Методы импульсной лазерной локации широко пользуются при создании дальномеров, высотомеров, лидаров, систем 3D-регистрации и др. Для множества приложений важно реализовать предельные функции дальномеров по дальности действия и точности при минимально возможных массе и стоимости приборов. Поэтому необходимы технические решения, которые позволяют значительно повысить точность дальномеров без значительного усложнения их конструкции. Такие решения предложены авторами этой работы.
Типы лазерных дальномеров
Первыми лазерными локационными дальномерами импульсного типа были дальномеры с твердотельными (т/т) лазерами. Они работали по принципу измерения интервала времени между моментом излучения зондирующего лазерного моноимпульса и моментом приема излучения, отраженного от цели [1, 2].
Лазерная техника и микроэлектроника регулярно совершенствуются, поэтому такие дальномеры в настоящее время в десятки раз проще, имеют в несколько раз большие дальность действия и точность. За прошедшие 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. Между тем, они потеснили дальномеры с т/т-лазерами и в ряде специальных областей. Работают такие дальномеры по методу накопления слабых отраженных сигналов при многократном зондировании цели в импульсном режиме излучения лазера [3]. Накопление применяется из-за того, что энергия излучения у п/п-лазера на несколько порядков ниже, чем у т/т-лазера, и не может обеспечить необходимую дальность действия дальномера при посылке одного импульса. При статистическом некогерентном накоплении эквивалентная энергия сигнала увеличивается в v–N раз, где N – число зондирований в серии (объем накопления) [4].
Моноимпульсный и накопительный методы обработки локационной информации – принципиальное, вот только 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 образования 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 главное отличие. В моноимпульсных дальномерах на т/т-лазерах точность измерения дальности зависит от длительности импульса излучения, что требует минимизации длительности импульса. В различных типах т/т-лазеров она составляет 5–50 нс (так, длительность зондирующего импульса высотомера ДЛ-2 на базе т/т-лазера YAG:Nd3+ – 10 нс).
В п/п-лазере также можно генерировать импульсы малой длительности, вот только, ввиду ограничения по импульсной мощности, это еще больше увеличит дефицит энергии зондирующего импульса. Устранить этот изъян можно, повысив точность при накоплении за счет статистической обработки накопленных данных [5–7], в том числе при помощи новых методов, предлагаемых авторами. Эти методы позволяют увеличить длительность импульса до 100–300 нс и больше при сохранении высокой точности измерения.
В дальномерах с т/т-лазерами применяется моноимпульсный метод измерения интервала Т между излученным и принятым от цели импульсом, по которому определяют дальность R=cT/2, где с – скорость света. Можно выделить основные составляющие ошибки измерения временного интервала Т: систематическая погрешность, обусловленная разным временем задержки сигнала в каналах фиксации старт- и стоп-импульсов; дискретность измерителя временных интервалов (ИВИ); погрешность временной фиксации. Остановимся на них подробнее. Систематическая погрешность, обусловленная разным временем задержки сигнала в каналах фиксации старт- и стоп-импульсов. Если не принять специальные меры, такая погрешность может достигать 5 м. При схемной компенсации удается уменьшить эту ошибку до 0,2–0,5 м. В так называемой схеме совмещенного старта, когда старт- и стоп-сигналы подаются на единственный приемник, указанная погрешность компенсируется целиком.
Когда на рынке появились недорогие микропроцессоры с тактовой частотой 150–300 МГц, стало возможным удовлетворить весьма высокие требования по точности при помощи метода прямого счета и интерполяционных методов [9] (нониусного метода или метода верньерной интерполяции [11]). Вот почему метод преобразования масштаба времени уже практически не применяется.
Указанные интерполяционные методы позволяют снизить дискретность преобразования “время-цифра” на порядок и больше. Погрешность временной фиксации. Для старт-импульса задача фиксации решается довольно легко, поскольку сигнал характеризуется амплитудной и временной стабильностью. Решить же аналогичную задачу для принимаемого от цели импульса гораздо сложнее.
В зависимости от дальности, состояния локационной трассы и типа цели амплитуда сигнала может меняться на 4–6 порядков. В также время значительно меняется форма сигнала из-за его ограничения в приемном тракте. Между тем, сигнал может искажаться шумами и помехами аддитивного и мультипликативного характера.
Наиболее распространен метод временной привязки сигнала путем фиксации его по уровню [1, 12], когда момент фиксации определяется моментом пересечения сигналом порога срабатывания формирователя (рис.1). Этот момент фиксируется генерацией стандартного стоп-импульса. Из рис.1 видно, что его положение нестабильно и зависит от амплитуды импульса. Максимальный разброс момента фиксации равен длительности фронта импульса. Существуют приемы устранения данной нестабильности, впрочем они достаточно сложны и используются редко [6].
Если требования к точности фиксации импульса очень высоки, используют методы фиксации максимума импульса [1, 9] и точки пересечения нуля производной [9, 13]. Эти методы сравнительно легко реализуются и дают высокую точность фиксации, впрочем они эффективны лишь в линейной области изменения сигнала, В большинстве случаев, в динамическом диапазоне амплитуд, не превышающем 100 [9].
При нелинейных искажениях, вызываемых перегрузками, эти методы непригодны. Поэтому приходится значительно усложнять аппаратуру, вводя средства сужения динамического диапазона. Вот только это не практически постоянно предположительно, если отсутствует информация об ожидаемой амплитуде сигнала.
Ограниченную точность устройства, реализующего метод пересечения нуля производной (рис. 2), демонстрируют итоги моделирования (рис. 3).
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 данного 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) (см. рис. 3). То есть, нестабильность фиксации эквивалентна ошибке 2,6 м, что лишает этот метод преимуществ в сравнении с простейшим методом фиксации по уровню сигнала.
Этот изъян устранен в предлагаемом модифицированном устройстве временной привязки (МУВП) (рис.4). 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. Детального 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 итоги подтверждены компьютерным моделированием схемы устройства в пакете OrCAD и натурным моделированием с использованием макета фотоприемного тракта лазерного дальномера. То есть, появляется вероятность гораздо повысить точность моноимпульсных дальномеров на т/т-лазерах без серьезного усложнения аппаратуры.
Категории: 
Метки: