Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Аннотация

Введение

Глава 1. Исследование характеристик дальномера-высотомера аналога ДЛ-5

1.1 Дальность действия дальномера. Энергетический расчет

1.1.1 Расчетная методика

1.1.2 Результаты расчета в моноимпульсном режиме

1.1.3 Энергетический расчет в режиме накопления

1.2 Расчет точности измерения дальности

1.2.1 Точность измерения дальности в моноимпульсном режиме

1.2.2 Точность измерения дальности в режиме накопления

Глава 2. Обработка локационной информации

2.1 Методы обработки локационной информации

2.1.1 Методы повышения точности временной фиксации принимаемого сигнала

2.1.2 Метод некогерентного накопления

2.1.3 Оптимальный по точности и помехозащищенности метод определения скорости

2.2 Работа в ближней зоне и методы сокращения минимальной измеряемой дальности

Глава 3. Предложения по оптимальному построению импульсного высотомера на полупроводниковом лазере

3.1 Корректор расходимости излучения с использованием цилиндрической линзы

3.2 Оптический сумматор на двулучепреломляющих элементах

Глава 4. Экспериментальное проверка технических предложений по модернизации высотомера ДЛ-5

4.1 Результаты экспериментальной проверки

4.1.1 Результаты измерения энергии передающего канала

4.1.2 Результат визуализации формы световых пятен

4.1.3 Результаты использования оптической схемы с двулучепреломляющим кристаллом

4.1.4 Результаты макетирования передающего канала

4.1.5 Результаты измерения мощности на выходе оптического блока

4.2 Конструкторско-технологическая часть

4.2.1 Описание конструкции лазерного высотомера ДЛ-5

4.2.2 Технологические особенности построения лазерного высотомера ДЛ-5

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1. Опасные и вредные факторы при работе лазерных установок

5.2 Классы опасности лазеров

5.3 Методы и средства защиты от лазерного излучения

5.4 Расчет лазерной безопасности лазерного высотомера ДЛ-5

Глава 6. Экологическая часть

6.1 Электромагнитное загрязнение окружающей среды

6.2 Воздействие ЭМП малой мощности на биологические объекты

6.3 Зарубежный и российский опыт нормирования электромагнитных полей

Глава 7. Экономическая часть

7.1 Расчет стоимости опытного образца высотомера ДЛ-5М

7.2 Расчет стоимости высотомера ДЛ-5М в серийном производстве

Заключение

Список литературы

Аннотация

Лазерные высотомеры стали неотъемлемой частью бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов. Их широкое внедрение обусловлено кругом задач по обеспечению полетов по космическим снимкам, определению координат наблюдаемых объектов, контроля подстилающей поверхности, измерения скорости снижения при посадке беспилотного летательного аппарата.

В дипломной работе представлены теоретические и экспериментальные исследования лучшего отечественного лазерного высотомера ДЛ-5 на основе полупроводникового лазера, предложены методы и способы увеличения диапазонов измерения дальности, повышения точности измерений, а так же измерения скорости при посадке БПЛА.

Полученные научные и экспериментальные результаты стали основой для создания лазерного высотомера нового поколения.

Введение

Современные методы и технологии лазерной локации объектов подстилающей поверхности.

Развитие импульсной лазерной локации на современном этапе отмечено широким функциональным многообразием: дальномеры, высотомеры, лидары, системы 3D-регистрации и др. Это многообразие зависит от потребительского рынка и от применяемых твердотельных и полупроводниковых лазеров.

Лазерной локацией называют область оптоэлектроники, занимающуюся определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами [7,9,11]. Объектами лазерной локации могут стать: военная и гражданская техника, промышленные и военные сооружения, компоненты подстилающей поверхности - овраги, леса, водоемы и др. Лазерное зондирование является составной частью новейших методов и технологий геоинформатики и цифровой фотограмметрии.

Первые локационные импульсные твердотельные дальномеры были на на неодимовом гранате (ИАГ·Nd3+, ) и на неодимовом калий-гадолиниевом вольфрамате (КГВ· Nd 3+, - безопасная для зрения). Они имеют большие габариты и массу, поэтому портативные дальномеры выполняют на полупроводниковых лазерах

Обзор применения импульсных дальномеров на основе полупроводниковых лазеров для зондирования наземных объектов.

Требования к лазерному диоду с (излучение опасное для зрения) или с 0существенно отличаются от требований к твердотельному лазеру моноимпульсного дальномера по причинам:

1) полупроводниковый импульсный лазер излучает в угол ; ведет себя как диффузный излучатель с габаритами ( размеры p-n перехода) при и ; за счет оптики передающего канала расходимость зондирующего излучения получается (у твердотельных 0,5 мрад), обеспечивая 50% излучаемой лазером мощности;

2) принципиальное отличие - полупроводниковый импульсный лазер имеет на несколько порядков более низкую энергию излучения и длину когерентности. При энергии выходного излучения 10-2 Дж твердотельный импульсный лазер обеспечивает измерение до крупно-размерной цели удаленной на расстояние 10 000 м, а полупроводниковый лазер с энергией 10-6 Дж позволяет обеспечить измерение дальности только до 100 м.

Следовательно, для увеличения измеряемой дальности в дальномерах с полупроводниковыми лазерами необходимо применять метод некогерентного накопления - многократное зондирование цели. Некогерентное накопление позволяет «увеличить» эквивалентную энергию сигнала в раз. N - количество зондирований в серии (объем накопления). Подробно метод накопления будет рассмотрен в главе 2.

Приведем для примера, применение импульсного дальномера ДЛ-1 на основе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 905 нм для наземного комплекса экологической разведки.

Дальномер ДЛ-1 применяется в составе наземного комплекса экологической разведки, предназначенного для контроля состояния окружающей среды в зоне промышленных объектов (рис. 1В). В состав комплекса экологической разведки входит пассивный спектрорадиометр ИК-ФСР «Климат», обеспечивающий измерение параметров от места расположения комплекса до контролируемого объекта.

