Импульсно фазовый гетеродинный способ измерения расстояний

Лекция Интегрирующий цифровой фазометр. Импульсно-фазовые методы измерения расстояний.

4 .6.2 Интегрирующий цифровой фазометр

Значение или линейного домера , полученное по одной паре импульсов (одного опорного и одного сигнального, следующего сразу за опорным импульсом), является недостаточно надежным, так как оно может быть искажено флуктуационными процессами в атмосфере. Это искажение может быть достаточно ощутимым. Для ослабления действия данного фактора в фазометрах накапливают (интегрируют) результаты измерений за промежутков времени , при этом может иметь значения 100, …, 1000. На рис. 4.15 показана схема интегрирующего фазометра.

Эта схема отличается от схемы на рис. 4.13 наличием двух коммутаторов и вспомогательного счетчика, который управляет работой коммутаторов. Коммутаторы установлены на пути опорных и сигнальных импульсов с формирователей на датчик интервалов. Во вспомогательном счетчике записано число . Оно определяет количество интервалов времени , на протяжении которых будет подсчитываться количество заполняющих импульсов.

Рис. 4 .1 5 – Схема интегрирующего цифрового фазометра

4.6.3 Импульсно-фазовые методы измерения расстояний.

Импульсный режим работы цифрового фазометра навел конструкторов на мысль, что и весь дальномер также может работать в таком режиме. Разработки в этом направлении привели к появлению нового варианта фазового метода, который называется импульсно-фазовым гетеродинным, потому что в нем также снижают частоту перед измерением разности фаз и, несмотря на импульсный режим работы, сохраняется фазовый метод измерения расстояний с характерным для него разрешением неоднозначности.

Первым шагом был переход на работу в импульсном режиме большинства узлов светодальномера, в том числе и источника света. Вследствие этого, передатчик излучает не гармонически модулированный по интенсивности световой поток, а короткие импульсы светового потока, появляющиеся в те моменты времени, когда фаза модуляции светового потока равнялась бы нулю. Частота следования кратковременных импульсов, излучаемых передающей оптической системой, равна измерительной частоте.

Приемная оптическая система принимает отраженные импульсы и посылает их на катод ФЭУ или на фотодиод для преобразования в импульсы фототока. Далее производится понижение частоты следования отраженных импульсов, т.е. обеспечивается переход к сигнальным импульсам. Этого не смог бы сделать беспрерывно работающий сигнальный смеситель. Поэтому он заменен схемой совпадений. На нее попадают импульсы фототока с ФЭУ или фотодиода и импульсы, сформированные из колебаний гетеродина. Со схемы совпадений получают импульс только в те моменты времени, когда на нее одновременно приходит импульс фототока и импульс с колебаний гетеродина (рис. 4.15). Такое совпадение имеет место только один раз за время одного периода колебаний частоты , где — измерительная частота, — частота гетеродина. При этом из схемы совпадений выходят импульсы в те моменты времени, когда фаза колебаний частоты , полученная в результате гетеродирования, будет равна нулю, т.е. когда . Поэтому говорят, что импульсы полученные с ФЭУ, несут информацию о нулевой фазе сигнальных колебаний.

Рис. 4.16 – Иллюстрация к схеме совпадений

В дальномерах функцию схемы совпадений выполняет ФЭУ или фотодиод, который работает в таком режиме, при котором при падении светового потока на его катод в анодной цепи ФЭУ ток не протекает, т.е. ФЭУ является запертым. Только в моменты поступления импульса с гетеродина ФЭУ открывается, но только на время длительности импульса. Если в этот момент времени на катод ФЭУ падает отраженный импульс, то в его анодной цепи появится импульс.

Частота опорных колебаний, как и сигнальных, меньше измерительной частоты в 1000 или в 10000 раз. Поэтому опорные колебания можно получить путем деления измерительных колебаний.

Источник

Разрешающая способность метода.

Для обеспечения разрешающей способности по дальности фазовые дальномеры должны иметь устройства селекции целей по скорости в виде ряда узкополосных фильтров, настроенных на различные доплеровские частоты. В этом случае разрешающая способность метода определяется полосой пропускания узкополосных фильтров.

Следовательно, для повышения разрешающей способности фазовых дальномеров необходимо уменьшать полосу пропускания узкополосных фильтров. Однако при этом должно быть увеличено и общее количество узкополосных фильтров, необходимое для перекрытия всего диапазона измеряемой дальности.

Достоинствафазового метода:

1. Высокая точность измерения дальности.

