Частотно–импульсный дальномер

УДК 621.396.969.11, 528.414, 620.1.088

ЧАСТОТНО–ИМПУЛЬСНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

, доцент, к. т. н., ХГАДТУ

Аннотация. Рассмотрена возможность усовершенствования частотно-импульсных дальномеров путём использования полупроводниковых лазеров и схемных изменений. Анализируются погрешности измерения дальности, приведены способы их уменьшения.

Ключевые слова: дальномер, погрешность, модуляция, частота, цикл измерения, длительность импульса.

Введение

Принцип действия частотно-импульсного дальномера (ЧИД) основан на том, что зондирующий импульс, пройдя измеряемую дистанцию и усилившись, вновь запускает генератор зондирующего импульса. Процесс повторяется. Частота повторений и

(1)

где v - скорость распространения электромагнитного излучения в атмосфере, D - измеряемая дистанция.

Частотная модуляция сигналов на четыре порядка точнее амплитудной и на два порядка точнее фазовой и временной модуляции. Поэтому задача анализа процесса измерения расстояния частотно-импульсным методом и отыскание возможностей усовершенствования ЧИД актуальны.

ЧИД с удлинённым циклом переизмерения

Частота fD может быть измерена электронно-счётным частотомером (ЭСЧ), показания которого Методическая погрешность измерения может быть измерена - 1 Гц. В режиме оптического короткого замыкания (ОКЗ), частота повторения цикла длится несколько десятков наносекунд. Суммарное время аппаратурных задержек не превышает Тогда =

= 107 Гц. При измерении расстояния, Подобрать импульсный лазер в указанном диапазоне частот невозможно. Попытка заменить импульсный режим работы ЧИД на непрерывный, с перестраиваемым синусоидальным генератором, невозможна, так как линейность функции fD=F(D) не может быть выше стабильности LC- или RC-генераторов, которая без кварцевых резонаторов не превышает значения

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) большой импульсной мощности имеют частоту повторения импульсов fп = 104 Гц ( А,. 1987). Для того чтобы использовать ППЛ в ЧИД, необходимо искусственно удлинить время цикла излучение – отражение – приём – излучение (ИОПИ). Схема с удлинённым циклом ИОПИ показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема ЧИД с удлинённым

циклом переизмерения

После включения питания и проверки готовности ЧИД к измерению, вручную запускается генератор накачки ГН лазера Л. Импульс лазера, пройдя оптический тракт передатчика, отразившись от объекта, попадает на фотоприёмник П. После усиления в RC-усилителе У, сигнал поступает на сигнальный вход компаратора К и одновременно через эмиттерный повторитель на пиковый детектор R, R, C, с выхода которого снимается постоянное напряжение, например, (Uсо – амплитуда усиленного отражённого сигнала). Это напряжение Uп подаётся на пороговый вход компаратора К. Сигнал с выхода компаратора через линию задержки ЛЗ поступает на вход генератора накачки ГН, и цикл повторяется.

Примем значение времени задержки в ЛЗ , продолжительность цикла равной и При измерении расстояния , можно считать длительность цикла равной

(2)

Для нашего примера

Частота циклов .

Пути снижения методических погрешностей

При введении в состав ЧИД ЛЗ уменьшились значение частоты fD и диапазон её изменения. Измерение частоты при помощи ЭСЧ даёт методическую погрешность 1 Гц. Погрешность измерения расстояния, обусловленная погрешностью DfD измерения частоты с учётом (1),

(3)

Допуская что, находим

Для получения приемлемой методической погрешности измерения дальности частоту fD следует измерять по методу совпадения импульсов (, 1987).

Пусть имеются две регулярные последовательности импульсов частоты которых f0 и fD и длительности импульсов t0 = tD = t << T0 < Tц. Подадим импульсы этих последовательностей на схему совпадений (СС). На выходе СС получим нерегулярную последовательность импульсов совпадения, средняя частота следования которых, и средний период

. (4)

Сосчитав в двух счётчиках количество импульсов обеих последовательностей между парой совпадений, можно найти

(5)

где - коды, зафиксированные в счётчиках.

