Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеровАвторы: В.Вильнер, А.Ларюшин, Е.Рудь Источник: www.electronics.ru Типы лазерных дальномеровПервыми 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. 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. 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 v–N раз, где N – число зондирований в серии (объем накопления). 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. 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, 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. 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 лазеромВ 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/ При тактовой частоте ИВИ fT = 30 МГц, принятой в ряде серийно выпускаемых дальномеров, дискретность R=5 м, а СКВО sИВИ 2 м. В новых разработках, как правило, R=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. 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. 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 (нониусного метода или метода верньерной интерполяции). 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, когда момент фиксации определяется моментом пересечения сигналом порога срабатывания формирователя. Этот момент фиксируется генерацией стандартного стоп-импульса. Положение стоп-импульса 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. Если требования к точности фиксации импульса очень высоки, применяют методы фиксации максимума импульса и точки пересечения нуля производной. 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. 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. Ограниченную точность устройства, реализующего метод пересечения нуля производной, демонстрируют результаты моделирования. Они получены при следующих исходных данных: масштаб по оси времени – 6,67 нс/дел, или 1 м в единицах дальности; длительность принятого импульса в линейном диапазоне tИ=10 нс; постоянная времени дифференцирующего звена (ДЗ) t=1/a=5 нс, где a – коэффициент затухания. Если t больше этого значения, то ухудшается точность привязки, если меньше – падает коэффициент передачи и усиливается влияние импульсных помех. Задержка фиксации пересечения нуля относительно точки максимума сигнала в линейной зоне равна 5 нс (0,7 м), а при максимальной перегрузке – 35 нс (3,3 м). Таким образом, нестабильность фиксации эквивалентна ошибке 2,6 м, что лишает этот метод преимуществ по сравнению с простейшим методом фиксации по уровню сигнала. Этот недостаток устранен в предлагаемом модифицированном устройстве временной привязки (МУВП). В МУВП используются два дифференцирующих звена: ДЗ1 и ДЗ2. Постоянная времени первого звена t1 составляет половину длины входного импульса t1=0,5 tи, а второго – t2=5 tи. Исследования показали, что при таком соотношении t1/t2 нестабильность момента фиксации минимальна в динамическом диапазоне до 106. Нестабильность временной привязки сигнала в МУВП не превышает 0,2–0,3 м (рис. 5) в практически неограниченном динамическом диапазоне. Эти результаты подтверждены компьютерным моделированием схемы устройства в пакете OrCAD и натурным моделированием с использованием макета фотоприемного тракта лазерного дальномера. Таким образом, появляется возможность значительно повысить точность моноимпульсных дальномеров на т/т-лазерах без серьезного усложнения аппаратуры. Дальномер с полупроводниковым лазером лазеромМы уже отмечали, что дальномеры с п/п- и т/т-лазерами во многом различаются. Основное отличие дальномеров с п/п-лазерами – работа в режиме статистического накопления. Он подразумевает многократное повторение лазерного зондирования цели, регистрацию смеси принятого сигнала и шума приемного тракта и суммирование (накопление) сохраненных результатов, после чего принимается решение о наличии цели и расстоянии до нее. Аппаратурная реализация этой процедуры производится средствами цифровой техники, которые обеспечивают аналого-цифровое преобразование принимаемого сигнала с дискретизацией его по времени и амплитуде, статистическую обработку полученных числовых массивов и принятие решения по результатам обработки. Частота дискретизации по времени Ft (период дискретизации dt=1/Ft) определяется заданной дискретностью измерения дальности dR: Ft=1/dt=c/2dR, где с – скорость света. Так, если задан период дискретизации по дальности dR = 1 м, то тактовая частота Ft = 150 МГц. Интервалы дискретизации (дискреты) пронумерованы соответственно своему положению на шкале измеряемых времен (или дальностей). Таким образом, номер дискрета (адрес) соответствует определенной дальности. Сам дискрет реализуется выделением ячейки памяти с данным адресом, в которой и производится накопление сигналов, соответствующих этой дальности по своей временной задержке. Следовательно, дискрет дальности, представленный соответствующей ячейкой памяти, является каналом накопления локационной информации, так называемым "каналом дальности". Очевидно, что количество каналов дальности KR =(Rmax-Rmin)/dR, где Rmax и Rmin – максимальная и минимальная измеряемая дальность. Например, если Rmax - Rmin = 5000 м, а dR = 1 м, то количество каналов дальности и соответствующее количество сумматоров накопителя KR = 5000. Далее рассматривается метод обработки накопленных данных, позволяющий уменьшить тактовую частоту (и, соответственно, KR) на порядок при сохранении требований по точности. Это позволяет не только упростить аппаратуру, но и повысить энергетический потенциал прибора, а следовательно, и дальность действия. В каждом дискрете времени (канале дальности) производится двухэтапная пороговая обработка. На первом этапе аналоговый сигнал квантуется по амплитуде с помощью одно- или многопорогового преобразователя, а результаты квантования регистрируются в цифровой форме. Однопороговое квантование называется бинарным. На втором этапе производятся суммирование накопленных чисел в каждом дискрете, сравнение результата накопления с известным пороговым числом и принимается решение о присутствии сигнала в данном канале дальности. Таким образом, в работе предложены новые технические решения, позволяющие значительно уменьшить ошибки определения дальности для обоих типов дальномеров и тем самым повысить точность дальномеров без значимого усложнения аппаратной части. Список источников
|