Наведение приемного канала ИК-ФСР осуществляется на область загрязняющего выброса, а наведение ДЛ-1 осуществляется непосредственно на стену здания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Комплекс наземной экологической разведки

Аналогичный по составу комплекс (рис. 2В) экологического контроля может быть развернут в составе таможенного поста на портовом терминале для обеспечения дистанционного мониторинга судов, движущихся в направлении порта: определения степени опасности перевозимого ими груза и принятия решения об остановке судна на безопасном удалении, в случае обнаружения потенциальной опасности со стороны перевозимого им груза для портового комплекса. Комплекс экологического контроля может располагаться стационарно на входе в порт. Дальномер ДЛ-1 обеспечивает измерение дальности до судна и скорость его приближения. Кроме этого, как и в предыдущем варианте, комплекс может быть развернут на подвижном носителе (автомобиле), это позволит оперативно производить анализ потенциальной опасности со стороны грузов судов, ведущих погрузочно-разгрузочные работы у причальной стенки по всей линии акватории порта.

Наведение приемного канала ИК-ФСР осуществляется на область пространства над палубой судна, наведение ДЛ-1 осуществляется непосредственно на корпус или надстройку судна.

Стационарное расположение комплекса экологического контроля представлено на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Комплекс контроля надводных объектов

На рисунке 3В представлен лазерный высотомер ЛИНД-27, (Разработчик НИИ «Полюс»), который был установлен на вертолете МИ-8 и предназначался для работы в составе измерительного комплекса радиационного контроля при оценке радиационного фона над Чернобыльской АЭС.

Задачи лазерной высотометрии. Высотомеры

Лазерные высотомеры стали неотъемлемой частью бортового оборудования самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Их широкое внедрение обусловлено кругом задач, решение которых стало возможным благодаря средствам лазерной локационной техники. Эти задачи можно разделить на следующие основные группы[2]:

- средства лазерной навигации летательного аппарата-измерителя наклонной дальности (высоты) и скорости как относительного приращения дальности в единицу времени;

- оптико-электронные средства спецлетательных аппаратов для обзора пространства, обнаружения целей, их идентификация, определение координат и целеуказания для наведения наземных или бортовых вооружений;

- комплексы для геофизических исследований и др.

Такой спектр применений определяет отличия в построении и характеристиках лазерных высотомеров.

По составу и принципу действия лазерные высотомеры существенно не отличаются от лазерных дальномеров, предназначенных для работы на наземных горизонтальных трассах. Однако лазерным высотомерам присущи отличия и особенности, связанные с их установкой на борту летательного аппарата.

Лазерные высотомеры:

- не имеют собственного визира, наведение осуществляется по информации от специальных систем видения или по полетной программе курсового процессора;

- не имеют рабочих управляющих органов, управление их работой осуществляется с центрального пульта;

- не имеют в своем составе дисплея, который находится на центральном пульте;

- имеют развитый интерфейс для двухсторонней связи с центральным процессором.

Рабочее поле высотомера перемещается в картинной плоскости относительно подстилающей поверхности со скоростью движения летательного аппарата 30-400 , что накладывает требование по быстродействию высотомера. На рисунке 3 представлена структурная схема дальномера-высотомера.

Дальномер-высотомер работает по принципу измерения времени прохождения зондирующего лазерного импульса до отражающего объекта и обратно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3. Структурная схема дальномера-высотомера

где - дальность до объекта, - скорость света (рис. 4).



Рисунок 4. Принцип измерения расстояния лазерным импульсным дальномером: 1- дальномер; 2- импульс излучения передатчика; 3- импульс отраженного излучения; 4- цель; 5- стартовый световой импульс; 6- стоп-импульс; 7- импульсы генератора образцовой (тактовой) частоты; R- измеряемая дальность, м; R=cT/2=nc/2f; c - скорость света, м/с; T - время распространения лазерного излучения до объекта и обратно, с; T=nt= n/f; n - число импульсов генератора образцовой частоты измерителя временных интервалов (ИВИ); t - период колебаний ИВИ образцовой частоты, с

Зондирующий импульс запускает измеритель временных интервалов (ИВИ), реализованный в составе решающего устройства, и с помощью оптики, формирующей заданную диаграмму направленности излучения, поступает на объект. Отраженное объектом излучение с помощью приемной оптики фокусируется на фоточувствительной элемент фотоприемного устройства (ФПУ). На выходе ФПУ формируется стандартный электрический импульс, останавливающий счетную схему ИВИ. С выхода ИВИ снимается информация об измеренной дальности. Работа блоков дальномера-высотомера обеспечивается блоком питания и управления, формирующего необходимые напряжения и синхронизирующие сигналы.

Обработка информации производится в решающем устройства. Запуск ИВИ (старт) в нашем случае производится по совмещенной схеме - часть энергии излучения отводится на приемник ФПУ. Запуск ИВИ (старт) по раздельной схеме требует введения в состав дальномера-высотомера дополнительно схемы формирования старт-импульса с отдельным приемником.

При совмещенной схеме зондирующий и отраженный целью (объектом) импульс проходит по одному каналу. Благодаря этому компенсируется часть систематических ошибок и обеспечивается максимальная точность измерения.

3. Обзор применения импульсных дальномеров-высотомеров (аналогов) на основе полупроводниковых лазеров для контроля объектов подстилающей поверхности

В НИИ «Полюс» среди разработанных, внедренных и серийно выпускаемых импульсных дальномеров-высотомеров для контроля объектов подстилающей поверхности можно выделить ЛД-1 и ЛД-5.

Основные сравнительные технические характеристики дальномеров-высотомеров ДЛ-1 и ДЛ-5 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные технические характеристики дальномеров-высотомеров ДЛ-1 и ДЛ-5

Параметр	ДЛ-1	ДЛ-5
Длина волны излучения	905 нм
Ширина диаграммы направленности передающего канала	не более 0,003х0,001 рад
Диапазоны измеряемой дальности при МДВ не менее 5 км	2-600 м	2-200 м 200-1000 м
Среднеквадратическое отклонение значений измеряемой дальности: диапазон 1 диапазон 2	0,2 м	не более 0,5 м не более 2 м
Измерение скорости снижения при посадке летательного аппарата	-	-
Среднеквадратическое отклонение значений скорости при посадке летательного аппарата	-	-
Частота выдачи информации о дальности: диапазон 1 диапазон 2	30 ГЦ	не менее 50 Гц не менее 10 Гц
Интерфейс связи	RS-232
Габаритные размеры	159x140x80 мм	88x87x40 мм
Масса	не более 1,4 кг	не более 0,2 кг

Комплекс состоит из лазерного анализатора, автономной системы навигации, высотомера, телекамеры, системы передачи видеоизображения и измеренных данных на наземный пункт.

