Современные методы и технологии лазерной локации. Оптическая локация

Способ включает сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта и углового положения объекта. Расстояние до объекта определяется по времени задержки между излученными и принятыми сигналами. Угловое положение объекта определяется по направлению соответствующего излученного сигнала. В качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемым промежутком времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге. Технический результат - увеличение производительности лазерной локации.

Заявляемое техническое решение относится к способам определения местоположения объектов, точнее к способам лазерной локации, и представляет интерес для лазерной локации космических объектов, поверхности Земли, лазерной геодезии, а также может быть использовано для определения скорости движущегося объекта.

Известен способ определения расстояния до удаленного объекта, включающий облучение его лазерным сигналом, прием отраженного или рассеянного объектом сигнала и определения времени задержки ΔT между моментами излучения зондирующего и приема отраженного или рассеянного объектом сигналов, при этом расстояние до объекта L определяется простой формулой L=cΔT/2, где c - скорость света .

Достоинством известного способа является возможность определять расстояние до удаленных, в том числе на космические расстояния, объектов с высокой точностью, которая фактически определяется быстродействием приемной системы и возможностью локатора генерировать короткие световые импульсы (прежде всего, с коротким передним фронтом). При давно достигнутом уровне быстродействия ~0,1 нс расстояние может быть определено с точностью несколько сантиметров, именно такая точность достигнута, например, при лазерной локации Луны.

Недостатком известного способа является невозможность с достаточной точностью определить направление на лоцируемый объект, обычно это направление известно заранее (как в случае, например, лазерной локации Луны было точно известно положение уголковых отражателей, возвращавших сигнал локатора). В другом варианте реализации известного способа генерируется мощный лазерный импульс, которым сразу «засвечивается» значительный участок пространства (значительный телесный угол), в котором лоцируемый объект находится заведомо, то есть расходимость используемого лазерного излучения достаточна велика. Это позволяет определить расстояние до объекта, однако не его положение в пространстве. Необходимость использования высокоэнергетичных лазерных локаторов является значительным недостатком известного способа, поскольку для этого требуется достаточно мощная и относительно громоздкая лазерная установка. Очевидно, что если зондирующее излучение может иметь в 10 раз меньшую расходимость, то энергия лазерного импульса может быть снижена, минимум, в 100 раз (если расстояние до объекта достаточно велико).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ лазерной локации, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянного и/или отраженного объектом лазерного сигнала и определение расстояния до объекта по времени задержки между излученным и принятым сигналами, а углового положения объекта по направлению излученного сигнала . В известном способе сканирующее устройство осуществляет программируемый поворот в пространстве зондирующего лазерного луча со сравнительно малой расходимостью. Использование известного способа позволяет определить не только расстояние до объекта, но и его угловое положение в пространстве, а двукратное применение соответствующей процедуры (то есть определение положения объекта в два различных момента времени) позволяет найти скорость объекта.

Основным недостатком известного способа является его сравнительно низкая производительность при определении положения объекта с достаточно высокой точностью. В самом деле, следующий лазерный сигнал излучается после того, как зафиксирован «возвращенный объектом» предшествующий сигнал или когда можно гарантировать, что в зондируемой области пространства искомого объекта нет (иначе возможно «перепутать», какому излученному сигналу соответствует зарегистрированный сигнал). Сформулированное условие ограничивает частоту следования лазерных сигналов f на предельном уровне fmax=c/2L, и, соответственно, время определения положения (поиска) объекта может быть велико. Например, если объект может быть расположен на расстоянии до 300 км, то максимальная частота работы лазерного локатора составит 500 Гц. Если известно, что объект находится в области с поперечным размером 10×10 км, а требуется определить его положение с точностью 100×100 метров (требуемая расходимость лазерного излучения составляет всего лишь ~0,3 мрад и соответствует апертуре телескопа менее 1 см для дифракционного качества излучения и длины волны зондирующего излучения ~1 мкм, угловая точность сканирующего устройства может быть на порядок выше), то всего может потребоваться 10000 лазерных импульсов и, соответственно, около 20 секунд. Заметим, что за такое время объект может выйти за пределы исследуемой области (для этого достаточно поперечной скорости ~500 м/с).

Указанная причина ограничивает, в том числе рабочую частоту и производительность лазерных локаторов, применяемых для лазерного зондирования земной поверхности, поскольку каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий «отраженный» импульс . В результате стоимость, например, лазерных геодезии и топографии высокого разрешения оказывается достаточно высокой.

