Введение к работе
Актуальность mem. Современный этап развития лазерных дальномерных систем характеризуется расширением исследований и разработок в области систем ближней дальнометрии (СБД). Лазерные приборы ближней дальнометрии используются в системах автоматической посадки и стыковки космических и летательных аппаратов, геодезических измерениях, строительстве, сельском хозяйстве и многих других областях человечесой деятельности.
Специфика подобных устройств обусловлена необходимостью обеспечения наряду с точностью высоких потребительских качеств. в частности, энергетических и массогабаритных показателей. Противоречивость требований к СБД, делает актуальным исследование ряда вопросов, связаных с формированием сигналов и измерением их временных характеристик.
В условиях ограниченности энергетических ресурсов, характерных для СБД, наиболее перспективными элементами излучающих модулей приборов этого класса в настоящее время являются полупроводниковые инжекционые лазеры с электрической накачкой. Они отличаются высоким КПД, малыми габаритами и простотой модуляции излучения. Однако, мощность излучения полупроводниковых лазеров (ППЛ) невелика. В этих условиях повышение точности измерения дистанции может быть достигнуто за счёт более полного использования широкополосноста эффекта стимулированного излучения ППЛ. В связи^с этим представляет интерес исследование предельных возможностей полупроводниковых излучателей с учетом инерционности электрической модели лазера. В условиях энергетического дефицита актуальна также задача минимизации энергетических затрат на модуляцию излучения ПШІ.
Сложные условия эксплуатации СБД являются причиной повышенного внимания к вопросам оценки чувствительности характеристик радиоэлектронных блоков дальномера, определяющих точность измерения_дистанции, к отклонениям их параметров от номинальных. Эти вопросы к настоящему времени практически не исследованы.
Традиционна для радио- и светодальнометрии задача наилучшего выделения информационных параметров отраженного сигнала. В СБД эта задача приобретает новые черты, отражающие специфику сигналов этого класса дальномерных систем. Так высокие требования к точности измерения дистанции привели к необходимости
совершенствовавния техники измерения временных и фазовых задержек. Несмотря на большое число публикаций, посвященных этим задачам, многие специфические аспекты требуют дальнейших исследований.
Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию перечисленых вопросов.
Изложенное выше свидетельствует об актуальности темы диссертации.
Цели работы:
определение условий формирования зондирующего сигнала, при которых с учетом инерционности электрической модели ППЛ и искажений сигнала на оптической трассе реализутся потенциальная точность измерения дистанции;
установление физического предела уменьшения длительности излучаемого импульса, обусловленного инерционностью электрической модели ППЛ и определение условий его достижения; '
7 анализ влияния нестабильности и разброса параметров радиоэлектронных блоков дальномера на точность измерения дистанции и разработка методов его уменьшения;
исследование путей повышения точности прецизионных измерителей временных интервалов и устройств фиксации временного положения измерительных сигналов
разработка на основе результатов теоретических исследований радиоэлектронных блоков и их экспериментальная проверка в составе лазерного дальномера.
Объект и методы исследования. Объектом исследования являются основные радиоэлектронные блоки, определяющие в оптических системах ближней дальнометрии точность измерения дистанции: модуляторы оптического излучения, устройства контроля режима работы, измерители временных интервалов и устройства фиксации временного положения импульсных сигналов
Для определения потенциальных характеристик сигналов, модулирующих излучение ППЛ и установления условий их достижения использовались методы математического анализа, вариационного исчисления, численные методы и методы теории цепей и сигналов.
При решении задач анализа влияния отклонения параметров блоков от номинальных на точность измерения дистанции и разработке методов его уменьшения применялся аппарат теории вероят-
ностей и математической статистики.
Подтверждение.результатов теоретических исследований получено с помощью моделирования соответствующих устройств на ЭВМ, а также путем экспериментальной проверки.
Яаичная новизна. Основными научными результатами работы являются следующие.
В рамках линейной модели измерительного канала СБД с учетом инерционности электрической модели ППЛ установлены
условия достижения максимума среднего квадрата частоты энергетического спектра модулирующего сигнала и минимума энергетических затрат на модуляцию лазерного излучения, необходимые для реализации потенциальной точности измерения дистанции;
точные .предельные соотношения, связывающие параметры эквивалентной электрической схемы ПШ1 с амплитудой и длительностью излучаемого оптического импульса, а также передаточная функция физически реализуемой цепи накачки и' спектральная функция входного сигнала, при которых достигается эти предельные характеристики излучаемого сигнала.