По назначению и принципу действия дальномер ДЛ-5 аналогичен прибору ДЛ-1, но благодаря переходу на более современную элементную базу и принципам обработки информации он превосходит аналог по основным параметрам (таблица 1) - максимальной измеряемой дальности, габаритам и весу. Это позволило ДЛ-5 применять в системах навигации беспилотного летательного аппарата.

Применение высотомера ДЛ-5 при установке на БПЛА « Ракурс» (рис. 8В), взлетная масса 27 кг, разработчик ОАО «НИИ ТП», позволило производить измерение рельефа подстилающей поверхности для обеспечения привязки получаемых изображений с бортовой телевизионной камеры к космическим снимкам полетного задания и дополнительно выдавать информацию в навигационный комплекс о глиссаде в режиме автоматической посадки БПЛА.

Лазерный высотомер ДЛ-5 обеспечивает:

- определение дальности до подстилающей поверхности;

- привязку момента измерения высоты к центру телевизионного кадра с изображением подстилающей поверхности;

- автоматическую передачу измеренных расстояний внешнему устройству.

К недостаткам ДЛ-5, исходя из требований к беспилотным летательным аппаратам, необходимо отнести:

- отсутствие возможности измерения вертикальной скорости с необходимой точностью при посадке БПЛА;

- достаточно большое значение нижней контролируемой высоты (2 м) и низкой точности ее измерения при посадке БПЛА (0,5 м);

- ограниченное значение максимальной измеряемой дальности (1000 м) и точности (2 м) при зондировании удаленных объектов подстилающей поверхности.

Таким образом, модернизация исследуемого дальномера-высотомера ДЛ-5 направленная на устранение приведенных выше недостатков является весьма актуальной.

Следовательно, можно сформулировать цель дипломной работы и задачи исследований.

Цель работы

Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на улучшение основных технических характеристик дальномеров-высотомеров: расширение диапазона измеряемой дальности и повышение точности измерений; обеспечение измерения вертикальной скорости с высокой точностью в составе беспилотного летательного аппарата для контроля объектов подстилающей поверхности.

Задачи исследований

1. Сравнительные исследования имеющихся импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров для улучшения их технических характеристик и необходимости измерения скорости при посадке летательного аппарата.

2. Анализ методов обработки локационной информации.

3. Исследование путей оптимального построения импульсного дальномера-высотомера с улучшенными основными техническими характеристиками.

4. Экспериментальные исследования дальномера-высотомера с улучшенными техническими характеристиками.

Таким образом для эффективного применения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров (в системах беспилотных летательных аппаратов контроля объектов подстилающей поверхности) необходима их доработка, а именно:

- повышение максимальной дальности измерения (> 1000 м) и точности (< 2 м);

- снижение минимальной измеряемой дальности (< 2 м) при повышении точности измерения (< 0,5 м) для обеспечения посадки БПЛА.

- возможность измерения вертикальной составляющей скорости при точности ее измерения .

высотомер полупроводниковый лазер сигнал

Глава 1. Исследование характеристик дальномера-высотомера аналога ДЛ-5

Оптическая схема лазерного высотомера ДЛ-5 приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Принципиальная оптическая схема дальномера-высотомера ДЛ-5

1. Лазерный диод SPL PL90-3 фирмы «OSRAM»

2. Объектив

3. Светофильтр

Проведение оценки уровня энергии импульсного лазерного дальномера-высотомера ДЛ-5, необходимой для обеспечения измерения максимальной дальности (таблица 1.В) является первым шагом в исследовании его характеристик и поиска методов их возможного улучшения: расширение диапазона измерения дальности (увеличение max дальности и уменьшения min дальности); повышение точности при измерении дальности, измерение вертикальной скорости при посадке БПЛА.

Улучшение характеристик ДЛ-5 должно быть выполнено без изменения массо-габаритных размеров и без снижения требований к внешним мешающим факторам.

1.1 Дальность действия дальномера. Энергетический расчет

Диапазон измеряемых дальностей - основная характеристика дальномера (высотомера), определяющая возможности его применения. Диапазон измеряемых дальностей обеспечивается: 1) аппаратурными ограничениями (теневой зоной, емкостью измерителя временных интервалов, частотой зондирования и т.п.) 2) энергетическим потенциалом дальномера, определяемым энергетическими характеристиками оптико-электронных элементов приемно-передающего тракта, конструктивными характеристиками оптической системы. Реально измеряемая прибором дальность до заданной цели в определенных условиях и при известных вероятностных обнаружительных характеристиках называется дальностью действия.

1.1.1 Расчетная методика

Заданная для аналога дальность действия 1000 м обеспечивается при соблюдении неравенства, определяемого уравнением лазерной локации при условии согласования полей излучателя и приемника [10]:

Emin < Eпр = EoКD2прао/4R2, (1.1)

где Emin - минимальная принимаемая с заданной вероятностью энергия сигнала, обеспечиваемая чувствительностью фотоприемного устройства (реальная чувствительность);

Eпр - энергия сигнала, поступающего на рабочую площадку чувствительного элемента ФПУ;

Eo - энергия зондирующего сигнала;

К = - коэффициент энергетического перекрытия зондирующего пучка целью (коэффициент использования излучения);

(x,y) - пространственное распределение коэффициента яркости цели;

(x,y) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка;

Dпр - диаметр приемного объектива;

а = e-2R - коэффициент пропускания атмосферы на трассе;

- показатель ослабления;

о - коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера;

R - дальность до цели.