Обеспечивается за счет точности фазометров при измерении разности фаз ∆φ. Кроме того, непосредственно из выражения для определения дальности фазовым методом следует, что точность измерений повышается при увеличении масштабной частоты. Однако при ∆φ > 2π измерение дальности характеризуется неоднозначностью отсчета.

Для совмещения требований точности и однозначности на практике фазовый сдвиг измеряют на двух (и более) масштабных частотах. Наименьшая из них обеспечивает однозначное, но грубое измерение дальности, а другие масштабные частоты позволяют повысить точность измерения. Применение многошкального фазового метода измерения дальности уменьшает ошибку измерений до 0,001 – 0,005% от величины измеряемой дальности.

2. Возможность одновременного определения дальности до нескольких целей.

3. Двухчастотный фазовый метод измерения дальности позволяет измерять скорость целей.

Недостатки фазового метода:

1. Фазовый метод не позволяет разделить отраженные сигналы от нескольких целей, находящихся на различных дальностях, но имеющих одинаковые радиальные скорости. Такие цели дают суммарный сигнал, из которого весьма трудно выделить отраженный сигнал от каждой цели.

2. Трудности технической реализации метода при измерении дальности до неподвижных целей.

Действительно, разделение прямого и отраженного сигналов не вызывает технических затруднений лишь при измерении дальности до движущихся целей, т.е. когда частота принимаемого сигнала отличается от частоты излучаемого на частоту Доплера.

Поэтому фазовый метод измерения дальности широко применяется в радионавигационных системах летательных аппаратов (самолетов, ракет и т.д.) с активным ответом. В этом случае на борту объекта устанавливается передатчик сигнала запроса, а ответчиком является наземная или корабельная РЛС. Преобразование сигнала запроса, которое осуществляется в ответчике, позволяет легко отличить ответный сигнал в приемнике бортовой РЛС.

Однако существенным недостатком таких систем является само наличие на борту передатчика, что ограничивает дальность действия системы и демаскирует движущийся объект.

Данный недостаток легко устраняется в фазовой дальномерной системе с хранением опорной фазы на борту объекта, что стало принципиально возможно с появлением высокостабильных кварцевых генераторов.

В фазовом дальномере с хранением опорной фазы на борту объекта колебания генераторов, расположенных на объекте и на земле в начальный момент времени фазируются, а затем начальная разность фаз колебаний сохраняется неизменной.

При движении объекта фаза колебаний, принимаемых от наземной станции, сравнивается с фазой эталонного генератора на борту объекта. Разность фаз колебаний:

∆φ = ∆φ₀ + ω_Mt_D = ∆φ₀ + ω_M

Отсюда дальность до объекта:

D =

Анализируя это выражение можно сделать вывод, что применение фазовой дальномерной системы с хранением опорной фазы на борту объекта позволяет в два раза увеличить дальность действия РЛС и одновременно обеспечить радиомаскировку объекта. Поэтому такие системы весьма перспективны. Кроме того, в этом случае одна наземная станция может обслуживать неограниченное число объектов, находящихся в зоне ее действия.

Рассмотренные недостатки фазового метода измерения дальности ограничивают область его использования, несмотря на высокую точность. Поэтому в последние годы получили широкое развитие новые фазовые методы измерения дальности, которые в значительной степени устраняют основные недостатки фазовых систем.

Источник

1.3. Импульсный и фазовый метод измерения дальности

В современной лазерной локации используются два основных метода измерения наклонной дальности — импульсный и фазовый. Сразу оговоримся, что в лидарах воздушного базирования в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных лидарах — и импульсный, и фазовый.

Реализация импульсного метода измерения наклонной дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения электромагнитных колебаний в атмосфере с = 3-108 м/с, замеренная продолжительность распространения лазерного импульса 7/ позволяет определить наклонную дальность D, по простой формуле:

На рисунке 7 представлена типовая форма зондирующего лазерного импульса в лидарах типа ALTM канадской компании Optech Inc., а на рисунке 8 показана принципиальная схема приемопередатчика при реализации данной схемы измерения.

Как следует из описания, реализация импульсного метода измерения дальности сравнительно проста в функциональном отношении. Поэтому и аппаратная реализация этого метода не вызывает серьезных проблем, что в качестве положительного следствия имеет достижение устойчивости и достоверности получаемых данных.

Представим некоторые дополнительные соображения, характеризующие импульсный метод:

1. По возможности, должна быть обеспечена минимальная длительность зондирующего импульса и его максимальная добротность (т.е.

