Повышение точности рециркуляционного дальномера

УДК 621.373.8

В. Л. Козлов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ДАЛЬНОМЕРА

Рассматриваются вопросы повышения точности прецизионных лазерных даль-номерных систем с двухволновым полупроводниковым лазером в качестве источника излучения. В системе реализуется режим оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта.

Ключевые слова: рециркуляционный дальномер, полупроводниковый лазер, компаратор.

В прецизионных лазерных дальномерных системах среднеквадратическая погрешность измерений, обусловленная дисперсионными свойствами атмосферы, может быть снижена до нескольких сантиметров путем расчета группового показателя преломления сигнала. Однако эта операция достаточно трудоемка и требует привлечения дополнительных средств. При излучении на длине волны 0,8 мкм и изменении температуры воздуха на 1°С показатель его преломления изменяется на 0,9-10—6. Поэтому относительная погрешность измерения расстояния до объекта одноволновым лазерным дальномером ограничена значениями порядка 10—6 из-за отсутствия информации о скорости распространения излучения вдоль линии наблюдения в конкретных метеоусловиях.

Учет состояний окружающей среды при распространении зондирующего излучения вдоль линии наблюдения можно осуществлять рециркуляционным методом измерения дальности [1], который основан на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн. Этот метод позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта. Основным источником погрешности при этом является зависимость точности измерений от амплитуды импульса.

Методика учета влияния амплитуды импульса и компенсации влияния различия амплитуд оптических импульсов на длинах волн Х1 и Х2 на точность измерений, осуществляемых двухволновым рециркуляционным лазерным дальномером, изложена в работе [2]. Функциональная схема дальномера, реализующего такую методику, представлена на рис. 1. В качестве излучателя дальномера используется лазерный диод на основе асимметричной квантово-размерной гетероструктуры. Структура таких инжекционных лазеров описана в работах [3, 4]. Активная область излучения лазера сформирована двумя квантовыми ямами, образующими единый волновод для получения сигналов на двух длинах волн. Переключение длины волны излучения с Х1 на Х2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки с 11 до /2. Длительность импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть достаточно малой, вплоть до 1 нс. Разность длин волн ДХ = Х1 - Х2 для асимметричных квантово-размерных лазерных диодов достигает значений 20—90 нм. Если использовать терморегулятор на основе эффекта Пельтье и стабилизировать импульсы тока инжекции, то от-

—3

носительная нестабильность разности ДХ может быть меньше 10 .

Дальномер работает следующим образом. В начальный момент времени блок „Таймер" формирует два импульса, разнесенные во времени на интервал Т. Блок „Генератор накачки" формирует соответствующие амплитуды импульсов тока для запуска лазера на длинах волн Х1 и Х2. В рециркуляционных дальномерах измеряемое расстояние до объекта выполняет функцию оптической линии задержки в цепи обратной связи. При замыкании оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции с частотой, которая определя-

ется задержкой излучения на трассе и постоянной электрической задержкой, обусловленной прохождением сигнала через функциональные блоки системы. Так как оптические импульсы посылаются поочередно на различных длинах волн Х и Х2, то в системе реализуется режим оптико-электронной рециркуляции.

Рис. 1

Период рециркуляции на длинах волн Хь Х2 определяется следующим образом:

т = to.pt + 4 + Ь,

где topt=2Ln/с — время задержки излучения при прохождении трассы оптическим сигналом; Ь — расстояние до объекта (длина трассы); п — показатель преломления воздуха; с — скорость света в вакууме, tе — время электрической задержки; tk — время задержки импульса в компараторе.

Так как скорость распространения излучения в воздухе зависит от длины волны, причем Х2 < А,1, то время задержки излучения на длине волны Х2 будет больше, чем на Хь Разность оптических задержек за один период рециркуляции составляет

л 2Ь ,

Дt =-(П2 - П1),

С

где п1, п2 — показатели преломления воздуха на длинах волн Х и Х2 соответственно.

Следовательно, рециркулирующие импульсы на длине волны Х будут сдвигаться во времени относительно импульсов на длине волны Х2 в течение каждого периода рециркуляции на величину Дt. При ДХ = 20 нм и Ь = 1 км At « 1 пс. Очевидно, что измерение таких коротких временных интервалов вызывает большие сложности. Однако в режиме рециркуляции происходит накопление временных задержек и в течение нескольких периодов рециркуляции N = 104...105 суммарная разность задержек становится равной Т = NДt и достигает десятков или сотен наносекунд. В разработанной системе для измерения Дt определяется число периодов рециркуляции N, за которое разность задержек станет равной Т = 100 нс. После определения величины Дt = T/N заканчивается первый этап измерений. При этом, как показано в работе [5], расстояние до объекта вычисляется по формуле

Ь =

2л,

_ С

'topt = т

(л0 -1) Т_

Ал0 N

здесь — время задержки излучения на длине волны Х1; п0 — показатель преломления воздуха на длине волны Х1 в стандартных условиях (9 = 0, р = 760 мм рт. ст.), Дп0 — разность показателей преломления на длинах волн Х2 и Х1 в стандартных условиях.

Как следует из формулы (1), значение периода рециркуляции т зависит, в том числе, от задержки срабатывания компаратора, т.е. от амплитуды импульса. Учет влияния задержки срабатывания компаратора на погрешность измерений производится на втором этапе следующим образом. Время задержки импульса в компараторе

'к =

Цр

и,

'фр з

где ир — порог срабатывания компаратора, Ц — амплитуда импульсов, 'фр — длительность фронта импульса.