Техническим результатом изобретения является увеличение производительности лазерной локации.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной локации, включающем сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, в качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемыми промежутками времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.

Под амплитудой импульса, в зависимости от соотношения между длительностью отдельного импульса τи и временным разрешением системы регистрации τp, подразумевается энергия импульса (если τи<τр) или его мощность (если τи>τр).

Применение заявляемого технического решения позволяет фактически «промаркировать» излучаемые лазерным локатором сигналы и установить взаимно однозначное соответствие между излученным и принятым сигналами. В результате даже при значительно более высокой, чем в прототипе, частоте следования генерируемых локатором лазерных сигналов возможно определить, какому излученному сигналу соответствует принятый, и, соответственно, используя только быстродействующий фотоприемник, одновременно определить расстояние до объекта (по времени задержки) и угловое положение объекта (по направлению, в котором излучался тот сигнал, который в дальнейшем был принят).

Реализация заявляемого технического решения для описанного выше примера локализации объекта, находящегося на расстоянии ~300 км, в области с поперечным размером 100×100 метров может быть, например, следующей. Лазерный локатор на частоте 100 кГц генерирует последовательность из цугов парных («сдвоенных») коротких (~1 нс) импульсов с изменяемым промежутком времени между ними, например: в первой паре второй импульс следует через 20 нс после первого, во второй паре - через 40 нс, в сотом цуге импульсов промежуток между импульсами составит 2 мкс и т.д.; после генерации 200 сдвоенных импульсов (промежуток времени между последними импульсами в паре составит 4 мкс) описанная выше последовательность цугов повторяется. Здесь частота 100 кГц означает, что промежуток времени между первыми лазерными импульсами в последовательно генерируемых цугах составляет 10 мкс. Таким образом, по промежутку времени между импульсами в цуге (при достаточном разрешении системы регистрации) возможно определить «номер» и момент генерации именно этого цуга. Один и тот же промежуток времени между двумя импульсами в цуге повторяется через 2 мс (10 мкс × 200), что как раз соответствует максимальному расстоянию до объекта 300 км. То есть при регистрации возвращаемого объектом сигнала возможно «перепутать» только расстояние L и L+300 (L - расстояние до объекта в километрах), что, очевидно, не произойдет при L≤300 км, поскольку амплитуда принимаемого сигнала будет отличаться многократно.

При той же самой, как в прототипе, расходимости излучения 0,3 мрад (пространственном «разрешении» 100 метров) время просмотра области пространства 10×10 км с расстояния ~300 км составит 0,1 с и уменьшится в 200 раз по сравнению с прототипом. Заметим, что необходимая для работы на указанной частоте 100 кГц угловая скорость поворота луча ~30 рад/с современными сканирующими устройствами обеспечивается с кратным запасом. Кроме того, при предварительной локализации объекта в области, например, 1×1 км время фиксации объекта может быть дополнительно уменьшено в 10 раз (или улучшено пространственное разрешение).

Если объект предположительно находится на большем расстоянии или необходима более высокая частота сканирования (меньшее время просмотра пространства), то период генерируемой последовательности цугов может быть, например, утроен следующим образом: вначале генерируется описанная выше последовательность цугов с одинаковой амплитудой обоих импульсов в каждом цуге, затем генерируется последовательность из 200 цугов с аналогично изменяемым промежутком времени между импульсами в цуге, но с амплитудой первого импульса, например, втрое большей, чем амплитуда второго импульса, затем генерируется последовательность из 200 цугов с обратным соотношением между амплитудами генерируемых импульсов в цуге. При использовании для «маркировки» излучаемых лазерным локатором сигналов цугов, состоящих, например, из трех импульсов, генерируемая последовательность из неповторяемых цугов может быть еще значительно длиннее.

В заявляемом техническом решении существенно используется тот факт, что в каждом конкретном цуге промежуток времени между входящими в цуг импульсами мал и не превышает несколько микросекунд. Это означает, что при любой реальной скорости лоцируемого объекта, если на него попадает один импульс из цуга, то попадут и все остальные импульсы из этого цуга. Действительно, при максимальном промежутке времени между импульсами в одном цуге 4 мкс и поперечной скорости объекта 8 км/с (первая космическая скорость) перемещение объекта (и приемника сигнала) между импульсами составит всего ~3 см. Это также означает, что все импульсы из одного цуга распространяются фактически по одной и той же траектории и потери при прохождении светом этой траектории с хорошей точностью одинаковы для всех импульсов, составляющих отдельный цуг; следовательно, соотношение амплитуд принятых импульсов в цуге будет соответствовать соотношению амплитуд излученных импульсов в этом цуге.

Аналогично возможно кратное увеличение производительности при лазерном зондировании Земли не только с «космических» расстояний (со спутников), но и при аэросъемке (с самолетов). Так, при высоте съемки (высоте полета самолета) 1,5 км частота следования зондирующих сигналов не превышает 100 кГц и может быть увеличена до 500-700 кГц (и выше) с использованием заявляемого способа. В этом случае взаимное перемещение объекта и приемника сигнала в рамках одного цуга импульсов не превысит ~0,2 мм (максимальный промежуток времени между импульсами в одном цуге не больше 1 мкс, а относительная скорость объекта и приемника ≤200 м/с).

Генерирование лазерным локатором последовательности цугов импульсов согласно заявляемому техническому решению может быть реализовано различными средствами, например системой генератор-усилитель, когда генератор излучает короткие импульсы на максимальной требуемой частоте (в приведенном выше примере на частоте 50 МГц, соответствующей временному интервалу 20 нс), а система управления «вырезает» требуемые для усиления импульсы, или при использовании двух (или более) соответствующим образом синхронизованных лазеров. Аналогично, пространственное сканирование может быть реализовано различными методами, однако конкретная реализация заявляемого способа лазерной локации не является предметом настоящей заявки на патент.

Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет многократно увеличить производительность лазерной локации и определять не только расстояние до объекта, но и направление на него (то есть угловое положение объекта) с использованием высокочувствительных и быстродействующих фотоприемников вообще без использования приемников излучения с пространственным разрешением типа ПЗС-матриц - как правило, заметно менее чувствительных и с большим уровнем шумов, а также обладающих сравнительно низким быстродействием . Заявляемый способ лазерной локации дает возможность использовать компактные маломощные лазерные локаторы, регистрировать сигнал на дневном фоне. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизна» и «существенные отличия».

Литература

1. Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Советское радио, 1973. - 189 с.

2. Матвеев И.Н., Протопопов В.В. и др. Лазерная локация. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (прототип).

3. Данилин И.М., Медведев Е.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: учебное пособие. - Красноярск: Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, 2005. - 182 с.

4. Патент RU 2352959, МПК: G01S 17/06, 20.04.2009.

Способ лазерной локации, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, отличающийся тем, что в качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемым промежутком времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.

Похожие патенты:

Изобретение относится к аппаратуре измерения расстояний и может быть использовано, например, для определения расстояния от измерительного прибора до поверхности стены, потолка помещения или до предмета (объекта) внутри или вне помещения.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению. Окружающее пространство сканируют в горизонтальной плоскости и выбирают видеокадр с объектом, до которого требуется измерить расстояние. Вертикальную и горизонтальную координаты изображения объекта измеряют относительно координат начала видеокадра, при этом горизонтальную координату объекта вычисляют суммированием координаты начала выбранного видеокадра со значением горизонтальной координаты в видеокадре. Визирную ось лазерного дальномера устанавливают по измеренной вертикальной координате объекта. При следующем цикле сканирования проводят замер дальности до объекта в момент прохождения визирной оси лазерного дальномера по вычисленной при предыдущем цикле сканирования горизонтальной координате объекта. Устройство, реализующее способ, включает оптико-электронный модуль на сканирующей платформе с вращением вокруг вертикальной оси, снабженной приводом и датчиком углового положения. Лазерный дальномер размещают на своей одноосной платформе с возможностью ее поворота в вертикальной плоскости и снабженной приводом и датчиком углового положения. Технический результат - обеспечение возможности измерения дальности до объекта лазерным дальномером при непрерывном сканировании с большими скоростями окружающего пространства, в том числе и кругового. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ увеличения информативности и производительности лазерной локации включает в себя сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами. Угловое положение объекта определяют по направлению соответствующего излученного сигнала. При этом в качестве сканирующего лазерного излучения используют последовательность лазерных импульсов, различающихся по длине волны, поступающих на сканирующее устройство. Лазерные импульсы разделяют по длинам волн посредством селектора длин волн. Технический результат заключается в повышении производительности и информативности лазерного радара. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ лазерной локации

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

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 . 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.сайт/

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.сайт/

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 :

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.сайт/

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

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 :

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 :

где - рабочая длина волны, мкм;

Исходные данные для расчета Епр приведены в таблице 1.1

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

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

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

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).