Показатель ослабления связан с метеорологической дальностью видимости V, км, известным эмпирическим выражением [1, 10]:

= (),

где - рабочая длина волны, мкм;

=0,585 .

Исходные данные для расчета Епр приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 Исходные данные для расчета дальности действия лазерного дальномера - аналога (ДЛ-5)

№	Характеристики дальномера-высотомера ДЛ-5	Требование
1	Диапазон измеряемых дальностей, м	от 2 до 1000
2	Дальность действия при метеорологической дальности видимости Vмин не менее 10 км, м	1000
3	Габариты цели, м	5х5
4	Коэффициент яркости цели	0,2
5	Вероятность достоверного измерения дальности	0,9
6	Рабочая длина волны , нм	905
7	Реальная чувствительность ФПУ, фДж	0,3
8	Мощность лазерного излучения на выходе дальномера, Вт	30
9	Длительность импульса лазерного излучения, нс	100
10	Частота лазерных излучений, 1/с	8000
11	Расходимость зондирующего пучка излучения, мрад	< 5
12	Коэффициент пропускания объектива приемного канала дальномера	0,9
13	Диаметр объектива приемного канала, мм	18
14	Относительное отверстие объектива приемного канала	1:3,6
15	Частота обновления информации при высоте > 200 м, 1/с	10
16	Частота обновления информации при высоте < 200 м, 1/с	50

1.1.2 Результаты расчета в моноимпульсном режиме

Расчет дальности действия системы дальнометрирования проведен для принятых исходных данных (уравнение оптической локации 1.1 и таблица 1.1) приведены в таблицах 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2. Результаты энергетического расчета для высоты 1000 м

Цель на расстоянии 1000 м	Энергия сигнала Епр на фотоприемнике, фДж	Дефицит энергии = Emin/Eпр (Emin = 0,3 фДж)
«Дерево» ( 2 м, =0,4) - малоразмерная цель	0,01	30
Крупноразмерная цель ( 3 м, =0,2)	0,015	20

Как видно из приведенных результатов расчета, при максимальной дальности до цели даже крупноразмерная цель не в состоянии создать на фотоприемнике сигнал, достаточный для его срабатывания, и имеет место дефицит принимаемой энергии = Eпр/Emin. Для заданной цели диаметром 5 м при расстоянии до нее R = 1000 м дефицит энергии составляет = 20.

Таблица 1.3. Результаты энергетического расчета для высоты 200 м

Цель на расстоянии 200 м	Энергия сигнала Епр на фотоприемнике, фДж	Дефицит энергии = Emin/Eпр (Emin = 0,3 фДж)
«Дерево» ( 2 м, =0,4) - малоразмерная цель	0,26	1,15
Крупноразмерная цель ( 3 м, =0,2)	0,375	0,8

Согласно приведенным данным, на промежуточной высоте 200 м при благоприятных условиях обеспечивается возможность измерений в моноимпульсном режиме.

1.1.3 Энергетический расчет в режиме накопления

Дальность действия дальномера определяется его энергетическим потенциалом, определяемым в основном энергией зондирующего сигнала, чувствительностью приемника и диаметром приемного объектива. При заданном энергетическом потенциале дальномера величина сигнала Епр на чувствительной площадке фотоприемника определяется, как следует из уравнения локации 1.1, параметрами Eo и D2, которые имеют предел, обусловленный ограничениями на массо-габаритные характеристики дальномера. Чувствительность приемного канала Emin ограничена шумами приемника и входного каскада усилителя, которые определяются физической природой преобразования сигнала в фотоприемном тракте и также имеют теоретический предел, ниже которого уменьшить Emin невозможно в принципе. Отношение Епр/Emin, называемое отношением сигнал/шум, определяет дальность действия дальномера и, как показано выше, при моноимпульсном режиме измерения и заданных конструктивных ограничениях не обеспечивающее возможности измерения дальности 1000 м по заданной цели при заданных метеорологических условиях.

Существует метод повышения дальности действия дальномера без увеличения его энергетического потенциала. Сущность этого метода заключается в N-кратном повторении измерений и статистической обработке полученных результатов, позволяющей при оптимальной реализации этого метода повысить эффективную величину отношения сигнал/шум до раз .

Указанный в таблице 1.2 дефицит энергии может быть скомпенсирован подобным методом, так, чтобы выполнялось условие / = 1, откуда объем накопления N, необходимый для измерения дальности 1000 м при том же энергетическом потенциале дальномера, определяется соотношением N = 2 = 202 = 400.

При частоте зондирований 8000 1/с время измерения дальности при этом составит 400/8000 = 0,05 с, что позволяет проводить измерения с заданным периодом обновления информации 0,1 с.

Для компенсации дефицита энергии при работе по целям с меньшей отражающей поверхностью время измерения может быть увеличено до 0,1 с, при этом объем накопления N = 800, а максимально возможный дефицит энергии = ~ 28, что позволяет проводить измерения по указанным целям.

Следовательно, энергетическая оценка дальномера ДЛ-5 показала:

- энергетический потенциал дальномера в моноимпульсном режиме обеспечивает измерение дальности в диапазоне до 200 м, а в режиме накопления обеспечивает измерение максимальной дальности до 1000 м;

- для увеличения измерения максимальной дальности выше 1000 м необходимо исследовать дополнительные методы увеличения энергетического потенциала дальномера.

1.2 Расчет точности измерения дальности

1.2.1 Точность измерения дальности в моноимпульсном режиме

В рассматриваемой системе дальнометрирования применена совмещенная схема старта, при которой большая часть составляющих погрешности компенсируется. Из некомпенсированных источников погрешности наибольшее влияние оказывают следующие.

Дискретность измерителя временных интервалов RИВИ.

Для обеспечения стандартных задач обычно бывает достаточно, чтобы погрешность дискретизации данных не превышала 5 м. С такой дискретностью построено большинство лазерных дальномеров. Однако существует ряд задач, требующих значительно большей точности. К их числу в первую очередь относятся:

- необходимость измерения скорости цели;

- использование дальномерных данных для определения абсолютных координат объектов с привлечением информации от спутниковых систем определения координат.

