Способ измерения дальности
RANGE MEASUREMENT METHOD

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо определять расстояние до удаленного объекта с высокой точностью.
Известен способ определения дальности до удаленного объекта путем зондирования его лазерным импульсом, приема отраженного объектом импульса излучения и определения временного интервала между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного объектом импульса, по задержке которого судят о дальности до объекта [1].
Недостатком этого способа является низкая точность временной фиксации отраженного импульса в широком амплитудном диапазоне.
В пределах линейного диапазона амплитуд высокая точность временной фиксации сигнала обеспечивается методом нуля производной [2], однако этот метод неэффективен за пределами линейного диапазона, а идеальное дифференцирование технически нереализуемо.
Известен способ измерения дальности, позволяющий сократить динамический диапазон принимаемых сигналов с помощью управляемого затвора в приемном канале [3]. Этот способ реализуется за счет существенного усложнения аппаратуры, которая при этом вносит значительные потери из-за введения в приемный тракт устройства задержки и управляемого затвора.
фр
фр
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения дальности путем излучения на цель зондирующего лазерного импульса, приема отраженного целью сигнала U(t) дифференцировании его с постоянной времени дифференцирования τ≤t, где t - длительность фронта сигнала U(t) и определения задержки Τ отраженного импульса относительно зондирующего импульса по моменту пересечения нуля продифференцированным импульсом U*(t), после чего судят об измеряемой дальности R по формуле R=сТ/2, где с - скорость света [4].
Данное техническое решение характеризуется остаточной погрешностью при значительных перегрузках за пределами линейного динамического диапазона.
Задачей изобретения является обеспечение потенциальной точности измерений в предельно широком рабочем диапазоне оптических сигналов.
фр
фр
2
1
1
2
2
пор
пор
2
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения дальности путем излучения на цель зондирующего лазерного импульса, приема отраженного целью сигнала U(t), дифференцирования его с постоянной времени дифференцирования τ≤t, где t - длительность фронта сигнала U(t), и определения задержки Τ отраженного импульса относительно зондирующего импульса в момент пересечения нуля продифференцированным сигналом U*(t), после чего судят об измеряемой дальности R по формуле R=сТ/2, где с -скорость света, параллельно принимают отраженный сигнал вторым независимым каналом, формируя сигнал U(t)=k U(t), где k≤1/D; D - линейный динамический диапазон первого канала, одновременно дифференцируют сигнал U(t) в таком же режиме, формируя сигнал U*(t); постоянно сравнивают сигнал U*(t) с пороговым уровнем U и, в случае непревышения порога U сигналом U*(t), продолжают обработку в указанном порядке, а в случае превышения - блокируют сигнал U (t), и определяют задержку Τ в момент пересечения нуля продифференцированным импульсом U*(t).
пор
Пороговый уровень U устанавливают как можно ближе к максимальной амплитуде сигнала U*(t).
огр
На фиг 1 представлены эпюры сигналов в текущем времени t. На фиг.1а) показана форма сигналов U (t) и U*(t) в пределах линейного диапазона и момента пересечения нуля сигналом U*(t). На фиг.1б) - характер сигналов в непосредственной близости от уровня ограничения U, а также влияние ограничения сигнала U(t) на момент пересечения нуля сигналом U*(t). На фиг.2 представлена структура фотоприемного тракта, реализующего предложенный способ. На фиг.3 - схема устройства временной привязки.
1
1
фр
фр
Способ характеризуется тем, что отраженное целью зондирующее излучение одновременно принимают по двум каналам. Вольтовая чувствительность приемных каналов максимально различается, но не более, чем в D раз, где D - линейный динамический диапазон первого канала с более высокой чувствительностью. В каждом из каналов дифференцируют принятый сигнал с одинаковой постоянной времени τ≤t, где t - длительность фронта сигнала U(t). При этом продифференцированный сигнал U*(t) приобретает отрицательный выброс, пересекающий нулевой уровень с постоянной временной привязкой То к сигналу U(t) независимо от его амплитуды во всем линейном диапазоне, в котором сигнал U(t) сохраняет свою форму (фиг.1а).