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

В этом случае :

w (r) = 1/(R)2r + 1/R при r < 0,

1/(R)2r - 1/R при r > 0. (1.2)

Дисперсия этой ошибки

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

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

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

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

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

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

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.

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 .

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) .

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.

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:

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: д иапазон 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

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:

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

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.сайт/

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 или суммы накопленных сумм в ячейках, соседних с центром тяжести накопленного массива . 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) .

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 , справедливым для значений V* от 0 до 5 м/с и выше.

В частности, для равноотстоящих отсчетов Ri с периодом ДТ:

или, после упрощений,

При этом среднеквадратическая погрешность оценки скорости :

где - среднеквадратическая ошибка измерения дальности в каждом из замеров.

В частности:

В таблице 2.1 приведены результаты расчетов для нескольких режимов накопления.

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

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) таким образом, чтобы протяженность теневой зоны не превышала заданной минимальной дальности . 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.сайт/

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.сайт/

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:

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:

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 Оптически й 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:

Подобные документы

Обзор конструктивных особенностей и характеристик лазеров на основе наногетероструктур. Исследование метода определения средней мощности лазерного излучения, длины волны, измерения углов расходимости. Использование исследованных средств измерений.

дипломная работа , добавлен 26.10.2016


Проведение расчета уровня сигнала в точке приема с целью определения влияния отраженных от поверхности земли лучей на устойчивость связи. Методы повышения эффективности систем подвижной радиосвязи: использование радиоузловой структуры и секторных антенн.

контрольная работа , добавлен 06.03.2010


Сравнительный анализ кристаллических иттербий-эрбиевых сред для полуторамикронных лазеров. Пороги генерации сенсибилизированной трехуровневой лазерной среды. Способы получения образцов кристалловолокон на основе ниобата лития. Метод лазерного разогрева.

дипломная работа , добавлен 02.09.2015


Характеристика и функция лазерного резонатора, обеспечение обратной связи фотонов с лазерной средой. Лазерные моды – собственные частоты лазерного резонатора. Продольные и поперечные электромагнитные моды. Лазер на ионах аргона и криптона, его устройство.

реферат , добавлен 17.01.2009


Методы определения отклика пассивной линейной цепи на воздействие входного сигнала. Расчет входного сигнала. Определение дифференциального уравнения относительно отклика цепи по методу уравнений Кирхгофа. Расчет временных и частотных характеристик цепи.

курсовая работа , добавлен 06.06.2010


Типы лазеров: усилители, генераторы. Характеристики приборов: энергия импульса, расходимость лазерного луча, диапазон длин волн. Типы газоразрядных лазеров. Поперечная и продольная накачка электронным пучком. Принцип работы лазера на свободных электронах.

реферат , добавлен 11.12.2014


Разработка структурной схемы и 3D модель мехатронной системы ориентирования, проектирование ее электронной и механической частей. Методы измерения расстояния с использованием лазеров. Технические характеристики лазерного сканирующего дальномера.

дипломная работа , добавлен 18.09.2015


Определение тока эмиттера и коэффициента усиления по току. Схемы включения пентода и фотоэлектронного умножителя. Структурное устройство МДП-транзистора. Параметры импульсных сигналов. Технологии формирования полупроводниковых интегральных микросхем.

контрольная работа , добавлен 13.11.2012


Оценка безопасности информационных систем. Методы и средства построения систем информационной безопасности. Структура системы информационной безопасности. Методы и основные средства обеспечения безопасности информации. Криптографические методы защиты.

курсовая работа , добавлен 18.02.2011


Методы расчета усилительных каскадов на основе транзисторов. Проектирование усилителя модулятора лазерного излучения. Приобретение конкретных навыков в расчете усилительных каскадов на примере решения конкретной задачи. Расчет широкополосного усилителя.

Принцип лазерной локации (ЛЛ) основан на том, что свет распространяется в вакууме прямолинейно и с постоянной скоростью. Испускается короткий лазерный импульс и засекатся время, лазерный луч отражается от лоцируемого объекта и возвращается назад, где его ловят при помощи телескопа и чувствительных фотодетекторов и определяют время между испусканием импульса и его возвращением. Зная скорость света, можно вычислить расстояние до объекта. Если импульс короткий и время между испусканием и приёмом отражённого сигнала измерено точно, то и расстояние до объекта можно вычислить с соответствующей точностью. Отдельно учитывается влияние атмосферы, которая искривляет луч (рефракция) и привносит задержку, но это уже тонкие детали.