Совершенно аналогичные требования к форме зондирующего импульса предъявляются в радиолокации и других технологиях активного зондирования. Описанная схема измерений предполагает постоянство скорости и прямолинейность распространения лазерного импульса в атмосфере. Строго говоря, это не совсем так с учетом явления рефракции, которое приводит к искривлению оптического пути импульса. Это явление проявляется тем сильней, чем больше высота съемки. Для последней разработки компании Op- tech Inc. лидара ALTM 3100 фактическая высота съемки может достигать больших значений — до 4000 м. На таких высотах влияние рефракции для лазерных точек, полученных на краях полосы съемки, уже сопоставимо с точностью метода. Это обстоятельство вынуждает принимать специальные меры для коррекции координат лазерных точек на этапе наземной обработки. Коррекция проводится с использованием аналитических зависимостей, описывающих величину рефракции в зависимости от текущих физических параметров атмосферы, таких как температура и давление на уровне земли.

Сводная таблица 3 содержит концептуальные достоинства и недостатки импульсного метода измерений наклонной дальности.

Таблица 3. Основные достоинства и недостатки импульсного метода измерения дальности

Достоинства

Недостатки

высокая устойчивость метода измерения; сравнительно простая схема оптико-электронного тракта; возможность регистрации множественного отражения.	ограничения по достижимой точности и разрешающей способности; принципиальное ограничение производительности при использовании одиночного приемника по норме «высота съемки — частота импульсов».

Обсудим важнейшие недостатки импульсного метода измерения дальности.

1. Как и во всех других родственных технологиях, в лазерной локации принято считать, что импульсный метод проигрывает по точности фазовому. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

— длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса;

отражательные характеристики объекта; оптические свойства атмосферы; текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования; другие.

Влияние всех перечисленных выше параметров сводится к ослаблению «размыванию» формы отраженного импульса на входе оптической схемы приемника, т.е. к возрастанию неопределенности в измерении длительности задержки распространения зондирующего импульса до объекта и обратно. Повышение этой неопределенности на практике оборачивается снижением точности. Как будет показано ниже, фазовый метод во многом свободен от этого недостатка.

2) Принципиальное ограничение производительности по норме «высота съемки — частота импульсов» состоит в следующем. Из представленной выше функциональной схемы лидара импульсного типа видно, что каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий отраженный импульс. С учетом конечной скорости распространения электромагнитных колебаний можно определить простое соотношение, которое определяет теоретический предел частоты зондирующих импульсов fmax в зависимости от высоты съемки Н, а именно:

Значения fmax , рассчитанные в соответствии с данной формулой, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Максимально возможные значения частоты зондирующих импульсов в зависимости от высоты съемки при импульсном методе

Высота съемки (Н), м

Максимально возможная частота ЗОНДИРУЮЩИХ импульсов (fmax), КГц

Представленные в таблице 4 значения частот являются теоретически максимально возможными.

Отметим также, что данное принципиальное ограничение в той или иной степени относится и ко всем другим методам активного дистанционного зондирования. Здесь оно упомянуто потому, что, как было сказано выше, в авиационной лазерной локации в настоящее время используются исключительно импульсные методы. Поэтому это ограничение существенно на практике, принимая во внимание значительные высоты съемки.

Дальнейшим развитием импульсного метода является так называемый метод регистрации формы отраженной волны (wave form registration). Практическую реализацию данного метода обеспечивают, например, лидары ALTM 30/70 и ALTM 3100 в качестве опции к базовому импульсному методу измерения.

Технология регистрации формы отраженной волны предполагает запись в цифровом виде полной формы отклика на каждый зондирующий импульс с частотой дискретизации 1 ГГц и выше. Зарегистрированная таким образом волна дает «историю» отражения зондирующего импульса от всех препятствий, встретившихся на его пути (рис. 9). Наибольший интерес такая информация может представлять для использования в специализированном программном обеспечении обработки лазерно-локационных данных для более достоверного распознавания и геопозиционирования объектов различных классов.

Другим возможным приложением может явиться использование данных такого рода для нормализации изображений распределения интенсивности с учетом высоты полета и угла падения зондирующего луча.

Перейдем к рассмотрению фазового метода.

Рисунок 10 представляет принцип определения наклонной дальности при использовании фазового метода. Этот принцип состоит в определении количества целых длин волн между локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания. Ширина полосы модуляции до 10 ГГц при использовании современных лазерных диодов (semiconductor laser diodes).

Напомним, что фазовый метод измерения дальности пока применяется только в лидарах наземного базирования.

Главное преимущество фазового метода измерения — более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров. Вообще фазовые измерения в оптической и радиодальнометрии (в том числе в GPS и ГЛОНААС методах) считаются самыми точными. Для того чтобы пояснить это положение рассмотрим фазовый метод измерения несколько более подробно.