- определение профиля цели (подстилающей поверхности) вдоль трассы полета летательного аппарата;

- определение пространственной протяженности цели;

- обеспечение безопасной посадки летательного аппарата.

В связи с этим дискретность RИВИ в современных моноимпульсных системах дальнометрирования обычно не превышает 1 м. В системах с накоплением необходимая точность может быть обеспечена за счет усреднения данных в процессе накопления. В дальномере ДЛ-5 использована тактовая частота 25 МГц, что соответствует дискретности 6 м в каждом отдельном измерении.

Распределение плотности вероятности w(r) случайной ошибки r, обусловленной этой составляющей, имеет прямоугольную форму при синхронизированном старте и треугольную форму, когда тактовые импульсы ИВИ не привязаны к моменту старта (рис. 1.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 Плотность вероятности распределения составляющей ошибки r измерения дальности, обусловленной дискретностью ИВИ при асинхронном старте

В этом случае [8]:

w (r) = 1/(R)2r + 1/R при r < 0,

1/(R)2r - 1/R при r > 0. (1.2)

Дисперсия этой ошибки [8]

DИВИ = r2w (r) dr = R2/6,

А ее среднеквадратическое значение

ИВИ = = 0,408 R = 2,448 (1.3)

Нестабильность срабатывания порогового устройства при фиксации принятых импульсов по переднему фронту.

Рисунок 1.3 Нестабильность срабатывания порогового устройства

Механизм нестабильности временной фиксации принятого сигнала ясен из рисунка 1.3, где R1 - задержка срабатывания порогового устройства при максимальной амплитуде сигнала S(r), а R2 - при минимальном сигнале.

Минимальное превышение сигнала над порогом задается необходимым отношением сигнал/порог, определяемым требуемой вероятностью достоверного измерения. Максимальное превышение сигнала над порогом определяется динамическим диапазоном принимаемых сигналов.

При синус-квадратной форме переднего фронта он описывается выражением.

S(r) = Sin2 (r/4rmax)

где rmax = ctmax/2;

c - скорость света;

tmax - длительность фронта по уровням 0-1.

Из этого выражения можно определить R1 и R2 при известной длительности фронта tmax и указанных выше предельных значениях отношения сигнал/порог.

Так, при длительности фронта 100 нс, что соответствует rmax = 15 м, R1 = 0,1 м, а R2 = 8,4 м, т.е. максимальный разброс задержки срабатывания составляет 8,4 - 0,1 = 8,3 м.

На ближних и средних дальностях минимальное превышение амплитуды сигнала над порогом обычно составляет 100 и более раз.

Тогда R2 < 4 rmax arcSin()/, что для приведенного примера составляет 1 м. Угол arcSin(х) измеряется в радианах.

Очевидно, что эта величина зависит от диапазона измеряемых дальностей и определяется запасом энергетического потенциала дальномера в этом диапазоне.

Величина среднеквадратической ошибки фр может быть связана с максимальным разбросом задержки срабатывания известным соотношением

фр = (R2 - R1)/6 = м (1.4)

1.2.2 Точность измерения дальности в режиме накопления

Статистический разброс результатов измерений при усреднении уменьшается с увеличением объема статистических данных. Дисперсия усредненного значения

DN = D/N

где D - дисперсия результата одного измерения, а N - количество измерений в серии. Соответственно, среднеквадратическое отклонение усредненного замер

N = /

где =

Таким образом, для повышения точности в режиме накопления при N замерах необходимо сформировать оценку измеренной дальности

RN = / N, (1.5)

Ri - результат i-го измерения;

i - порядковый номер замера.

Среднеквадратическая погрешность такой оценки, обусловленная дискретностью измерителя временных интервалов, при указанном выше объеме накопления N = 800 составит

N = 0,408 R/ = 0,408 6/ = 0,08 м.

Заданная точность измерений при указанной тактовой частоте измерителя временных интервалов обеспечивается. Таким образом, полученная среднеквадратическая погрешность измерения 0,08 м позволяет считать, что в режиме накопления ДЛ-5 имеет существенный запас по точности измерения дальности (см. таблицу 1В).

Таким образом, энергетический потенциал дальномера в моноимпульсном режиме обеспечивает измерение промежуточной высоты 200 м. При расстоянии до цели 1000 м дефицит энергии составляет 20 раз.

Работа дальномера в режиме накопления компенсирует дефицит энергии, что позволяет измерять максимальную дальность до 1000 м.

Расчет точности измерения дальности в режиме накопления показал, что его энергетический потенциал обеспечивает среднеквадратическую погрешность измерения 0,08 м, что существенно ниже нормы, указанной в технических условиях, согласованных с заказчиком ДЛ-5: 0,5 м для измерения в диапазоне 2-200 м и 2 м для диапазона 200-1000 м.

Глава 2. Обработка локационной информации

2.1 Методы обработки локационной информации

Селекция целей и помех [7,8,9]

Важнейшей задачей дальномера является выделение дальности до выбранной цели в условиях мешающего влияния внутренних помех и посторонних объектов, расположенных в створе с целью. Такими объектами являются атмосферные неоднородности, наиболее сильно проявляющиеся на дальностях 20-200 м (помеха обратного рассеяния), растительность, складки местности, элементы сооружений и др.

На рисунке 2.1 представлена схема локационной трассы с наиболее часто встречающимися помехами и соответствующие сигналы на входе и выходе порогового устройства. При вертикальном зондировании подстилающей поверхности с борта ЛА помехо-целевая обстановка принципиально остается такой же, хотя характер помех и их относительное влияние могут несколько отличаться.

Для борьбы с указанными помехами применяют различные схемы селекции. Наиболее часто применяются:

- ограничение минимальной измеряемой дальности (стробирование);

- выбор цели по ее порядковому положению (первая, вторая, последняя цель);

- селекция сигналов по их форме; этот метод наиболее эффективен для борьбы с протяженными помехами, в основном, помехой обратного рассеяния;

амплитудная селекция (временная автоматическая регулировка усиления или порога).