Идеи о локации Луны высказывались давно, ещё в 20-х гг. XX века, когда ещё и лазеров-то не было. Едва только лазер был изобретён, тут же возникла идея применить уникальные свойства лазерного излучения для лазерной локации Луны (ЛЛЛ). Первые опыты по ЛЛЛ были проведены в 1962-63 гг. в США и СССР. Тогда ни о каких измерениях речи не шло, проверялась сама возможность осуществления такой локации. Опыты оказались вполне удачными, отражённый сигнал был уверенно зарегистрирован, хотя длительность импульса 1 мс не позволяла измерять расстояние точнее 150 км. В 1965-66 были проведены опыты с более короткими импульсами – была достигнута точность около 180 м. При этом точность была ограничена уже не столько длительностью импульса, сколько рельефом местности.

Потом была высказана идея – для повышения точности локации доставить на Луну уголковые отражатели (УО). Уголковые отражатели примечательны тем, что возвращают сигнал всегда строго в обратном направлении, а кроме того, сигнал не имеет размазывания по времени, обусловленного рельефом местности.

Утверждается, что на Луну были доставлены 5 уголковых отражателей – два на советских луноходах и три американскими астронавтами – «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15».

На этом занудности-банальности кончаются, а дальше начинаются волшебные сказки с невероятными чудесами и детективными тайнами!

Начнём с того, что УО, установленный на «Луноходе-1», неожиданно «потерялся»! Причём, на этот счёт есть два мнения. Ведущий научный сотрудник, зав. аспирантурой Пулковской обсерватории, к.ф.-м.н. Е.Ю.Алёшкина

в своей статье утверждает, что его УО вышел из строя.

Это произошло при движении в очень сложных условиях внутри одного из кратеров. На стенке этого кратера притаился еще один, вторичный, маленький. Это самое подлое на Луне. Чтобы выбраться из этого паршивого кратера оператор-водитель принял вместе с экипажем решение луноход сдать назад. А солнечная панель была откинута. И получилось так, что крышкой солнечной панели он въехал в стенку этого невидимого, ведь камеры смотрели только вперед, кратера. Он черпнул лунного грунта на солнечную панель. А после того, как выбрались, решили эту панель закрыть. Но лунная пыль такая противная, что ее так просто не стрясешь. За счет запыления солнечной батареи упал зарядный ток. а из-за того, что пыль стряслась на радиатор, нарушился тепловой режим. В итоге в этом злополучном кратере «Луноход-2» и остался. Все попытки спасти аппарат закончились ничем.

Со вторым история получилась глупая. Четыре месяца он уже находился на спутнике Земли. 9 мая я сел за штурвал . Мы угодили в кратер, навигационная система вышла из строя.

Как выбираться? Не раз мы уже попадали в подобные ситуации. Тогда просто закрывали солнечные батареи и выбирались. А тут - в группе управления новые люди. Они и приказали не закрывать и так выбираться. Мол, закроем, и не будет откачки тепла из лунохода, приборы перегреются.

Мы не послушались и попробовали выехать так. Зацепили лунный грунт. А лунная пыль такая липкая. А тут еще приказывают закрыть панель солнечной батареи - мол, пыль сама по себе и осыплется. Она и осыпалась - на внутреннюю панель, луноход перестал получать подзарядку солнечной энергией в необходимом объеме и постепенно обесточился. 11 мая сигнала от лунохода уже не было.

Эту информацию подтверждает... LRO! Вот изображение «Лунохода-2» с открытой крышкой, направленного на восток:

В обшем, второй луноход сейчас лоцировать бесполезно.

Рабочий диапазон углов для уголкового отражателя, установленного на луноходах, составляет ±10 градусов. Для того, чтобы можно было лоцировать УО, установленный на луноходе, с учётом лунной либрации величиной примерно 7 градусов,

луноход должен быть надлежащим образом ориентирован на Землю по азимуту (на субтерральную точку) и углу места с точностью 2-3 градуса .

UPD от 03.11.2013. Я созвонился с В.П.Долгополовым и уточнил размещение уголковых отражателей на корпусе лунохода - они расположены с наклоном строго вперёд по курсу, именно так, как изображено на фотографиях музейных макетов.