Для модуляторов излучения, источник сигнала в которых представлен генератором тока или напряжения с нелинейным или управляемым внутреним сопротивлением получены условия минимальных энергетических затрат на модуляцию излучения ППЛ.
Предложены и проанализированы оригинальные оптоэлектрон-ные устройства контроля режима работы полупроводникового лазера при модуляции его излучения гармоническими сигналами.
Предложен способ калибровки высокоточных измерителей временных интервалов, выявлены и обоснованы условия его применимости. Выполнены оценки точности калибровки предложенным методом.'
Пткпическая значимость уабопы. В диссертационной работе исследованы возможности совершенствования радиоэлектронных блоков лазерных приборов ближней дальнометрии, оказывающих решающее влияние на точность измерения дистанции. Это позволяет разрабатывать излучающие модули, формирующие измерительные сигналы близкие к оптимальным при ограничениях, обусловленных физическими свойствами излучателей.
Полученные условия достижения максимума среднего квадрата частоты энергетического спектра модулирующего сигнала и мини-
мума энергетических затрат на модуляцию.лазерного излучения позволяют оценить блирэсть характеристик реальных излучающих модулей к предельно достижимым и обосновать целесообразность дальнейшего совершенствования цепей накачки.
Установленный физический предел уменьшения длительности излучаемого сигнала, достижимый в классе линейных цепей накачки, позволяет' уже на стадии проектирования выяснить возможность достижения требуемых параметров излучаемого импульса. Точные ' предельные соотношения между параметрами электрической модели .ШШ и амплитудой и длительностью зондирующего сигнала дают возможность обосноватьтребования к сигналу источника и формирующей цепи модулятора, выполнение которых необходимо для достижения требуемых параметров излучаемого сигнала.
Статистическая оценка параметров излучаемого сигнала при вероятностном задании эквивалентной схемы излучателя позволяет прогнозировать характеристики приборов при массовом производстве. .
Использование в излучающих модулях СБД предложеных в работе устройств контроля режима модуляции снижает влияние амплитудно-фазовой конверсии на точность измерения дистанции фазовыми методами.
Реализация предложенного' способа калибровки временных преобразователей даёт возможность значительно повысить точ-' ность измерения дистанции без существенного усложнения аппаратуры.
Внедрение (использование) результатов работы. Основные результаты исследований как теоретического,. так и экспериментального характера получены в процессе выпоа ния хоздоговорных и госбюджетных НИР в 1987 - 1994 годах на кафедре РЭС.
Материалы диссертации (теоретические и практические разработки) использованы в новых научных разработках ГОИ им. С.И.Вавилова и Ульяновского радиолампового завода; что подтверждается актами внедрения. ,.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзная НТК "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" (ноябрь 1989 г., Томск), V Всесоюзная НТК "Метрологическое обеспечение антенных измерений" (ноябрь
* Б -
-
г., Ереван), НТК "Технические средства обеспечения ЗМС подвижной службы связи" (апрель 1991 г., Севастополь), 3-й Всесоюзный научно-технический семинар "Применение лазеров в науке и технике" (октябрь 1990 г., Иркутск), Всесоюзный научный семинар "Метрология лазерных измерительных систем (май
-
г., Волгоград), IV Всесоюзная конференция "Применение лазеров в технологии и системахпередачи и обработки информации" (октябрь- 1991 г., Киев), Межведомственная НТК "Контроль и диагностика общей техники" (ноябрь 1992 г., Москва), Международная НТК "Оптика лазеров" (июнь 1993 г., Санкт-Петербург), IV Международная НТК "Физические проблемы оптических измерений, связи и обработки информации" (сентябрь 1993 г., Севастополь), IV НТК "Лазеры в науке, технике, медицине" (сентябрь 1993 г.. Ростов Великий),. НИК "Критерии экологической безопасности" (май 1994 г., Санкт-Петербург)
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах в числе которых 3 авторских 1свидетельства ' и 2 положительных решения.
Объём и структура работы.Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 201 странице машинного текста, иллюстрированного рисунками и таблицами. .
