка. Изменяя расстояние между положительными и отрицательными компонентами системы можно изменять расходимость в пределах 0,3... 1 [17].
Система термостабилизации предусматривает стабилизацию температуры охлаждающей жидкости в блоке охлаждения, только в случаях применения в качестве активного элемента александрита. Для твердотельных моноимпульсных лазеров, рассматриваемых в данной диссертационной работе, на основе ИАГ- Nd3+ и КГВ- Nd3+, система термостабилизации не требуется. Рисунок 1-3. Структурно-функциональная схема передающего канала импульсного дальномера на основе твердотельных лазеров [17]: 1,5- зеркала резонатора; 2- оптический затвор на основе нарушения полного внутреннего отражения; 3- активный элемент; 4 - лампа накачки; 6-оптико-волоконный жгут; Iі, 2і, З1 - временные диаграммы режимов работы Селектор лазерных импульсов предназначен для формирования электрических импульсов, синхронизированных с импульсами лазерного излучения и необходимых для работы фотоприемного устройства приемного канала в активном режиме. Он состоит из фотоприемника, компаратора, выделяющего лазерный импульс на фоне излучения накачки, и одновибратора, формирующего импульс, с длительностью, необходимой для нормальной работы фотоприемного устройства.
Оптико-волоконный жгут предназначен для удаления и гальванической развязки селектора лазерных импульсов от лазерного излучателя, с целью снижения уровня помех, возникающих при горении лампы накачки, и обеспечения устойчивой работы селектора. Структурно-функциональную схему фотоприемного устройства импульсных лазерных дальномеров-высотомеров можно представить в виде, показанном на рисунках 1-4 и 1-5. Структурная схема фотоприемного устройства с совмещенным стартом: ШАРЛ - шумовая автоматическая регулировка лавинного режима ФЧЭ; ВАРУ - временная автоматическая регулировка усиления; ШАРП - шумовая автоматическая регулировка порога срабатывания порогового устройства. Примечание. Термостат указан для общности - в ДЛ-1 и ДЛ-2 его нет. Представленная на рисунке 1-5 схема оптическая принципиальная импульсного лазерного дальномера серии ЛДИ-3 дает дополнительную информацию о работе приемного тракта с совмещенным стартом. Совокупная информация, приведенная на рисунках 1-3,1-4 и 1-5 позволяет сформировать обобщенную структурную схему системы лазерного дальнометрирования (рисунок 1-6).
Методы преобразования наносекундных интервалов (методы измерения временных интервалов)
Для обеспечения стандартных задач обычно бывает достаточно, чтобы погрешность дискретизации данных не превышала 5 м. С такой дискретностью построено большинство лазерных дальномеров (БД-1, ЛДИ-3, ЛДИ-5, 1Д18, ЛДЦ-2, ЛДЦ-4 и др.). Однако существует ряд задач, требующих значительно (на порядок большей) точности. К их числу в первую очередь относятся: - необходимость измерения скорости цели; - использование дальномерных данных для определения абсолютных координат объектов с привлечением информации от спутниковых систем определения координат; - определение профиля цели (подстилающей поверхности) вдоль трассы полета летательного аппарата; - определение пространственной протяженности цели. В связи с этим дискретность ДЯивив современных системах дальнометрирования обычно не превышает 1 м (6,67 не). Распределение плотности вероятности w(r) случайной ошибки г, обусловленной этой составляющей, имеет прямоугольную форму при синхронизированном старте и треугольную форму, когда тактовые импульсы ИВИ не привязаны к моменту асинхронного старта (рисунок 2-5). Существуют возможности существенного повышения точности измерения дальности за счет сокращения погрешности о"иви. В диссертации быстродействующие счетчики импульсов не рассматривались, так как блоки счетчиков составляют значительную часть цифровой аппаратуры, используемой в основном в физических экспериментах [29]. В последние годы широко используются аналоговые преобразователи временных интервалов, которые позволяют измерять и спектрометрировать короткие временные интервалы с хорошим временным разрешением и стабильностью. Спектрометрирование коротких временных интервалов осуществляется приемным каналом высотомера, в котором измеряемый временной интервал тем или иным способом преобразуется в удобную для измерения величину. Такой величиной может быть амплитуда импульса (время-амплитудное преобразование), временной интервал большей длительности (преобразование время-время - "метод Уилкинсона") или количество импульсов (преобразование время-код). Качество работы преобразователей интервалов характеризуют параметрами: - временное разрешение; - дифференциальная и интервальная линейности преобразования; - стабильность и определенность крутизны преобразования; - диапазон измерений; - мертвое время и др. Многие из этих параметров в значительной степени определяют характеристики всей спектрометрической системы.