А теперь вспоминаем слова Довганя о том, что «Луноход-2» смотрит на восток, и пристально вглядываемся в карту:


Зелёными стрелками показана фактическая ориентация луноходов, жёлтыми - необходимая для успешной локации УО, установленных на луноходах. Субтерральная точка, которая находится в центре изображения, и на которую по азимуту должен быть ориентирован «Луноход-2», находится на юго-запад от «Лунохода-2», а «Луноход-2» повёрнут на восток (на мой взгляд, азимут составляет примерно 100-110 градусов) - в таком положении угол падения лоцирующего луча на УО примерно 70 градусов, угол совершенно запредельный для кварцевого УО, т.е. уголковый отражатель «Лунохода-2» абсолютно нефункционален. И астрономы его успешно лоцируют вот уже почти 40 лет??? Закрываю глаза и представляю, как фотоны с лихим пируэтом заныривают в уголковый отражатель развёрнутого задом наперёд «Лунохода-2», чтобы там отразиться и проделав обратный пируэт направиться к Земле... Шехерезада нервно курит в сторонке! Ей сказок хватило только на 1001 ночь.

Возникает закономерный вопрос - а что же они (астрономы) тогда лоцировали?

Более-менее подробно детали американского эксперимента описаны в документе Apollo 11 Preliminary Science Report . Подробности советских экспериментов по лазерной локации Луны, проводившихся в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) приведены во втором томе сборника «Передвижная лаборатория на Луне ЛУНОХОД-1» . Там же приведена формула вычисления величины ответного сигнала

и указан результат расчёта - 0,5 фотоэлектрона с одного импульса т.е. с двух импульсов лазера должен быть зарегистрирован примерно 1 фотоэлектрон.

Количество фотончиков, которые долетят до Луны, равно количеству выпущенных из лазера умножить на этот коэффициент прозрачности N M =К λ N t . Скажем, для КрАО он указывается в среднем 0,73. Для более высокогорных обсерваторий атмосфера прозрачнее. Препятствие в виде атмосферы встретится на пути фотончиков ещё раз, когда отражённые фотончики будут возвращаться на Землю - результат придётся ещё раз умножить на коэффициент прозрачности атмосферы К λ .

Луч, выпущенный из лазера, расходится. Тому есть две принципиальные причины. Первая - дифракционное расширение пучка. Оно определяется как отношение длины волны света к диаметру пучка. Следовательно, чтобы его снизить, нужно увеличивать диаметр пучка. Для этого луч лазера расширяют и пропускают через тот же телескоп, которым потом будут ловить ответные фотоны. Переключение осуществляется перекидным зеркалом - учитывая, что ответные фотоны прилетят только через 2,5 секунды, это совсем несложно обеспечить. Для телескопа с выходным диаметром 3 метра дифракционное расширение пучка составляет всего 0,05" (угловой секунды). Гораздо сильнее вторая причина - турбулентность в атмосфере. Она обеспечивает расходимость пучка на уровне примерно 1". Эта причина принципиально неустранима. Единственный способ борьбы с нею - выносить телескоп за пределы атмосферы.

Итак, луч на выходе из атмосферы имеет расходимость θ. Для малых углов θ можно пользоваться приближением θ = tg(θ) = sin(θ). Следовательно, луч осветит пятно диаметром D = Rθ, где R - расстояние до Луны (в среднем 384 000 км, максимум 405 696 км, минимум 363 104 км). Луч с расходимостью 1" осветит на Луне пятно диаметром примерно 1,9 км. Площадь пятна, как известно из курса геометрии, равна .

Количество света, попавшего в телескоп в результате отражения от УО или лунного грунта, пропорционально площади телескопа. Для телескопа диаметром d площадь равна .

В случае отражения от УО далеко не все фотончики, попавшие на Луну, попадут на УО и отразятся. Количество фотончиков, отражённых от УО, пропорционально площади отражателя S 0 и его коэффициенту отражения К 0 . (Это при условии, что вообще задели УО хотя бы краешком пятна.) Для отражателей французского изготовления общая площадь равна 640 см 2 с коэффициентом отражения 0.9, но надо помнить, что для призм с треугольной лицевой гранью рабочая площадь составляет 2/3 от общей. Американские были изготовлены из неметаллизированных кварцевых призм и имели коэффициент отражения втрое меньше, зато большую площадь - УО, якобы доставленные экспедициями экспедициями «Аполлон-11» и «Аполлон-14» составляет 0.1134 м 2 , «Аполлон-15» - 0.34 м 2 (NASA-CR-113609). В результате количество фотончиков, которые отразятся от УО, составит .