Импульсы, следующие со стабильной частотой f0 c генератора ГИ, поступают на СС&1, которая открывается выходным потенциалом триггера Тр1 после команды «пуск».Триггер Тр1 остаётся в состоянии 1 до конца измерения, удерживая открытой СС &1 и &2. На второй вход СС &2 импульсы, следующие с частотами f0 и fD поступают на СС &3. Первый импульс совпадения с выхода СС &3 переводит триггер Тр2 из состояния “0” в состояние “1”, которым открываются ключи &4 и &5, через которые импульсы, следующие с частотами f0 и fD, поступают в счётчики Ст1 и Ст2 соответственно. Одновременно, импульсы совпадений со СС&3 проходят в счётчик совпадений Ст3, объём которого n. По прошествии n совпадений импульс переполнения с выхода Ст3 поступает на микропроцессор (МП) и вторые входы триггеров Тр1 и Тр2. Схемы СС &1, &2, &4, &5 закрываются. В счётчиках Ст1 и Ст2 зафиксированы коды и . Значения кодов и имеют случайный характер. Однако в суммарном отрезке времени измерения отрезки , “упакованы” плотно, непрерывно, без погрешностей. Методическая погрешность имеет место лишь в начале и в конце отрезка . Микропроцессор вычисляет значение измеренной дальности по формуле

, (6)

где ta –суммарное время аппаратурных задержек сигнала в цикле ИОПИ, включающее в себя и задержку и на ЛЗ, определяется в режиме ОКЗ.

Анализ погрешностей от квантования

Частота физического процесса является естественно дискретизированной физической величиной. Способ измерения частоты по совпадениям импульсов исключает из результата измерения (см. выражение (5)) значения квантов Т0 или ТD.

Это означает, что погрешность квантования в рассматриваемом случае уменьшилась от значения ТD до значения t.

Поэтому погрешности кодов и можно записать в виде и . Будем считать, что суммарное время аппаратурных задержек ta имеет только систематическую погрешность, которая учитывается при ОКЗ.

Итак, можно записать, что

Здесь перед погрешностями в числителе и знаменателе стоят противоположные знаки, что соответствует худшему случаю. После преобразований имеем

(7)

Полагая

находим

и окончательно .

Этот результат свидетельствует о том, что ЧИД по точности может превзойти прецизионные фазовые дальномеры.

Аппаратные пути снижения погрешностей

Предложенный метод измерения частоты fD позволил уменьшить погрешность квантования от значения естественного кванта периода ТD до значения длительности t импульсов, участвующих в процессе совпадений. Средствами современной электроники можно сформировать импульсы, длительность которых (, 1987). Если при этом увеличить частоту импульсов лазера, например, до 105 Гц, варьируя одновременно время задержки, то методическая погрешность измерения, в соответствии

с (7), может быть уменьшена в 250 раз. (В 50 раз уменьшается t и в 5 раз увеличивается . При этом в 10 раз увеличится Т0D и во столько же раз уменьшится N при том же времени измерения tизм= 1 c). Оптимум по критерию точности будет достигнут в том случае, если и другие погрешности будут соизмеримы с методической (tизм = 1 c, а t = 10-10с). Это условие легко реализуется. Естественные аппаратурные задержки сигнала проявляются в единицах пикосекунд и имеют второй порядок малости по сравнению с длительностью импульсов, участвующих в совпадениях. Доминирующими погрешностями в ЧИД являются: погрешность пороговой обработки отраженного сигнала и погрешность от непостоянства показателя проявления атмосферы. Первая может быть уменьшена до 10-9с. Методы учета второй изложены в (, , 1985).

Заключение

1. Схемные усовершенствования ЧИД делают возможным применение его при самых высокоточных измерениях. Использование при проектировании и изготовлении ЧИД современных электронных приборов и методов стабилизации параметров элементов позволит ЧИД по точности превзойти фазовые дальномеры.

2. Возможность использования в ЧИД мощных миниатюрных и недорогих полупроводниковых лазеров, предельная простота схемных решений и обработки информации позволят существенно снизить стоимость аппаратуры для дальномерных работ в геодезии, упростить конструкцию и снизить стоимость тахеометров и тотальных станций.

Литература

Лазерные измерительные системы (1981) / Под ред. . - Москва: Радио и связь. – 456с.

(1987). Предельные инструментальные погрешности сличения частот по методу совпадений импульсов.// Метрология. – Москва:/ Ежемес. прилож. к научн.-техн. журналу "Измерительная техника", №9 - С.32-38.

(1987). Наносекундная электроника в экспериментальной физике. – Москва: Энергоатомиздат. – 216 с.

Справочник геодезиста (1985). / Под ред. В. Д. Боль-шакова, , 3-е изд. перераб. и доп.2 т. – Москва: Недра. – 440 с.

Рецензент: , доцент, д. т. н., ХГАДТУ.

Введение.................................................................................................................................... 1

ЧИД с удлинённым циклом переизмерения......................................................................... 1

Пути снижения методических погрешностей....................................................................... 2

Анализ погрешностей от квантования.................................................................................. 3

Аппаратные пути снижения погрешностей.......................................................................... 4

Заключение............................................................................................................................... 4

Литература................................................................................................................................ 4