В системах с аналоговыми преобразователями на входе линейность и стабильность временной шкалы в основном определяются параметрами аналогового преобразователя. Временное разрешение системы определяется характеристиками детекторов излучении и устройств, осуществляющих временную привязку к импульсам детекторов. Недостатки аналоговых преобразователей интервалов [29]: - не всегда удовлетворяют требованиям в отношении стабильности, линейности и определенности временной шкалы; - требуют дополнительного аналого-цифрового преобразования того или иного типа, что приводит к увеличению погрешности измерений и снижению их скорости. Указанные недостатки можно рассмотреть на примере известного метода преобразования временного масштаба - метода Уилкинсона (лупа времени), показанного на рисунке 2-6 [20,30]. В начале ТІ измеряемого временного интервала Т запускают источник нарастающего пилообразного напряжения относительно исходного уровня напряжения U1. По окончании Т2 интервала Т фиксируют достигнутый уровень напряжения U2 , регистрируют момент времени Т2 достижения уровня U2, запускают источник спадающего пилообразного напряжения и фиксируют момент времени ТЗ достижения первоначального уровня напряжения U1 (рисунок 2-6). Коэффициент преобразования масштаба времени К = ТЗ-Т2/Т2-Т1»1. В результате составляющая погрешности стиви уменьшается в К раз. В течение интервала времени ТЗ-Т2 считают тактовые импульсы и по их количеству N определяют оценку Т измеряемого интервала Т по формуле: где AT - период следования тактовых импульсов. В 80-90-х годах ХХ-го века этот метод широко применялся в недорогих гражданских дальномерах, позволяя обеспечивать дискретность по дальности 1 м при низкой частоте тактового генератора, позволяющей применять дешевые микросхемы. В связи с появлением на рынке доступных по цене микропроцессоров с тактовой частотой 100-150 МГц появилась возможность реализации весьма высоких требований по точности методом прямого счета и интерполяционными методами [29] - хронотронным [11, 29] и нониусным или методом верньерной интерполяции [11, 12, 55]. В этой связи метод преобразования масштаба времени в настоящее время утратил актуальность и практически не применяется.
Модифицированный метод временной привязки лазерного высотомера
Схема импульсного лазерного дальномера состоит из передающего и приемного каналов и измерителя временных интервалов (ИВИ). ИВИ определяет временной интервал Т между излученным зондирующим импульсом («старт») и принятым отраженным от цели сигналом («стоп»). По интервалу Т определяют дальность R = с Т/2, где с - скорость света. Приемный канал высотомера содержит линейный приемо-усилительный тракт и устройство временной привязки импульсов, формирующее импульсы «старт» и «стоп». Для обоснования предлагаемого метода временной привязки импульсов, проанализируем основные методы их фиксации. Метод временной фиксации импульсов заключается в том, что на основании одной или нескольких реализаций сигнала и шума по определенному правилу принимается решение о положении сигнала.
Операция принятия решения является существенно нелинейной. Поэтому целесообразный характер этой операции зависит от статистики и уровней сигнала и шума. Для временной фиксации импульсов характерна следующая постановка задач: 1) имеется некоторый временной интервал, в котором находится интересующий импульс; 2) при наличии шума необходимо уточнить временное положение сигнала в заданном интервале; 3) если отношение сигнала к шуму достаточно велико, то сигнальные импульсы отчетливо выделяются под выбросами шума; в этих условиях любое разумное правило принятия решения о положении сигнала обеспечит приближенно правильный однозначный ответ; необходимо, чтобы избранный метод отсчета обеспечивал по возможности малую временную ошибку, вызываемую искажениями сигнала помехой; 4) мерой ошибки отсчета служит ее среднеквадратическое значение; 5) качество метода временной фиксации импульсов оценивают сравнением точности метода с максимально теоретически достижимой точностью; 6) в случае помехи в виде белого шума, наименьшая теоретически достижимая квадратическая временная ошибка равна [32]: где R = параметр, характеризующий отношение сигнала к шуму на входе приемного тракта; Е- энергия сигнала; iV0 - спектральная плотность шума; /? - средняя квадратичная круговая частота спектра сигнала.