Вообще-то распределение фотончиков по площади пятна существенно неравномерное :

Однако при суммировании результатов по несколькми лазерным «выстрелам» с целью выделить полезный сигнал на фоне шумов эта неравномерность сгладится.

Далеко не все фотончики, отразившиеся от УО, попадут в телескоп. Отражённый луч имеет расходимость θ" и осветит на Земле пятно диаметром L=Rθ". Площадь пятна на Земле, по которому распределится отражённый пучок, равна . Из этого пятна в телескоп попадёт (если попадёт, что тоже надо проверить) количество фотонов . Для французских УО, установленных на луноходах, расходимость отражённого пучка указана 6" (для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), что даёт диаметр отражённого пятна на Земле 11 км, американские были сделаны из триппель-призм меньшего размера, а поэтому имели чуть большую расходимость 8,6" (тоже для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), диаметр пятна на Земле будет около 16 км. Вообще-то расходимость отражённого пучка определяется дифракцией , т.е. отношением длины волны лазера к апертуре одного элемента УО θ" = 2.44 λ/D RR . Поэтому применение зелёного лазера с длиной волны 532 нм вполне может быть оправдано - несмотря на большее поглощение и рассеивание зелёного света в земной атмосфере по сравнению с красным и инфракрасным.

Как видим, получили практически ту же формулу, которая была указана в работе Кокурина и др., только в той были добавлены ещё и коэффициенты прохождения в передающем и приёмном тракте, эффективность квантового преобразования фотоприёмника (сколько фотонов из числа попавших в телескоп будет зафиксировано в виде электрического сигнала). Ещё не хватает зависимости эффективной площади отражения от угла падения, т.е. формулы выведены из предположения о близком к нормальному углу падения лоцирующего луча на УО. На самом деле зависимость вот такая:

В случае отражения от грунта большая часть света поглотится, а оставшаяся рассеется по закону, близкому к ламбертовскому (равномерно во все стороны), в телесном угле 2π стерадиан. На самом деле отражение от Луны несколько хитрее - у лунного грунта присутствуют ярко выраженные эффекты обратного рассеяния и оппозиционный эффект, которые приводят к тому, что строго в обратном направлении лунный грунт отражает в 2-3 раза больше, чем обычная ламбертовская (матовая) поверхность. Грубо говоря, вся поверхность Луны работает как уголковый отражатель, хотя и не очень хороший.

Альбедо Луны в среднем считается равным 0,07, хотя в разных местах видимой поверхности Луны альбедо имеет величину от 0,05 до 0,16. (UPD: По свеженьким данным , полученным лазерным альтиметром LOLA , при отражении строго назад альбедо может достигать аж 0.33, а в некоторых постоянно тёмных кратерах на южном полюсе даже 0.35!)

Проверяем, какая часть освещённого пятна попадёт в телескоп. Поле зрения телескопа определяется его максимальным увеличением, которое определяется его диаметром. Расчёт для телескопа КрАО диаметром 2.64 м даёт поле зрения 22", в работе приводится величина 15" - величины близкие. Размер освещаемого пятна обычно меньше, так что всё пятно оказывается в поле зрения телескопа.

Количество фотонов, отражённых от лунного грунта и попавших в телескоп, равно .

Отсюда выводим формулу оценки эффективности применения уголкового отражателя как отношение блеска УО к блеску лунного грунта . Беглого взгляда на эту формулу достаточно, чтобы увидеть, что для повышения уровня ответного сигнала от УО по сравнению с отражением от грунта, необходимо снижать угол расходимости лоцирующего лазерного луча - зависимость квадратичная.

(UPD: "Луноход-1" хоть и стоит неудачно, но его таки видно. Расчётный угол падения на его УО - 31,5 градус от нормали (без учёта либрации), при таком угле ЭПР уменьшается на порядок и усиливается расползание импульсного отклика из-за неперпендикулярности панели УО к лоцирующему лучу. А вот для "Лунохода-2" расчётный угол падения - примерно 70 градусов от нормали - угол совершенно запредельный даже для кварцевого УО. Отражение от его УО невозможно. Никакая либрация не поможет.)

От УО в телескоп должно попадать полторы сотни фотончиков, от грунта штук 5, а Алёшкина пишет про "1 фотон на 10-20 выстрелов". Это что же такое получается? Регистрируется фотонов даже меньше, чем должно было быть от грунта!