После определения числа N лазер работает только на длине волны Х2. Так же как и на первом этапе измерений блок запуска формирует два импульса на длине волны Х2, разнесенные во времени на интервал Т. Первый импульс регистрируется при пороге Цр, второй — при уменьшенном в два раза пороге: ир2=0,5Цр. Порог компаратора управляется сигналом с процессора и изменяется после регистрации каждого импульса. При замкнутой цепи обратной связи в системе устанавливаются два процесса рециркуляции при разных порогах компаратора. Так как задержки в компараторе при разных порогах будут не равны, то будут не равны соответствующие периоды рециркуляции. Разность периодов рециркуляции Д^ в соответствии с формулой (2) будет равна

иР

и

Р 2

м = Ц> - иа

0,5ЦР

'фр

и.

'фр.

За число периодов рециркуляции N1 разность задержек станет равной Т = ^А^, откуда

= М1 = Т

к = 0,5 = 0,5N .

Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точностью, чем короткий временной интервал, то значение ^ определяется по частоте рециркуляции /2 при пороге ир2. С учетом этого формула для расчета дальности приобретает следующий вид:

г с Г 1 Т Т , л, ь =-------

/2 е 0,5^ NАn0 ;

Время электрической задержки 'е определяется при калибровке системы при Ь = 0. Отметим, что на втором этапе измерений принципиально не обязательно уменьшать порог компаратора именно в два раза.

Хотя излучение на обеих длинах волн Х1 и Х2 генерируется в одном лазере, для генерации требуются разные амплитуды токов накачки, поэтому и амплитуды оптических импульсов в общем случае могут различаться, что может привести к дополнительной погрешности при измерении дальности. Влияние этой погрешности может быть устранено при калибровке системы на нулевом расстоянии соответствующим изменением порогов регистрации для ка-

ждой длины волны.

N

2,4«104

2,2«104

2,0«104

1,9-104

1,6-104

-30

0, °С

На рис. 2 приведен график зависимости числа периодов рециркуляции N необходимого для измерения дальности с учетом дисперсии на трассе, от температуры 0 окружающей среды при Ь = 3000 м и АХ = 50 нм. Величина N показывает число периодов рециркуляции, при котором разность задержек на длинах волн Х1 = 837 нм и Х2 = 787 нм достигнет Т = 100 нс. На рис. 3 представлен график зависимости А'(Ь) при

0 10 Рис. 2

различных температурах 0 и АХ = 70 нм (Х1 = 837 нм): при Ь « 3000...5000 м значение А' из меняется в пределах 1...15 пс, при этом время определения дальности составляет менее 1 с.

На основе сравнения результатов измерения дальности одноволновым дальномером (А, = =837 нм) и разработанным двухволновым рециркуляционным дальномером (^ = 837 нм, Х2 = =787 нм) построена зависимость разности АЬ показаний двух дальномеров от измеряемого расстояния Ь при различных температурах 9 окружающей среды и давлении р = 760 мм рт. ст. (рис. 4). Очевидно, показания дальномеров будут совпадать лишь при 9 = 0, при других температурах одноволновой дальномер дает погрешность до 15 см, что связано с отсутствием

информации о скорости распространения излучения на трассе.

А/, с

2^10-

1>10-

Ы0-

5^10-

9=-2

ч-20

11

0

АЬ, м 0,2

1000 2000 3000 Рис. 3

4000

Ь, м

0,1 0 -0,1 -0,2

9=- 20°С ---

- - -

- -

- - " 0

»-.-г- гг.-

" - » --- — — — - ____ +20

—-  —. +30 — —

* " —

0

1000

2000

3000 4000 Рис. 4

5000

6000 Ь, м

Таким образом, благодаря использованию в качестве источника излучения полупроводникового лазера с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой удается сформировать в дальномере зондирующий сигнал на двух различных оптических длинах волн. Реализация режима оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности, а использование динамического порога компаратора позволяет скомпенсировать влияние амплитуды дистанционного импульса и различия амплитуд зондирующих импульсов на точность измерений. По сравнению с известными двухволновыми дальномерами разработанная система имеет преимущество, заключающееся в том, что оба зондирующих сигнала на разных длинах волн генерируются в одном оптическом резонаторе: это обеспечивает стабильность разностной длины волны в результате синхронизации электронно-оптических процессов в активной области излучения лазера. Лазеры на основе асимметричных квантово-размерных гетероструктур [4] также способны излучать когерентные оптические сигналы со стабильной амплитудой и частотой повторения в гигагерцовом диапазоне. Это обеспечивает дополнительные возможности для создания новых высокоэффективных импульсных систем лазерной дальнометрии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. 1810753 СССР. Рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов, С. Д. Жарников, И. А. Малевич // 1993. Бюл. № 15.

2. Пат. 8172 РБ. Прецизионный рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов. 2006.

3. Ikeda S., Shimizu A. Evidence of the wavelength switching caused by a blocked carrier transport in an asymmetric dual quantum well laser // Appl. Phys. Lett. 1991. Vol. 59, N 5. P. 504—506.

4. Пат. 1385 РБ. Полупроводниковый лазер / А. А. Афоненко, В. К. Кононенко, И. С. Манак. 1996.

5. Козлов В. Л., Кононенко В. К., Кузьмин К. Г., Манак И. С. Рециркуляционный дальномер на основе двухволнового инжекционного лазера // Датчики и системы. 2001. № 7. С. 32—35.

Владимир Леонидович Козлов

Сведения об авторе канд. техн. наук, доцент; Белорусский государственный университет, кафедра квантовой радиофизики и оптоэлектроники, Минск; E-mail: KozlovVL@bsu.by

Рекомендована кафедрой квантовой радиофизики и оптоэлектороники

Поступила в редакцию 28.02.08 г.