В таблице 3-1 и на рисунках 3-2-3-6 приведены результаты исследования временной фиксации импульсных сигналов. a) Si(t) - сигнал на входе ДЗ; S (t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; t - результат временной привязки; ts - длительность принятого сигнала (по уровню 0,5); б) дифференцирующее звено в структуре приемного тракта с устройством временной привязки - ДЗ. В этом случае постоянная времени ДЗ т0 = fi0 С0, при этом т0 « ts . a) Si(t) - сигнал на входе ДЗ; S] (t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; ti — результат временной привязки; — длительность входного сигнала (по уровню 0,5); б) дифференцирующее звено в структуре приемного тракта с устройством временной привязки - ДЗ. В этом случае постоянная времени ДЗ тг = /?j Ct, при этом ТІ ; тг » т0; тг в 0,Sts. a) Si(t) - сигнал на входе ДЗь S\ (t) - сигнал на входе ДЗ2; Si"(t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; ti - результат временной привязки; ts -длительность принятого сигнала (по уровню 0,5); б) дифференцирующие звенья ДЗ] и Д32 в структуре приемного тракта с устройством временной привязки. В этом случае постоянная времени Д3 - тг = Rx Сг, постоянная времени ДЗг - т2 = R2 С2; т± = 0,5ts; т2 = 5ts; тх » т0; т2 Tj; УР - устройство развязки.
Энергетический расчет. Дальность действия высотомера
В результате расчета должны быть определены конструктивные параметры оптической системы и дальность действия дальномера с учетом режима накопления. Расчет произведен для следующих исходных данных, определяемых техническими требованиями к высотомеру (глава 2, таблица 2-1): - диапазон измеряемых дальностей от 200 до 1000 м; - угловая разрешающая способность не более 1 мрад; - цели типа «Куст» (квадрат 1x1 м), «Дерево» (квадрат 3x3 м), «крупноразмерная цель» (габариты цели превышают рабочее поле дальномера); - коэффициент яркости цели не менее 0,3; - метеорологическая дальность видимости не менее 10 км. Цель типа «Куст» размерами 1x1 м на дальности 1000 м имеет угловые размеры 1x1 мрад. Следовательно, такой же должна быть и расходимость зондирующего пучка высотомера, откуда может быть определено фокусное расстояние объектива передающего канала /: - = 0,001,т.е./ = 1000, а = 150 мм. Здесь а = 0,15 мм - максимальный габарит излучающей площадки. Для стопроцентного собирания выходной мощности лазера апертурный угол объектива должен соответствовать максимальной расходимости лазерного пучка. Этому соответствует условие: где D - диаметр объектива; 0Х- расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости излучающего p-n-перехода лазера. Условие (4.1) при указанных выше данных требует, чтобы диаметр D 100 мм. Это невозможно по конструктивно-технологическим и тактико-техническим требованиям. Поэтому, согласно принятой практике и имеющемуся производственному заделу, решено выбрать D = 50 мм.
При этом коэффициент использования излучения составляет 0,5. В приемном канале целесообразно использовать аналогичный объектив. В связи с этим в качестве фотоприемника должен быть выбран лавинный фотодиод С30662 с диаметром фоточувствительной площадки 200 мкм. Как отмечено ранее, ввиду ограниченной мощности излучения лазера длительность зондирующего импульса должна быть максимально допустимой. Для выбранного лазера PVGS2S максимально допустимая длительность импульса t„= 100 не. Фотоприемное устройство имеет максимальную чувствительность, если полоса пропускания Af усилительного тракта согласована с длительностью зондирующего импульса и составляет Af 0,3/tH = 3-Ю6 Гц. При этом пороговая чувствительность (без учета шума усилительного тракта): где А 20 - отношение сигнал/шум с учетом шумов предусилителя фотоприемного устройства, необходимое для обеспечения заданных обнаружительных характеристик - вероятности ложных тревог F = 10 3 и вероятности правильного обнаружения D = 0,95. В указанной величине А учтен также конструктивный запас на технологические допуска регулировки и нестабильность характеристик фотоприемного устройства в условиях эксплуатации. Таким образом, реальная чувствительность фотоприемного устройства Рд 4 10 9 Вт. Мощность отраженного целью сигнала на чувствительной площадке фотоприемника в общем виде определяется аналогично (2.1). где Pmin - минимальная принимаемая с заданной вероятностью мощность сигнала, обеспечиваемая чувствительностью фотоприемного устройства (реальная чувствительность); Рпр - мощность сигнала, поступающего на рабочую площадку чувствительного элемента ФПУ; Р0 - пиковая мощность зондирующего сигнала; р(х,у)- пространственное распределение коэффициента яркости цели; Ч СХ/У) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка; Dnp- диаметр приемного объектива; та= e-2tlR- коэффициент пропускания атмосферы на трассе; ц- показатель ослабления атмосферы; т0 - коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера; R - дальность до цели.
