Повышение точности импульсных оптических дальномеров

7

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ

ДАЛЬНОМЕРОВ Е.Г. Лебедько, В.М. Колос

Рассмотрены два метода повышения точности определения дальности в прецессионных импульсных оптических дальномерах и сокращения времени измерения при усреднении информации о дальности. Приведены структурные схемы высокоточных импульсных дальномеров.

Проблема обеспечения высоких точностей измерения расстояний импульсными оптическими дальномерами остается актуальной, несмотря на имеющиеся достижения в последние годы. Высокие точности удается обеспечить, главным образом, путем усреднения при многократных измерениях.

При измерении дальности импульсным методом случайная погрешность измерения в основном определяется двумя составляющими: шумовой и методической. Первая обусловлена сдвигом отсчетной точки под действием шумов (погрешность определения времени запаздывания сигнала), вторая - методом измерения временного интервала. Потенциальная точность при импульсном измерении дистанции будет иметь место в условиях оптимальной фильтрации и фиксации временного положения сигнала по его максимуму, что соответствует оценке времени запаздывания по максимуму правдоподобия. В этом случае средняя квадратическая погрешность времени запаздывания сигнала будет определяться известным выражением [1]: 1

ст =

где со1 =

а1Л

ад

_0_

ад

Ц (а )|2 ¿а

средняя квадратическая частота спектра сигнала, л - ве-

личина отношения сигнала к шуму на входе схемы фиксации временного положения, £ (а) - спектральная функция принимаемого сигнала.

При измерении временного интервала используют либо прямой метод заполнения его счетными импульсами, либо косвенные методы измерения. Наибольшее распространение среди них получили нониусный метод и метод пропорционального растягивания временного интервала [2]. Современная элементная база позволяет прямым методом обеспечить максимальную величину погрешности измерения временного интервала ~ (0,5-1)10-9 с. Косвенные методы могут практически на порядок уменьшить эту погрешность. При этом суммарная погрешность измерения дальности при сравнительно небольших отношениях сигнала к шуму будет определяться, главным образом, шумовой составляющей, а при достаточно больших отношениях сигнала к шуму - методической составляющей, т.е. погрешностью измерения временного интервала. Повышение точности при усреднении многократных измерений следует ожидать лишь для таких величин сигнал/шум, при которых шумовая погрешность по своей величине перекрывает период следования счетных импульсов, заполняющих временной интервал. В этом случае Ы-кратное измерение постоянной по величине дистанции позволит сократить погрешность определения дальности примерно в -/Ы раз. При значительной

величине отношения сигнала к шуму, когда шумовой составляющей погрешности измерения можно пренебречь, закон больших чисел не работает из-за отсутствия фактора случайности и, следовательно, усреднение многократных измерений не приводит к уменьшению погрешности определения дальности. Именно работа в этих условиях при измерении малых дистанций, когда практически почти не сказывается влияние условий распространения излучения, представляет интерес для создания высокоточных импульсных оптических дальномеров.

Предлагаются два метода повышения точности при многократных измерениях:

• метод искусственного введения фактора случайности;

• метод косвенной дискретизации периода следования счетных импульсов, заполняющих временной интервал.

На рис.1 приведена структурная схема импульсного дальномера с шумовой синхронизацией момента излучения, реализующая первый метод.

изл 4- сз 4- сс 4- сг

J к

фпу ву -г пу сф

Рис.1. Структурная схема импульсного оптического дальномера с шумовой синхронизацией излучения: ФПОК - фотоприемник опорного канала, СФ - схема фиксации временного положения сигнала, ИУ - измерительное устройство (схема измерения временного интервала), СЧ - электронный счетчик, ИЗЛ - излучатель, СЗ - схема запуска излучателя, СС - схема совпадений, СГ - синхрогенератор, ФПУ - фотоприемное устройство, ВУ - видеоусилитель, ПУ - пороговое устройство

В этой схеме дальномера запуск излучателя осуществляется в пределах длительности импульса синхрогенератора шумовым выбросом приемно-усилительного тракта. Для этого в схему дальномера введены дополнительно схема совпадений и пороговое устройство, уровень срабатывания которого близок к величине среднего квадратиче-ского значения шумов на выходе приемно-усилительного тракта. Таким образом, измеряемый временной интервал (соответствующий определяемой дистанции) при каждом измерении будет случайным образом ориентирован по отношению к счетным импульсам измерительного устройства. В результате независимо от значения величины отношения сигнала к шуму усреднение за N измерений снизит случайную погрешность определения дальности примерно в раз.