Рисунок 2.1 Локационная трасса, локационные сигналы и их селекция. Отмечены цели, выделенные в режимах селекции первая, вторая и последняя цель

Метод накопления [3]

Метод накопления предполагает:

- многократное повторение измерений;

- накопление и хранение локационной информации в каналах дальности, соответствующих порядковому номеру и длительности тактового импульса;

- корреляционную или иную обработку массива накопленных данных с целью выделения отраженного целью сигнала;

- временную привязку выделенного сигнала к тактовой последовательности времязадающих импульсов.

2.1.1 Методы повышения точности временной фиксации принимаемого сигнала

В главе 1 настоящей работы рассмотрен метод фиксации временного положения отраженного целью импульса по его фронту. Как показано в рассмотренном примере, при длительности импульса 100 нс разброс момента временной фиксации во всем амплитудном динамическом диапазоне может составлять ~ 8 м. В отличие от погрешности дискретизации измеряемого интервала, эта составляющая ошибки при накоплении не обнуляется, поскольку сигналы в одной серии приходят приблизительно равной амплитуды, и ошибка временной фиксации является для данного измерения систематической, а не случайной.

Этот недостаток устраняется за счет привязки по максимуму сигнала. и фиксации по нулю производной. [14]

Рисунок 2.2 Метод фиксации по максимуму сигнала: S1(t) - сигнал; t1 - момент временной привязки, соответствующий максимуму сигнала



Рисунок 2.3 Метод фиксации по нулю производной: а) S1(t) - сигнал на входе схемы фиксации; S1? (t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; t1 - результат временной привязки; б) дифференцирующее звено в структуре приемного тракта с устройством временной привязки - ДЗ. В этом случае постоянная времени ДЗ , причем, 0 много меньше длительности S1(t).

Рисунок 2.4 Метод пересечения нуля: а) S1(t) - сигнал на входе ДЗ; S1?(t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; tm - положение максимума. t1 - результат временной привязки. б) устройство временной привязки с дифференцирующим звеном ДЗ и нуль-компаратором

Метод фиксации максимума (рис. 2.2) представляет идеальное решение максимум представляет собой предел в области бесконечно малых приближений, неосуществимых практически. Это замечание справедливо и по отношению к методу производной (рис. 2.3), в котором максимум сигнала отмечается в момент времени, соответствующий нулю его производной. На практике широко применяется метод пересечения нуля (рис. 2.4), представляющий собой «отступление» от метода нуля производной тем, что «дифференцирование» сигнала осуществляется путем его пропускания через дифференцирующее звено (дифцепочку) с ненулевой постоянной времени, а также тем, что продифференцированный сигнал сравнивается в общем случае с ненулевым порогом срабатывания компаратора [14].

В результате возникает ошибка фиксации максимума
tm = t1 - tm. Обычно эта ошибка не превышает 2-5 нс, однако при значительных перегрузках приемного тракта форма сигнала сильно искажается и эта ошибка может существенно возрастать. Для устранения этого недостатка вводят автоматическую регулировку усиления принятого сигнала.

Методы повышения точности временной фиксации массива накопленной информации

Метод накопления дает не только энергетический выигрыш, но и повышение точности измерений. Благодаря этому возможно и желательно устанавливать длительность зондирующего импульса в несколько раз больше длительности периода дискретизации ИВИ. Согласно известному техническому решению, временная привязка накопленного массива данных осуществляется как проекция на временную ось точки пересечения касательных к переднему и заднему «фронтам» накопленного массива (рис. 2.5) [14,16].

Анализ показал недостаточную эффективность подобных методов обработки результатов накопления. Во-первых, как видно из рисунка 2.5, «фронты» массива не поддаются точной интерпретации и положение касательных к ним устанавливается неоднозначно. Во-вторых, форма огибающей массива существенно зависит от величины сигнала. В результате временная привязка по этому методу имеет значительный разброс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.5 Метод временной привязки накопленного массива методом касательных при отношении сигнал/шум = 1

Эти недостатки устранены методом временной привязки массива данных путем определения положения его первого начального момента (центра тяжести), вычисляемого по выражению: [6,16]

Tз = {(j-p) + } T , (2.1)

Где j - номер временной дискреты, в которой накопленная сумма максимальна;

K(a) - накопленная сумма в (a)-й дискрете;

k(a) - весовой коэффициент (a)-й дискреты; при неизвестном априорно положении сигнала можно принять k(a) = 1;

m = tфр/T - количество дискрет, соответствующих длительности переднего фронта лазерного импульса;

tфр - длительность переднего фронта лазерного импульса;

q = tи/T - количество дискрет, соответствующих длительности импульса;

tи - длительность лазерного импульса;

р - поправочное число, характеризующее точку временной привязки сигнала;

T - длительность дискреты.

Указанный метод поддерживает высокую точность временной привязки не только в линейном диапазоне входного сигнала, но и при значительных перегрузках.

2.1.2 Метод некогерентного накопления

Задача о накоплении формулируется так: диапазон измеряемых дальностей DR разбивается на m равных интервалов Дr= DR/m; все интервалы считаются статистически независимыми и рассматриваются как каналы дальности, где проводится обработка (накопление) локационной информации; считается, что измеряемый сигнал находится в одном из таких каналов (j-м канале). Для получения результата измерения проводится N зондирований дальности. На выходе приемника существует смесь сигнала амплитудой S и шума с эффективным значением у. При i-м зондировании аналоговая информация с выхода приемника преобразуется в цифровую путем одноуровневого порогового квантования (ОПК) или многоуровневого порогового квантования (МПК) сигнала.

ОПК называется бинарным: i-му сигналу j-го канала дальности присваивается значение kij=0, если

SijUj0

где Uj0 - аналоговый порог квантования, или kij=1, если Sij>Uj0. Эти значения суммируются (накапливаются) в каждом j-м канале в процессе каждого из N зондирований, формируя суммы

Kj= kji (i=1…N)

Если Kj>Kj0 - порогового уровня, то принимается решение, что дальность до цели определяется j-м каналом дальности и равна:

R=jЧДr+R0

где R0 - начало диапазона измеряемых дальностей.