огр
огр
Если амплитуда сигнала U(t) выходит за пределы линейного диапазона, превышая уровень ограничения U (фиг.1б), то плоская вершина ограниченного импульса U(t) искажает форму отклика U*(t), и последний пересекает нулевой уровень с задержкой ΔΤ относительно момента То (фиг.1б).
пор
2
1
2
1
2
1
2
Согласно предлагаемому способу первый приемный канал блокируют при достижении импульсом U*(t) порогового уровня U. При этом продолжает действовать второй канал, осуществляющий такую же процедуру временной привязки сигнала, но с чувствительностью в к раз меньше, то есть в пределах линейного диапазона D второго канала. Таким образом, динамический диапазон принимаемых сигналов, в котором обеспечивается высокая точность метода пересечения нуля, расширяется до величины D=D⋅D. При равенстве D и D динамический диапазон предлагаемого способа D ~ D.
Пример.
мин
макс
Диапазон измеряемых дальностей R=0,1 км. R=10 км. Коэффициент затухания излучения в атмосфере при максимальной дальности τ=0,2. Диапазон амплитуд принимаемых сигналов по мощности
P
макс
мин
2
4
D=(R/R)/τ=5⋅10.
мин
огр
1
огр
мин
2
Минимальный регистрируемый первым каналом сигнал равен U=10 мВ. Порог ограничения U*=5 В. Линейный динамический диапазон D=U*/U=5⋅10.
1
p
D<<D. При такой перегрузке ошибка временной фиксации отраженного сигнала может достигать 3 м по шкале дальностей [5].
1
2
5
Согласно предлагаемому способу эффективный линейный диапазон приемного тракта увеличивается до D ~ D=2,5⋅10, то есть диапазон принимаемых сигналов перекрывается с запасом 5 раз. Ошибка временной фиксации определяется при этом техническими факторами второго порядка [6] и может составлять сотые доли метра.
Структура приемного тракта, реализующего способ, приведена на схеме фиг.2.
Первый фотоприемник 1 и второй фотоприемник 2 подключены соответственно ко входам первого устройства временной привязки 3 и аналогичного второго устройства временной привязки 4. Выходы устройств временной привязки параллельно подключены ко входам измерителя временных интервалов 5. Между выходом первого фото приемника и входом первого устройства временной привязки введен ключ 6, управляемый пороговым устройством 7, вход которого подключен к выходу дифференцирующего звена 8 в составе первого устройства временной привязки 3 (фиг.3).
фр
фр
Устройство временной привязки 3, 4 (фиг.3) состоит из дифференцирующего звена 8 в виде дифференцирующей RC-цепочки и включенного на ее выходе нуль-компаратора 9. Постоянная времени τ=RC дифференцирующей цепочки 8 должна быть как можно меньше, чтобы исключить влияние на точность временной привязки разброса параметров RC и их температурного дрейфа. С другой стороны, при слишком малой величине τ падает амплитуда сигнала U*(t) и, когда она становится соизмеримой с дрейфом нуля нуль-компаратора, возрастает не только ошибка временной фиксации, но и вероятность пропуска фиксации сигнала. В зависимости от характеристик нуль-компаратора и разброса параметров дифцепочки практически постоянную времени τ=RC выбирают равной (0,1-1)t, где t - длительность фронта сигнала U(t).
Предлагаемое изобретение позволяет эффективно согласовывать противоречивые требования к точности измерений и динамическому диапазону входных сигналов.
Тем самым, подтверждено выполнение поставленной задачи - обеспечение потенциальной точности измерений в предельно широком рабочем диапазоне оптических сигналов.
Источники информации
1. В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г., С.189.
2. Б.Н. Митяшев Определение временного положения импульсов при наличии помех. "Советское радио", М., 1962 г., стр. 120.
3. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.
4. В.Г. Вильнер и др. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров. Электроника. Наука, технология, бизнес. Москва, 2008, №3. С.118-123 - прототип.
5. В.Г. Вильнер и др. Устройство временной привязки лазерного дальномера. Патент РФ №2341770.
6. Е.А. Мелешко. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. Атомиздат, М., 1977 г., стр. 76-78.