Важной задачей является повышение точности импульсных дальномеров при сокращении времени измерения. Существенно сократить время измерения при усреднении информации о дальности позволяет использование метода косвенной дискретизации периода следования импульсов заполнения временного интервала, являющегося модификацией метода многократной рециркуляции импульсов с последовательным фазовым сдвигом [3, 4]. Сущность этого метода заключается в том, что при усреднении за

N измерений каждый раз измеряемый временной интервал сдвигается по отношению к счетным импульсам на 1/N периода их следования. При этом число счетных импульсов, укладывающихся во временной интервал, при каждом измерении может отличаться только на единицу. Тогда при N измерениях К раз во временной интервал будет укладываться т+1 счетных импульсов, а (N — К) раз - т счетных импульсов. Следовательно, при усреднении измеряемый временной интервал будет определяться зависимостью

г = т (N — К) + (т +1) К Т = тТ + Кт,

изм N с с N с

где Т С - период следования счетных импульсов.

Таким образом, максимальная погрешность измерения временного интервала будет, например, при использовании метода прямого счета уже составлять не ±Тс, а

т

±—с-. Следует заметить, что в этом случае погрешность измерения будет в раз

N

меньше, чем при обычном усреднении.

Техническая реализация этого метода можно проиллюстрировать структурной схемой, приведенной на рис.2.

1 г

изл сз 4- уволз дел

Рис.2. Структурная схема импульсного оптического дальномера с косвенной дискретизацией периода счетных импульсов

На рис. 2, наряду с приведенными выше обозначениями, использованы следующие: УВОЛЗ - управляемая волоконно-оптическая линия задержки, ДЕЛ - делитель счетных импульсов. В ДЕЛ также формируется сигнал для управления УВОЛЗ.

Представленная схема импульсного оптического дальномера отличается от обычной тем, что синхроимпульсы для запуска излучателя проходят через управляемую волоконно-оптическую линию задержки, а формируются они делителем путем деления счетных импульсов, снимаемых с измерительного устройства.

Естественно, что основным устройством, реализующим рассматриваемый метод, является управляемая волоконно-оптическая линия задержки, схема которой представлена на рис.3. Эта линия задержки состоит из светодиодного излучателя (СДИ), фотоприемника (ФП), схемы управления (СУ), N жидкокристаллических оптических затворов (ЖКЗ), N оптических волокон одинаковой длины, идущих от СДИ к ЖКЗ, и N оптических волокон, идущих от затворов к фотоприемнику.

При этом длина каждого из волокон, идущих к фотоприемнику, больше предыдущего на величину, пропорциональную по времени распространению излучения в них на 1/Ы периода следования счетных импульсов. Таким образом, одно из волокон имеет минимальную (обусловленную конструктивными соображениями) длину, а каждое следующее

ТС

волокно больше предыдущего на величину —£— (С - скорость распространения излучения

N

в волокне). Отметим, что открыт только один из оптических затворов, а схема управления последовательно открывает жидкокристаллические оптические затворы при поступлении на вход управляемой волоконно-оптической линии задержки синхроимпульсов с делителя. Таким образом, запуск излучателя дальномера осуществляется каждый раз с все увеличивающимся временным интервалом по отношению к счетным импульсам.

Рис. 3. Схема управляемой волоконно-оптической линии задержки.

Так как все оптические волокна идут от одного светодиодного излучателя к одному фотоприемнику, то систематическая ошибка сводится к нулю, а случайная погрешность измерения временного интервала уменьшается в N раз.

При частоте излучения 10 кГц с использованием устройства пропорционального растягивания временного интервала с коэффициентом к = 10 и частотой счетных импульсов 1 гГц применение рассматриваемой схемы с усреднением за 10 измерений позволит определить дальность с погрешностью ±3 мм. При этом время измерения составит 10-3 с. Чувствительность импульсного дальномера может быть доведена и до величины, меньшей 1 мм.

Предложенные схемы импульсных дальномеров позволяют не только надежно увеличить точность измерений, но и существенно сократить при этом время измерения.

Импульсные оптические дальномеры, построенные на основе метода косвенной дискретизации периода следования счетных импульсов, предназначены, главным образом, для измерения небольших дистанций и могут найти применение в технологических процессах, например, для дефектоскопии разливочных ковшей в сталелитейной промышленности.

Литература

1. Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И. Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем. Л.: Машиностроение, 1984. 190 с.

2. Мирский Г.Я. Измерение временных интервалов, М.; Госэнергоиздат, 1964. 84 с.

3. Лебедько Е.Г., Аверьянов Г.А., Хайтун Ф,И. Измерение временного интервала методом многократной рециркуляции с последовательным фазовым сдвигом. // Измерительная техника . 1971. № 10.

4. Лебедько Е.Г., Аверьянов Г.А., Хайтун Ф.И. способ дискретного измерения временных интервалов, А С. № 340340 от 28.02.1972.