Компьютерное моделирование приемного тракта с накоплением

Была разработана компьютерная модель приемного тракта с накоплением. Модель использует метод Монте-Карло и построена на базе ПО MATLAB 7.0. На выходе линейного тракта присутствует случайный процесс, представляющий сумму сигнала и шума. Одна из таких реализаций показана на рисунке 2.6. Сигнал характеризуется относительной амплитудой S, задаваемой в уровнях эффективного значения шума у и представляющей отношение сигнал/шум. Программный параметр А связан с S соотношением А = 1,85 S. На рисунке S = 1. На рисунках 2.7 и 2.8 приведены результаты компьютерного моделирования двухпорогового накопителя при вышеприведенных условиях и количестве циклов накопления (объеме накопления) N = 200. Индекс внизу показывает положение центра тяжести полученных массивов.



Рисунок 2.6 Реализация случайного процесса сигнал + шум на входе двухуровневого порогового устройства. Пороговые уровни +0,5 и -0,5 показаны пунктиром. Отношение сигнал/шум S = 1

Результаты моделирования накопителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.7 Реализация результатов накопления при объеме накопления N = 200 и отношении сигнал/шум на входе S = 1. Рассчитанная дальность R = 205 м. Результат измерения R* = 204,8 м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.8 Реализация результатов накопления при объеме накопления N = 200 и отношении сигнал/шум на входе S = 10 . Рассчитанная дальность R = 5 м. Результат измерения R* = 5,0 м

Данные рисунка 2.7 получены для отношения сигнал/шум на входе накопителя S/N = 1, а результаты на рисунке 2.8 - для S/N =10. При дальнейшем увеличении S/N оценка временного положения сигнала несколько смещается влево к первоначальному значению. Как видно, при таком построении накопителя и алгоритме оценки временного положения сигнала по центру тяжести накопленного массива разброс результатов измерения дальности в неограниченном амплитудном диапазоне сигналов не превышает 20% от величины дискреты ИВИ. Для рассмотренного примера это соответствует 0,2 м, что является систематической ошибкой, устраняемой на малых дистанциях введением поправки.

Несмотря на столь малый разброс оценки дальности при накоплении, существуют способы его дальнейшего уменьшения. Это возможно благодаря введению поправки в зависимости от количества переполненных ячеек накопителя [3, 5, 6] или суммы накопленных сумм в ячейках, соседних с центром тяжести накопленного массива [3]. Тогда погрешность оценки дальности может быть снижена до 10% от величины дискреты и менее.

2.1.3 Оптимальный по точности и помехозащищенности метод определения скорости

Оптимальный алгоритм измерения скорости

При наличии ряда измерений дальности можно предложить процедуру измерения скорости цели путем определения коэффициента ху линии регрессии у = ху х + b (рис. 2.9) [4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.9 Определение скорости как коэффициента рху регрессии ряда измерений у(х)

При этом дисперсия оценки рху минимальна, если она оптимизирована по методу наименьших квадратов. В общем случае при произвольных моментах времени измерения дальностей и объеме серии измерений n оценка скорости , оптимальная в смысле наименьших квадратов, определяется выражением [14], справедливым для значений V* от 0 до 5 м/с и выше.

(2.4)

В частности, для равноотстоящих отсчетов Ri с периодом ДТ:

 (2.5)

или, после упрощений,

(2.6)

При этом среднеквадратическая погрешность оценки скорости [11]:

(2.7)

где - среднеквадратическая ошибка измерения дальности в каждом из замеров.

В частности:

(2.8)

В таблице 2.1 приведены результаты расчетов для нескольких режимов накопления.

Выбор оптимального режима накопления зависит от полетной задачи ЛА, высоты и режима пилотирования.

Таблица 2.1 Результаты расчетов ошибки измерения скорости V при R ~ 0,41 R=2.4 м

Частота обновления, 1/с	Время накопления Т, с	Объем накопления, n	Ошибка измерения скорости V, м/с
50	0,02	160	41
10	0,1	800	3,7
2	0,5	4000	0,33
1	1	8000	0,12

Примечание Расчеты V проведены по формуле (2.7)

Выбор оптимального режима накопления зависит от полетной задачи ЛА, высоты и режима пилотирования.

Необходимо указать, что в процедурах определения скорости все измерения должны быть достоверными. Любой ложный отсчет дальности или пропуск измерения ( = 0) приведет к грубому искажению результата измерения скорости. Поэтому при разработке алгоритма вычисления должны быть приняты меры по исключению недостоверных замеров дальности, например, путем исключения замеров, отличающихся от средней оценки скорости для каждой дальности на величину, превышающую 3.

Следовательно, оптимальный по среднеквадратическому отклонению алгоритм измерения скорости обеспечивает возможность измерения скорости в заданных пределах от 0 м/с до 5 м/с и выше. Ошибка измерения скорости может быть уменьшена до приемлемых значений при увеличении времени накопления до 0,5-1 с; при этом частота обновления данных о скорости может быть той же, что и в режиме измерения высоты - для этого алгоритм вычисления скорости должен предусматривать сдвиг интервала накопления с каждым заданным периодом обновления, заданная погрешность 0,2 м/с обеспечивается при времени накопления Т = 1 с.

2.2 Работа в ближней зоне и методы сокращения минимальной измеряемой дальности

Аппаратная функция и теневая зона

При повышенных требованиях к минимальной измеряемой дальности лазерного дальномера возникает задача формирования его аппаратной функции (геометрического фактора) [6] таким образом, чтобы протяженность теневой зоны не превышала заданной минимальной дальности [6]. Схема формирования типовой аппаратной функции лазерного дальномера с разнесенными передающим и приемным каналами приведена на рисунке 2.10.

Аппаратная функция А(R) характеризует степень перекрытия полей излучающего и приемного каналов и изменяется в ближней зоне диапазона дальностей от 0 до 1.

В теневой зоне А(R) = 0, поэтому проведение измерений дальности в этой зоне невозможно. Обычно при построении дальномера по приведенной выше схеме теневая зона дальномера R0 составляет 2-20 м в зависимости от взаимной конфигурации и оптических характеристик излучающего и приемного каналов.