А так и должно быть! Вспоминаем, что при локации в стороне от субтерральной точки поверхность Луны существенно неперпендикулярна лучу, стало быть, отражённый сигнал размазывается во времени,

а временной фильтр (temporal filter) вырезает из него только те фотончики, которые соответствуют ожидаемому результату.


Если же вспомнить, что поверхность Луны не является идеально гладкой, а на ней встречаются горы, кратеры, то наличие стенки кратера или склона горы, обращённого к Земле, на который лоцирующий луч лазера падает перпендикулярно, даст точно такой же компактный по времени сигнал, как и отражённый от УО, но меньшей интенсивности.

Если мы ослабим расчётный сигнал от грунта как соотношение площади участка лунной поверхности, перпендикулярной к лоцирующему лучу, к площади сечения лоцирующего луча, мы получим полное соответствие экспериментальных результатов расчёту для гипотезы с отражением от грунта. Учитывая, что диаметр лоцирующего луча на Луне 2-7 км, то горы или стенки кратера высотой 2-3 км уже достаточно, а на Луне таких гор и кратеров хватает. Причём, даже не требуется идеально плоской поверхности. Как следует из расчёта, при альбедо 0.16 (а горы на Луне светлее морей) расчётное количество фотончиков от грунта превышает экспериментальные значения примерно в 3 раза, т.е. для совпадения с расчётом достаточно, чтобы только треть освещённого пятна попадало на поверхность, лежащую на ожидаемой плоскости. Остальные 2/3 могут иметь какой угодно рельеф.


Красной линией выделена условная поверхность, отражённый сигнал от которой пройдёт через временной фильтр. В идеале это должен быть фрагмент сферы с радиусом 380 000 км и с центром примерно в центре Земли. Такой фрагмент сферы мало отличается от плоскости.

Гипотеза с отражением сигнала от УО не подтверждается опубликованными экспериментальными данными - ошибка не на проценты, даже не в разы, а на порядки.

В общем, мне всё ясно с нашей прикладной астрономией -

Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентноспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где лоя ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).

В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон на котором она расположена, по разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик.

Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели).

Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей простой формуле,

G = 4п * S

где G - коэффициент направленного действия, S - площадь антенны, м2, / - длина волны излучения мкм.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5 градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных по габарита м оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct и

где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения излучения км/с, t и -время прохождения импульса до цели и обратно, с.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с. А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них,см.рис.

Прежде всего з о н а д е й с т в и я. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром локатора является в р е м я о б з о р а. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора являются о п р е д е л я е м ы е к о о р д и н а т ы. они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием, как р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как п о м е х о з а щ ищ е н н о с т ь. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.

И весьма важной характеристикой локатора является н а д е ж н н о с т ь. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости) см. рис. на стр. 17. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего лока-тора - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.

Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.

Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о параметрах цели.

В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно локаторы(дальность, азимут, и угол места).

CХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА

приемник излучения

оптический фильтр

приемная оптическая система

ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК

ПРИЕМНЫЙ БЛОК

блок измерения дальности

блок измерения скорости

блок измерения угловых координат

Угол места

Скорость

Блок питания

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохроматичным, имеет большую импульсную) мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где для ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности). В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн: 1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертной степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору, - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверхкороткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации. 2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) (рис. 40). Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей простой формуле Рис. 40. Координаты объекта: а - пеленг или азимут; угол места где коэффициент направленного действия, площадь антенны, - длина волны излучения, мкм. Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1,5° при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10 м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны. Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость. 3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение: где расстояние до объекта, - скорость распространения излучения, время прохождения импульса до цели и обратно, с. Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью . А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору. Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них. Прежде всего зона действия. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора. Другим параметром локатора является время обзора. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства. Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием, как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех. (кликните для просмотра скана) И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации. Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости) приведена на рис. 41 . Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего блока - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы. Основное назначение приемного блока - прием излучения, отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Он состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат. Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о параметрах цели. В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно локаторы (дальность, азимут и угол места). Понравилась статья? Поделитесь с друзьями! Поделиться в Facebook Читайте также Каковы свойства и название вещества NH3? Каковы свойства и название вещества NH3? Презентация экологические проблемы крыма Проект экология воды в крыму Презентация экологические проблемы крыма Проект экология воды в крыму Анализ «Над пропастью во ржи» Сэлинджер Анализ «Над пропастью во ржи» Сэлинджер «Махабхарата» под редакцией Б «Махабхарата» под редакцией Б Наверх