Для того, чтобы определить расстояние между источником и объектом, необходимо:

1. Определить целое количество длин волн модуляции К, приходящихся на это расстояние.

2. Определить разность фаз Аlt;р между принятой и опорной волной и тем самым оценить дополнительное расстояние, соответствующее «последней» неполной волне.

Если значения К и Аlt;р удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле:

где Я- длина волны модуляции.

Приведенной простой формулы достаточно, чтобы в принципе дать объяснение высокой точности фазового метода дальномерных измерений. Точность величины Я определяется стабильностью частоты генератора модулирующего колебания. В современных условиях возможно достичь очень высокой точности этого параметра. Т.е. если значение К определено правильно, то член КЯ практически не вносит никакого своего вклада в результирующую ошибку измерения дальности.

Величина Aqgt; также может быть определена достаточно точно. Сразу отметим, что в зависимости от типа лидара может использоваться либо аппаратный метод определения значения Аср с помощью т.н. фазиметров, либо принятый сигнал в цифровой форме записывается на магнитный носитель, а все последующие процедуры анализа фазы осуществляются программно.

Важно, что входное и выходное излучение может отличаться по интенсивности (т.е. по амплитуде волны модуляции), но не по частоте со. Это обстоятельство обусловливает высокую эффективность и точность корреляционных методов, которые используются при поиске значения Аср. фазовый метод, в отличие от импульсного, позволяет получить численные значения и оценить достоверность и точность произведенного дальномер- ного измерения за счет анализа взаимной корреляционной функции излученного и принятого излучения. Достоверное (и как следствие точное) измерение будет характеризоваться наличием отчетливо выраженного максимума взаимной корреляционной функции, а у недостоверного измерения соответствующая функция будет иметь размытый вид и значения максимума будут определяться не столь точно. Наличие возможности численной оценки достоверности измерения позволяет, если необходимо, отвергать некоторые измерения, точность которых находится ниже допустимого порога.

В таблице 5 сведены основные достоинства и недостатки фазового метода измерения дальности.

Упомянутая в таблице в качестве достоинства более высокая производительность, т.е. количество дальномерных измерений в секунду, которая сегодня

Таблица 5. Основные достоинства и недостатки фазового метода измерения дальности

Достоинства

Недостатки

наивысшая возможная точность измерения; более высокая производительность	ограниченная дальность действия; возможность неоднозначности при определении целого количества длин волн; высокая потребная мощность излучателя; невозможность регистрации множественного отражения

для некоторых моделей наземных лазерных сканеров приближается к 1 ГГц, объясняется следующими двумя обстоятельствами: во-первых, по описанным ниже причинам рабочие дальности действия фазовых лидаров невелики, не более 200 м. Поэтому эти приборы по норме «высота (дальность) съемки — частота импульсов» ограничены по частоте импульсов в меньшей степени; во-вторых, за счет использования модулирования несущего колебания некоторые из фазовых приборов вообще свободны от этого ограничения. При изменении закона модулирования во времени появляется возможность преодолеть смешение сигналов, отраженных от различных компонентов сцены и пришедших на входной зрачок приемника одновременно. Так как закон моделирования и функция его изменения известны точно, это позволяет надежно детектировать оба сигнала раздельно.

Теперь обсудим недостатки фазового метода измерения. В основном они сводятся к проблеме неоднозначности решения по целым длинам волн и необходимости принятия дополнительных мер по разрешению этой неоднозначности. Действительно, фазовый метод в том виде, как он описан выше, не содержит никаких механизмов определения значения К. Более того, при использовании единственной частоты модуляции определение дальности D при использовании исключительно фазового метода принципиально невозможно. Для разрешения задачи неопределенности по целым длинам волн применяют различные методы, которые, однако, могут быть объединены в две большие группы: использование дополнительных источников информации по измеряемой дальности; многочастотные методы.

В первом случае необходимо иметь некоторую априорную информацию о значении величины D с точностью не хуже 0.5т\. Применительно к лазернолокационному методу измерения это можно сделать, например, выполнив измерение наклонной дальности импульсным методом, а потом уточнив его фазовым.

Во втором случае используют модуляцию несущей двумя или более синусоидальными колебаниями. Это позволяет однозначно разрешить неопределенность по целым длинам волн в диапазоне от 0 до некоторого максимального значения Dmax. Если измеряемые дальности превосходят Dmax, то разрешение однозначности не гарантируется. Как уже было отмечено выше, на практике значение Dmax пока не превосходит 300 м. Исчерпывающую информацию по

применению фазового метода измерения дальности можно получить в источнике (Шануров, 1991).

Источник