Величина R1 практически не влияет на характеристики дальномера в ближней зоне, а R0 определяет минимальную измеряемую дальность, которая не может быть меньше этой величины. Для уменьшения минимального измеряемого расстояния высотомером ДЛ-5 до 0,5 м достаточно на внешнюю поверхность объектива передающего канала со стороны оправки приклеить пластинку из молочного стекла типа МС21 размером 7х3х0,3 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.10 Схема формирования аппаратной функции: Dи - диаметр выходного зрачка излучающего канала; Dп - диаметр входного зрачка приемного канала; В - расстояние между осями излучающего и приемного каналов (база); R0 - дальняя граница ближней (теневой) зоны, где начинается совмещение полей зрения излучающего и приемного каналов; R1 - ближняя граница дальней зоны, в которой имеет место полное перекрытие полей зрения излучающего и приемного каналов; - угол поля зрения приемного канала; - угловая расходимость выходного пучка излучающего канала

Особенности работы дальномера в ближней зоне

Требования к минимальной измеряемой дальности и точности измерений противоречивы. Первое из указанных требований заставляет уменьшать теневую зону дальномера, а второе - снижать уровень перегрузок приемного тракта отраженными сигналами, что предъявляет противоположные требования к аппаратной функции.

Дополнительным фактором, отрицательно влияющим на точность в ближней зоне, является различная модовая структура лазерного излучения в ближней и дальней зонах. Эти различия усугубляются влиянием частичного перекрытия полей излучающего и приемного каналов в ближней зоне. В результате этого в ближней зоне аппаратной функцией выделяются одни моды и подавляются другие. Разница во временном положении компонент излучения, соответствующих этим модам может достигать 0,1-1 нс, что соответствует ошибке измерения дальности 0,01 - 0,2 м.

Таким образом для уменьшения минимальной измеряемой дальности < 2 м необходимо принять меры по сокращению теневой зоны аппаратной функции и устранению влияния модовой структуры излучения лазера.

Глава 3. Предложения по оптимальному построению импульсного высотомера на полупроводниковом лазере

Методы повышения энергии зондирующего сигнала

В настоящее время наметилось несколько направлений повышения энергии зондирующего излучения дальномеров за счет применения корректора расходимости излучения выполненного с использованием цилиндрической линзы и путем объединения пучков излучения нескольких лазеров с помощью специальных оптических сумматоров. Благодаря этому и при одновременном использовании высокочувствительных приемников, эффективных методов накопления, средств селекции помех и алгоритмов временной привязки сигналов удалось повысить дальность действия дальномеров до 2-3, а в отдельных случаях и до 10 км.

3.1 Корректор расходимости излучения с использованием цилиндрической линзы

В исследуемом образце высотомера ДЛ-5 применен лазерный диод SPLPL90-3 размер тела свечения которого составляет 200х10мкм. В размер 10мкм укладывается три излучающих перехода.

Характеристики дальнего поля применяемого лазерного диода приведены на рисунке 3.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

А Б

Рисунок 3.1. Расходимость излучения импульсного диода SPL PL90-3

На подстилающую поверхность передается только часть мощности лазерного диода, лежащая внутри конуса с углом при вершине И равном: [12]

И = 2arctg(D/2Fоб)

Где: D=18мм - Световой диаметр объектива.

Fоб =65мм - Фокусное расстояние объектива.

Для нашего случая И ? 160

Из рисунка 3.1А видно, что в плоскости параллельной p-n переходу забирается практически вся энергия, а в перпендикулярной (рис. 3.1Б) примерно по уровню 0.8. Измеренное относительное значение энергии в этом угле составляет примерно 30% от полной энергии излучения. В тоже время размер тела свечения в перпендикулярной плоскости к p-n переходу составляет h+=10мкм и геометрическая расходимость излучения дальномера в этой плоскости равна:

2г = h+/Fоб = 0.15х10-3рад

Размер же тела свечения в параллельной плоскости составляет h=200мкм и соответственно расходимость излучения в этой плоскости равна:

2г =h///Fоб = 3х10-3рад

Отсюда видно, что увеличение мощности излучения можно получить за счет увеличения расходимости излучения в плоскости перпендикулярной плоскости р-н перехода.

Схема коррекции излучения цилиндрической линзой поясняется рисунком 3.2.

Рисунок 3.2 Коррекция излучения импульсного диода цилиндрической микролинзой: n0 = 1 - показатель преломления воздуха; n > 1 - показатель преломления материала линзы; r - радиус кривизны микролинзы; Д - расстояние от тела свечения до центра кривизны

Параметр Д определен конструкцией лазерного диода и равен расстоянию от тела свечения до выходного торца корпуса диода. Среднестатистическое значение этого параметра для лазера SPL PL90-3 составляет 0.285мм в пределах партии 50шт.

Н - приведенный размер тела свечения в плоскости перпендикулярной p-n переходу;

h - размер тела свечения;

В плоскости перпендикулярной р-n переходу изображение смещается на величину L, а в параллельной на величину L1. В результате такой установки для выходного объектива источник света становится астигматическим.

Величина S = L1+L - астигматизм источника света.

И+ - угол, в котором забирается световая энергия в плоскости перпендикулярной p-n переходу.

Для заданных значений:

Д=0.285мм

И= 2b=160

Цилиндрическая линза имеет следующие параметры:

n=1.62, r=0.5 (радиус линзы)

Расчет дал следующие значения:

S = L1+L=0.62мм. Астигматизм источника света.

Расходимость в перпендикулярной плоскости p-n перехода определяется выражением 2г+ ? H/Fоб + S*D/(Fоб)2

Для полученного значения астигматизма источника света расходимость в перпендикулярной плоскости p-n перехода составит И+ =410.

Коррекция излучения цилиндрической микролинзой позволяет забирать в плоскости перпендикулярной плоскости p-n перехода энергию примерно по уровню 0.2 против уровня 0.8 без коррекции.

3.2 Оптический сумматор на двулучепреломляющих элементах

Пучки излучения двух полупроводниковых лазеров поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны. Толщина h двулучепреломляющей пластины определяется по формуле: