автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Импульсные высотомеры на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров для контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности

ии3462143 На правах рукописи

РУДЬ ЕВГЕНИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

Импульсные высотомеры на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров для контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Казань 2009

003462143

Работа выполнена в Закрытом акционерном обществе "Скат-Р",

г. Москва

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ларюшин Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Непогодин Иосиф Андреевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО "Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева"

Защита состоится 20 марта 2009 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д.212.082.01 при ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г.Казань, ул. Красносельская, дом 51, КГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО "Казанский государственный энергетический университет", с авторефератом диссертации - на сайте http://www.kgeu.ru/

кандидат технических наук Васильев Дмитрий Викторович

Автореферат разослан « 9 » февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность. Развитие импульсной лазерной локации на этапе выполнения диссертации отмечено широким функциональным многообразием: дальномеры, высотомеры, лидары, системы ЗД-регистрации и др. Это многообразие зависит от запросов потребительского рынка и от совершенствования применяемых для их создания импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров. Твердотельные лазеры с модулированной добротностью обеспечивают малую длительность зондирующего излучения и высокую энергию в импульсе, для измерения расстояний до нескольких десятков тысяч метров. Полупроводниковые лазеры имеют невысокую энергию излучения, но обладают высокой частотой зондирования, что позволяет обрабатывать информацию в режиме накопления для измерения расстояний до 800- 1000 м. По составу и принципу действия лазерные высотомеры существенно не отличаются от лазерных дальномеров, предназначенных для работы на горизонтальных трассах. Однако высотомеры имеют отличия, связанные с установкой их на борту летательного аппарата: 1) отсутствие собственного визира и рабочих управляемых органов, т.к. управление их работой производится с бортового компьютера; 2) необходимость иметь развитый интерфейс для двусторонней связи с центральным процессором - приема команд управления и оперативной передачи измерительной и диагностической информации; 3) необходимость выполнения требований по быстродействию, т.к. рабочее поле высотомера перемещается в картинной плоскости относительно объектов подстилающей поверхности со скоростью движения летательного аппарата, что требует частоту зондирования не менее 1Гц. Лазерные высотомеры в составе аэросъемочных комплексов мониторинга земли и атмосферы позволяют решать задачи: 1) контроль окружающей среды и картографирование местности; 2) измерение наклонной дальности до объектов, включая облака; 3) обзор подстилающей поверхности, обнаружение объектов, их идентификация и определение их координат и др. На период выполнения диссертационной работы были разработаны в ЗАО "Скат-Р" лазерные высотомеры ДЛ-1 (на основе полупроводникового лазера, >.=800-910 нм) и ДЛ-2 (на основе твердотельного ИАГ-лазера, Х=1064 нм), а также воздушные лазерные батиметрические системы SHOALS 1000т и воздушные сканеры ALTM-3100 ("Геолидар", г. Москва), лазерные дальномеры зарубежного производства - Nikon ProStaff 550 Laser Range Finder 8369 (США), Bushnell Pinseeker 1500 Tournament Range Finder (США), Skycaddie SG2.5 rangefinder (Великобритания), Elop Mamba high-repetition laser range-finder (Израиль) и др., которые позволяют получать съемки высокой плотности, картографировать побережье, составлять морские карты, выполнять навигационные работы и др. Но очерченный круг задач не может быть решен одним универсальным высотомером или одной системой. Например, системы типа ALTM и SHOALS, применяемые в дорогостоящих уникальных исследовательских комплексах, непригодны для оснащения беспилотных летательных и пилотируемых низколетящих аппаратов. Они не обеспечивают разрешение по дальности для анализа вертикального профиля зондирующих объектов, а тип излучателей не обеспечивает идентификацию физического характера цели. Кроме того, излучение с длиной волны 830 и 1064 нм опасно для зрения. Следовательно, возникает актуальная необходимость разработать новые методы и

способы построения нового поколения импульсных лазерных высотомеров с безопасной для зрения длиной волны излучения.

Цель работы. Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на разработку новых методов и способов построения, создания и внедрения импульсных высотомеров на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения с повышенными точностью и разрешающей способностью для контроля окружающей среды, характеристик объектов подстилающей поверхности, химической разведки и другое в составе комплексов топографической аэросъемки и дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.

Задачи исследований. 1) анализ литературных и экспериментальных данных использования высотомеров на основе различных импульсных лазеров; 2) обоснование необходимости и возможности создания высотомеров на основе импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм; 3) исследование методов определения дальности, преобразования наносекуццных импульсов, временной фиксации импульсных сигналов; 4) анализ потенциальных возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с эффективным некогеренгным накоплением; 5) создание и внедрение высотомеров для контроля окружающей среды и характеристик объектов в составе авиационных диагностических комплексов.

Методы исследований. При проведении исследований (при наличии помех) автором использовались: 1) методы определения дальности импульсными лазерными измерителями; 2) способы светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления; 3) методы преобразования наносекундных интервалов; 4) методы определения временного положения импульсов; 5) метод Монте-Карло (метод статистических испытаний). Научная новизна. Предложены и реализованы автором

1. Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, научная новизна которого заключается в создании возможности излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности в течение одного цикла накачки твердотельного лазера с пассивным затвором с целью максимального сокращения длительности регистрируемой информации, повышения качества регистрируемого сигнала, значительного увеличения (в 5 раз) до 150 МГц тактовой частоты и минимизации интервала дискретизации, уменьшения регистрирующей аппаратуры и повышения в 4-5 раз точности.

2. Метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля, научная новизна которого состоит в введении в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой от длительности входного сигнала позволяет устранить недостаток известного метода - уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечить неточность временной привязки сигнала 0,2-0,3 м.

3. Новые способы реализации потенциальных возможностей светолокационного импульсного измерителя с эффективным накоплением на основе полупроводникового лазера, научная новизна которых по отношению к известному способу некогерентного накопления методом статистической проверки гипотез состоит:

- в оценке временной фиксации сигнала по центру тяжести массива данных после накопления с целью увеличения измеряемой дальности в 1,3 раза;

- в определении дальности с учетом введения в оценку измерения поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению, с целью повышения на порядок точности измерения.

4. Схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, научная новизна которой заключается в синхронизации момента излучения зоцдирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, обеспечивающая уменьшение среднеквадратического отклонения временной фиксации зондирующего сигнала относительно тактовой последовательности на порядок по отношению к схеме с асинхронным стартом.

Практическая значимость работы.

Разработанные с участием автора высотомеры на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм используются:

1) на основе твердотельных лазеров - в ООО "Открытое небо" в составе цифрового топографического аэросъемочного комплекса картографического обоснования площадных объектов (топографические карты, кадастры, поселения и др.) и линейно-протяженных объектов (продуктопроводы, дороги, объекты гидрографии и др.);

2) на основе полупроводниковых лазеров - в ОАО "Раменский приборостроительный завод" в вертолетном комплексе дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложенный метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, обеспечивающий возможность излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности за один цикл накачки импульсного твердотельного лазера с пассивным затвором, позволяет максимально сократить длительность регистрируемой информации, повысить качество регистрируемого сигнала, значительно (в 5 раз) увеличить тактовую частоту (до 150 МГц) и минимизировать интервал дискретизации, одновременно определять структуру объекта и дальность до него в 4-5 раз точнее, чем при моноимпульсном зондировании.

2. Предложенный метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля за счет введения в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой в зависимости от длительности входного сигнала устраняет недостаток известного метода - уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечивает неточность временной привязки до 0,2-0,3 м, т.е. на порядок точнее прототипа.

3. Новые способы реализации потенциальных возможностей измерителя дальности с накоплением на основе полупроводникового лазера, которые по отношению к известному способу некогеренгаого накопления методом статистической проверки гипотез, обеспечивают:

а) увеличение измеряемой дальности в 1,3 раза за счет оценки временного положения сигнала по временной фиксации его по центру тяжести массива данных после накопления;

б) снижение среднеквадратической погрешности измерений на порядок за счет введения в оценку дальности поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению.

4. Предложенная схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, обеспечивающая синхронизацию зондирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, уменьшает среднеквадратическую ошибку фиксации сигнала относительно тактовой последовательности до 0,1 м, т.е. на порядок точнее схемы с асинхронным стартом.

Апробация работы и публикации. Материалы и основное содержание работы опубликовано в 7 печатных работах, в том числе в одном патенте и в одном решении о выдаче патента (с соавторами), список которых приведен в конце автореферата. Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных задач и схемы исследований в рамках выполненной им научно-исследовательской работы «Малогабаритные лазерные дальномеры-высотомеры для определения характеристик профиля подстилающей поверхности». Достоверность результатов и выводов обеспечивается согласованием расчетных данных с результатами теоретических и экспериментальных исследований. Построенная в пакете ОгСАБ модель (применительно к реальной схеме) с использованием схемы фотоприемного тракта с введением одного или двух дифференцирующих звеньев позволила с достоверностью 0,8 сравнить точностные расчеты в ПО МАТЪАВ 7.0 с экспериментальными результатами определения временного положения сигнала методом пересечения нуля.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков, 12 таблиц, 62 наименований источников используемой литературы.

Основное содержание диссертации.

Во введении обоснованы актуальность работы, цель и задачи исследований, методы исследований, научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения, представлена апробация работы и личный вклад соискателя.

Первая глава посвящена анализу литературных данных использования импульсных лазерных дальномеров на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров. В главе сформулированы основные задачи высотометрии для контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности — наклонной дальности и пространственной структуры. Проведенные сравнительные исследования имеющихся высотомеров показали, что они не обеспечивают решения ряда задач.

Во второй главе представлен энергетический расчет дальности действия, обоснование требований к фотоприемному устройству, расчет точности измерения дальности и скорости импульсного высотомера на основе твердотельного лазера. Диапазон измеряемых дальностей ограничивается, с одной стороны, аппаратурными характеристиками (теневой зоной, емкостью измерителя временных интервалов, частотой зондирования и т.п.), а с другой - энергетическим потенциалом дальномера Показано, что заданная дальность действия обеспечивается при соблюдении неравенства, определяемого уравнением лазерной локации: Emin < Епр = Еа • К • D2p • та • г0/4R2, (1) где Emin -реальная чувствительность; Е„р - энергия сигнала, поступающего на фотодиод приемного

устройства; Е0 - энергия зондирующего сигнала; К = //м V (х, у)р (х, y)dxdy/ JJ 4/(.x,y)dxdy -коэффициент использования излучения, где р(х, у) - пространственное распределение коэффициента яркости цели; V(x,y) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка; Dnp - диаметр приемного объектива; га = е~2м" -коэффициент пропускания атмосферы на трассе; ¡1 - показатель ослабления; т0 -коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера; R - дальность до цели. Показатель ослабления ц связан с метеорологической дальностью видимости V (км) известным эмпирическим выражением (формулой Кошмидера). Мощность фоновой засветки на рабочей площадке фотоприемника равна: Рф = ^ В • Snp • в2 ДА • т0, (2) где В

- спектральная плотность энергетической яркости фона, Вт/м2 ср'мкм; в — D/F-относительное отверстие приемного объектива; ДЯ - полоса пропускания узкополосного фильтра, мкм; г0 - коэффициент пропускания объектива на рабочей длине волны; 5пр -площадь чувствительной площадки фотоприемника, м2. Фототок 1ф, А, на выходе фотоприемника: 1ф = Б^Рф (3) где S^, А/Вт, - спектральная чувствительность фотоприемника. Спектральная плотность энергетической яркости типичных естественных фонов, а также соответствующие им значения мощности фоновой засветки и фототока фона рассчитывались при: в = 1:4; г0= 0,9; Л = 1,540 мкм; АЛ = 0,04 мкм; 5пр =nd2v/4, где d„p= 0,15-10~3 м - диаметр чувствительной площадки фотоприемника. Из расчетных данных следует, что для работы на длине волны 1,540 мкм наиболее перспективны безлавинные фотоприемники AWBV (фотодиоды InGaAs/InP).

В третьей главе обоснованы предложенные методы повышения точности измерений и привязки, выбор твердотельного лазера с пассивным затвором и фотоприемника для высотомеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм. Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов. Недостатком известного моноимпульсного лазерного зондирования удаленных объектов является его практическая непригодность для регистрации формы отраженного объектом сигнала, которая может нести важную информацию о протяженности объекта вдоль трассы зондирования. Этот недостаток вызывается двумя причинами. Первая - необходимость регистрации структуры принимаемого сигнала практически на протяжении всей трассы зондирования от высотомера до объекта. Эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров, что требует большого объема памяти при регистрации сигнала. Вторая -

необходимость осуществлять одновременное измерение высоты и регистрации формы сигнала В этом случае электрические наводки, неизбежные в процессе измерения дальности, искажают принимаемый сигнал и не позволяют регистрировать его форму с достаточной точностью. Указанный недостаток устраняется за счет предлагаемого метода двойного лазерного зондирования. На рис. 1 представлена временная диаграмма процесса двойного лазерного зондирования.

Первое Второе

зондирование зондирование

3-второй 5-нмп. порог

= £ + Д Т,

4-второй / отраж.

НМЛ.

5 ■

где г -максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования.

Д Т = 2кг/с, где Дг - протяженность отрезка трассы перед объектом зондирования, подлежащая анализу; ДТ - опережение регистрации сигнала. Для регистрации Ю-принятый формы принимаемого / капал

второго зондирования

Лжи- верхнее значение диапазона измеряемых дальностей

Регистрируемая форма -принятого сигнала 10 в течение времени 1,

сигнала в течение времени можно регистрировать выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки Л < 2 8г.

Рис. 1. Временная диаграмма процесса двойного лазерного зондирования удаленного

объекта

При превышении первым 1 и вторым 3 зондирующими импульсами порога 5 формируют соответственно первый 6 и второй 7 стартовые сигналы. При превышении первым отраженным импульсом 2 порога 8 формируют стоповый импульс 9. Регистрируют моменты формирования первого и второго стартовых импульсов первого стопового сигнала Т2. Определяют интервал времени Т между моментами Т1 и Т2. Затем, начиная с момента ТЗ формируют временной интервал Т, и, по его окончании в момент времени Т4, регистрируют отрезок 10 реализации принятого сигнала длительностью позволяющий регистрировать форму принимаемого сигнала. Предлагаемый метод позволяет максимально сократить длительность регистрируемой

информации принимаемого сигнала за счет синхронизации начала процесса регистрации с началом сигнала и обеспечивает одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры и точности в 4-5 раз выше по отношению к моноимпульсному методу зондирования.

О

О 1 2 АЗ А4 5А6 7 8 9

^ 12 13 Время, отн. ед.

Рис. 2. Результаты моделирования временной фиксации сигнала методом пересечения нуля с одним дифференцирующим звеном в устройстве временной привязки: 1, 2 ,3 - сигналы на входе ДЗ; 1', 2', 3' - сигналы на входе нуль-компаратора НК; результаты

временной привязки; сигнал 1 соответствует линейной зоне, сигналы 2 и 3 — перегрузкам 103 и !(/', соответственно; масштаб по оси времени 6,67 не/'дел (1м в единицах дальности); длительность принятого импульса в линейном диапазоне Iи~10 не; постоянная времени ДЗ т= 1/а~5 не, где а — коэффициент затухания

Метод временной привязки. Так как приемный канал высотомера содержит линейный приемо-усилительный тракт и устройство временной привязки импульсов, формирующее импульсы «старт» и «стоп», то простейший и наиболее распространенный метод привязки - по фронту импульса, а наибольшая точность обеспечивается временной привязкой импульсов по положению их максимальных значений. Этот метод реализуется

1 2ААЗ 4 5 6 7 8 9 10 ^ Время, отн. ед.

Рис.3. Результаты моделирования временной фиксации сигнала методом пересечения нуля с двумя последовательно соединенными дифференцирующими звеньями в устройстве временной привязки:

1, 2, 3 - сигналы на входе ДЗг; 7' 2\ 3' -сигналы на входе нуль-компаратора; ¿1' *2> - результаты временной привязки для модифицированного устройства временной привязки и сигналов с соотношением амплитуд 1:1(?:1&; масштаб по оси времени 6,67 нс/дел (1 мв единицах дальности).

устройством привязки, построенным по принципу фиксации момента пересечения нуля, которое содержит последовательно включенные дифференцирующее звено с постоянной времени тд> 0 (0,5t„) и нуль-компаратор, где t[ - длительность входного сигнала. На рис. 2 показаны результаты моделирования временной фиксации сигнала методом пересечения нуля с одним дифференцирующим звеном в устройстве временной привязки. При этом задержка фиксации пересечения нуля относительно точки максимума сигнала в линейной зоне равна 5 не (0,7 м), а при максимальной перегрузке - 35 не (5,3 м), то есть нестабильность временной привязки больше 2,68 м, что лишает этот метод преимуществ по сравнению с простейшим методом фиксации по уровню сигнала Этот недостаток устранен в предлагаемом модифицированном устройстве временной привязки, в схеме которого используются два последовательно соединенных дифференцирующих звена. Постоянная времени первого звена составляет, как и в первом случае, половину длительности входного сигнала 0,5t„, а для второго - 5t„. Исследования показали, что при таком соотношении нестабильность временной привязки минимальна. Результаты моделирования для модифицированного устройства временной привязки показаны на рис. 3. Неточность временной привязки модифицированного устройства эквивалентна ошибке дальности 0,2-0,3 м, что на порядок точнее по сравнению с прототипом.

Обоснование выбора активного элемента для лазеров с длиной волны излучения 1540 нм. На этапе выполнения диссертационной работы особый интерес представляет исследование и создание лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР-лазеров). Метод ВКР позволяет преобразовывать излучение лазеров на неодимосодержащих средах (1,05-1,08 мкм) в спектральную область излучения безопасную для зрения (1,45-2,5 мкм). Для генерации с длиной волны 1540 нм наиболее подходящим является кристалл калий-гадолиниевого вольфрамата, активированного ионами неодима (КГВ • Nd3+). В данных лазерах излучение на Я = 1351 нм преобразуется в активном элементе в первую стоксову компоненту с излучением 1538 нм при участии ВКР-активных колебаний 901 см"1. ВКР-лазер на кристалле КГВ • Nd3+ диаметром 3 мм и длиной 50 мм с пассивным затвором на кристалле ИАГ • V2+ (алюмоиттриевый гранат, активированный ионами ванадия) обеспечивает необходимую выходную энергию 5-7 мДж.

Обоснование выбора фотодиода. Для формирования фотоприемного устройства выбираем InGaAs PIN фотодиод ДФД 250, обладающий необходимыми характеристиками: высокая чувствительность на Х,=1,55 мкм (0,8-0,85 А/Вт), спектральный диапазон 0,95-1,7 мкм, размер фоточувствительной площадки 250 мкм. В четвертой главе обоснован выбор импульсного лазерного диода и фотоприемника, произведен энергетический расчет дальности и точности высотомера. Импульсные полупроводниковые лазеры, как и твердотельные, обладают возможностью генерации импульсов малой длительности. Однако вследствие присущего им ограничения импульсной мощности при малой длительности импульса усугубляется дефицит энергии зондирующего сигнала. Этот недостаток преодолевается тем, что за счет применения метода некогеренгного накопления светолокационной информации имеется возможность повышения точности и дальности за счет статистической обработки накопленных данных.

Предложенные методы повышения точности позволяют увеличить длительность импульса до 100-300 не и более при сохранении высокой точности измерения. Основным содержанием главы является исследование возможных режимов работы высотомеров с целью повышения дальности и точности за счет реализации потенциальных возможностей лазерного измерителя дальности с накоплением. Моноимпульсный режим обеспечивает максимальную дальность действия 300 м. Режим накопления. При некогеренгном накоплении теоретически энергетический выигрыш где N - количество циклов (объем) накопления. Реально при

однопороговом (бинарном) накоплении выигрыш на 20-30 % меньше теоретического значения.

Техническая сущность известного способа светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления (Patent WO 2005/006016) состоит из серии циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в кавдой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели. В указанном способе осуществляется процедура цифрового некогерентного накопления, реализующая метод статической проверки гипотез (рис. 4а и 46). Недостатком данного способа является необходимость большого объема быстродействующей цифровой регистрирующей аппаратуры. Предложены способы реализации потенциальных возможностей импульсного измерителя с накоплением. Новизна предлагаемого первого способа увеличения измеряемой дальности без увеличения тактовой частоты и количества независимых каналов накопления состоит в том, что после определения дальности до цели известным методом: а) в каждом цикле зондирования импульс излучают в течение длительности нескольких дискрет времени; б) по окончании накопления выделяют дискрету времени, в которой накопленная сумма максимальна; в) определяют задержку Т отраженного сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса как первый начальный момент массива накопленных сумм в окрестности выделенной дискреты времени и по этой задержке определяют дальность до цели R — с(Т — Т0), где Т0 - аппаратурная константа. На рис. 46 и 4в приведены результаты компьютерного моделирования двухпорогового накопителя.

Задержку отраженного сигнала определяли по формуле первого начального момента, с весовыми коэффициентами при значениях накопленных сумм:

i-m+lKj-m+l at ■

1—- п I, где j - номер временной дискреты, в

-m+lKj-m+1+ll

которой накопленная сумма максимальна; К(ау накопленная сумма в (а)-й дискрете; k^ = 1 - весовой коэффициент (а)-й дискреты; т = ^р/дт

Тз = [0'-р)+#^=

L "1=1 J~n

количество дискрет; {фр = 2 - длительность переднего фронта импульса; q = ¿±т ' количество дискрет, соответствующих длительности импульса; % = 6 -длительность импульса; р=3 - поправочное число, характеризующее точку временной привязки сигнала; АТ = 1- длительность дискреты; длина анализируемого массива q=6, Т3 = Я (= знак численного равенства). Оценка дальности Я формируется по выражению Я = с-Т3/2. Предлагаемый способ позволяет увеличить измеряемую дальность в 1,3 раза.

123456789 10 11 Номер канала дальности

6 7 8 9 10 И Номер капала дальности

а б

Способ временной привязки накопленного массива данных по известному методу при отношении сигнал/шум = 1 (а) и при отношении сигнал/шум = 10 (б). Точность

привязки 0,7 м

1 2 3 4 5 6 7

9 10 11

Номер канала дальности

123456789 10 11 Номер каната дальности

в г

Способ временной привязки накопленного массива данных по предложенным методам при отношении сигнал/шум = 1 (в) и при отношении сигнал/шум = 10 (г). Точность

привязки 0,2 м

Рис.4. Реализация результатов накопления в 10 каналах дальности 2-уровневого накопителя, индекс внизу показывает положение центра тяжести полученных массивов

Новизна предлагаемого второго способа повышения точности определения дальности в широком диапазоне амплитуд принимаемых сигналов состоит в устранении недостатка

известного метода - зависимости оценки дальности до цели от амплитуды отраженного сигнала. Новизна предлагаемого метода заключается в том, что после определения дальности до цели известным методом: а) предварительно проводят калибровку, в которой определяют оценку дальности до цели; б) изменяют амплитуду отраженных целью импульсов в пределах рабочего динамического диапазона; в) для каждого значения амплшуды определяют оценку дальности, ее смещение относительно истинного значения и сумму накопленных сумм в дискретах времени, находящихся в окрестности дискреты с максимально накопленной суммой, и, в зависимости от суммы накопленных сумм, вводят в оценку дальности поправку.

На рис. 4в и 4г приведены результаты заполнения массива данных после накопления соответственно при отношении сигнал/шум 1 и 10.

Анализ показал, что предлагаемый метод позволяет уменьшить систематическую ошибку примерно на порядок, благодаря чему реальная погрешность измерения дальности может быть снижена до 0,05 м при ширине дискреты 6,67 не при тактовой частоте 150 МГц и дискретности 1 м. При этом среднеквадратическая погрешность измерения дальности aRB серии зондирования N=200 циклов и дискрете дальности AR = 1 м составляет aR =

0.4AR/VN » 0,03 м.

Новизной предлагаемого третьего способа оценки дальности в широком диапазоне принимаемых сигналов, как альтернатива второму способу, является:

а) как и во втором случае известным методом формируют оценку дальности до цели;

б) предварительно проводят калибровку, в процессе которой определяют начальное значение дальности до цели; в) изменяют амплитуду отраженных целью импульсов в пределах рабочего динамического диапазона; г) для каждого значения амплитуды определяют оценку дальности, ее смещение относительно истинного значения и количество смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению, в зависимости от этого количества, вводят в оценку дальности поправку.

На рисунках 4в и 4г приведены примеры заполнения массива данных после накопления соответственно при отношении сигнал/шум 1 и 10. Также как и для предлагаемого способа 2 способ 3, учитывающий поправку на величину принимаемого сигнала, позволяет в 3,5 раза снизить систематическую ошибку измерения дальности и обеспечивает среднеквадратическую погрешность измерения дальности до 0,03 м. Рассмотрен также ресурс повышения точности высотомеров с накоплением за счет схемы с синхронным стартом, позволяющей синхронизировать момент излучения зондирующего сигнала лазера с тактовой частотой (ИВИ) и обеспечить среднеквадратическое отклонение (СКВО) временной фиксации относительно тактовой последовательности на порядок по отношению к схеме с асинхронным стартом. В совокупности, новые светолокационные способы определения дальности и схема с синхронным стартом позволяют на 40-50 % повысить реальную возможность измерителя с накоплением.

В пятой главе показано использование результатов, полученных в диссертации.

1. Импульсные высотомеры на основе твердотельных лазеров типа ЛД-2М были использованы в ООО "ОТКРЫТОЕ НЕБО+" в составе цифрового топографического аэросъемочного комплекса (ЦТАК), применяемого для аэросъемок: площадных объектов,

требующих картографического обеспечения в полном объёме (площади обновляемых листов топографических карт, городские и сельские поселения); площадных объектов, требующих частичного картографического обеспечения (лесные угодья, сельскохозяйственные и геоботанические объекты); линейно-протяжённых объектов (продуктопроводы, автомобильные и железные дороги, объекты гидрографии). 2. Импульсные высотомеры на основе полупроводниковых лазеров типа ЛД-1М были использованы в ОАО "Раменский приборостроительный завод" в вертолетном комплексе дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли для измерения интегральных концентрации газов и паров различных веществ в атмосфере и аэрозолей на поверхности земли в целях проведения воздушной химической дистанционной разведки.

Основные результаты и выводы Проведенные теоретические и экспериментальные исследования режимов работы импульсных высотомеров на базе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения позволяют использовать их в системах лазерного картографирования, определения характеристик объектов подстилающей поверхности, применять в комплексах химической разведки, контроля окружающей среды.

Предложены и аппаратурно реализованы

1. Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов подстилающей поверхности, основывающийся на излучении двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности за один цикл накачки, позволяет:

а) предельно сократить длительность регистрируемой информации принимаемого сигнала за счет синхронизации процесса регистрации с началом сигнала;

б) повысить качество регистрации сигнала, минимизировать интервал дискретизации и существенно упростить регистрирующую аппаратуру за счет повышения в 5 раз (до 150 МГц) тактовой частоты;

в) предельно сократить интервал между первым и вторым зондированием, что позволяет получать результаты измерения дальности до объекта и регистрации его профиля практически из одной точки по сравнению с моноимпульсным зондированием;

г) обеспечить одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него с точностью 0,2-0,3 м.

2. Метод временной привязки импульса высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля за счет введения в структуру приемного тракта второго дифференцирующего звена с регулируемой постоянной времени позволяет:

а) устранить недостаток известного метода - уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в динамическом диапазоне 106 и обеспечить снижение неточности временной привязки высотомера на порядок по сравнению с прототипом.

б) полученные результаты подтверждены машинным моделированием функциональной схемы в пакете OrCAD и натурным моделированием, выполненным на базе макета фотоприемного тракта лазерного высотомера ДЛ-2М, и открывают перспективу существенного повышения точности моноимпульсных дальномеров на основе твердотельных лазеров без существенного усложнения аппаратуры.

. Новые способы реализации потенциальных возможностей измерителя дальности с накоплением на основе полупроводникового лазера по отношению к известному способу екогерентного накопления методом статистической проверки гипотез обеспечивают: ) увеличение измеряемой дальности в 1,3 раза за счет оценки временного положения игнала по временной фиксации его по центру тяжести массива данных после накопления; ) снижение среднеквадратической погрешности измерений на порядок за счет введения в ценку дальности поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных искрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению. . Схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, обеспечивающая инхронизацию момента излучения зондирующего сигнала с тактовой частотой змерителя временных интервалов, позволяет уменьшить среднеквадратическое тклонение временной фиксации зондирующего сигнала в 10 раз по отношению к схеме с синхронных стартом.

совокупности, предлагаемые светолокационные способы определения дальности и хема с синхронным стартом позволяют на 40-50% повысить реальную возможность змерителя с некогерентным накоплением.

Основные результаты опубликованы в работах: татьи в научных журналах и сборниках: 1. Вильнер В. Г. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя альности с накоплением / В.Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь. - М.: Фотоника. -007. -№6. -С. 22-26.

. Вильнер В.Г. Метод контроля характеристик объектов подстилающей поверхности с орта летательного аппарата / В.Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь. - Казань.: Изв. УЗов. Проблемы энергетики. - КГЭИ, 2008. -№ 9-10. -С. 134-137. . Вильнер В.Г. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров/ .Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь. -М: Наука, технология, бизнес. -2008. -№3. 118-123.

. Ларюшин А.И. Модифицированное устройство временной привязки импульсного азерного дальномера для летательных аппаратов/ А.И. Ларюшин, В.Г. Вильнер, .Л. Рудь.-М.: Электроника и электрооборудование транспорта. -2008. -№2. -С. 23-26. . Патрикеев А.П. Распределенная автоматизированная система обучения по дисциплине 'Автоматизированная системы контроля и оценки технического состояния авиационного борудования"/ А.П. Патрикеев, С.М. Гладкин, Е.Л. Рудь. -М.: Материалы научно-етодической конференции Военно-воздушной инженерной академии имени профессора .Е. Жуковского. Издание ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2007. -С. 126-129.

атенты:

. Пат. 2341770 РФ. Устройство временной привязки лазерного высотомера / .Г. Вильнер, И.В. Вильнер, В.Г. Волобуев, Е.Л. Рудь, Б.К. Рябокуль; зарегистрирован 0.12.2008.

. Решение 2007122010/28(023969) от 16.10.08 о выдаче патента на изобретение "Способ азерного зондирования удаленного объекта"/ В.Г. Вильнер, И.В. Вильнер, В.Г. Волобуев, .И. Дубинин, К.В. Значко, Е.Л. Рудь, Б.К. Рябокуль; заявлено 15.06.2007.

Сдано в печать Формат 60x90/16 Объем 1 п.л.

_Тираж 100 экз. Зак №_

Отпечатано ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, 117342, Москва, Введенского, 3

Введение.

Глава первая. Обзор и классификация средств лазерного зондирования. Задачи лазерной высотометрии.

1.1 Лазерная локация.

1.2 Состав импульсных лазерных дальномеров. Структурно-функциональные схемы определения дальности-высоты.

1.3 Лазерные высотомеры.

1.3.1 Особенности лазерных высотомеров.

1.3.2 Задачи лазерной высотометрии.

Глава вторая. Энергетический расчет. Дальность действия и обоснование требований к фотоприемному устройству. Расчет точности измерении импульсного высотомера на основе твердотельного лазера.

2.1 Энергетический расчет. Дальность действия и обоснование требований к фотоприемному устройству.

2.1.1 Методы определения дальности (методы выделения сигналов в условиях помех).

2.1.2 Расчетная методика.

2.1.3 Оценка влияния фона.

2.1.4 Формирование рабочего поля высотомера.

2.1.5 Результаты расчета.

2.2 Расчет точности измерения дальности и скорости.

2.2.1 Расчет точности измерения дальности.

2.2.1.1 Дискретность измерителя временных интервалов АКИВИ.

2.2.1.2 Методы преобразования наносекундных интервалов (методы измерения временных интервалов).

2.3 Расчет точности измерения скорости.

2.3.1 Оптимальный алгоритм измерения скорости.

2.3.2 Оценка скорости цели в реальных условиях.

Глава третья. Методы повышения точности измерений, точности привязки и формирования оптимальной структуры приемо-передающего канала импульсных высотомеров на основе твердотельных лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения. ^

3.1 Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов.

3.2 Модифицированный метод временной привязки лазерного высотомера.

3.2.1 Методы временной фиксации импульсных сигналов при наличии помех (устройства временной привязки импульсов)

3.2.2 Обоснование предлагаемого модифицированного устройства временной привязки импульса.

3.2.3 Реализация нового метода временной фиксации сигнала

3.3 Обоснование выбора активного элемента для лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм.

3.4 Обоснование выбора фотодиода.

Глава четвертая. Обоснование выбора импульсного лазерного диода и фотоприемника. Энергетический расчет. Дальность действия высотомера. Точностной расчет дальности высотомера на основе полупроводникового лазера.

4.1 Обоснование выбора импульсного лазерного диода.

4.2 Выбор лазера и фотоприемника.

4.3 Энергетический расчет. Дальность действия высотомера.

4.3.1 Оптическая система высотомера.

4.3.2 Энергетический расчет в моноимпульсном режиме.

4.3.3 Энергетический расчет в режиме накопления.

4.4 Точностной расчет дальности.

4.4.1 Методы временной фиксации результатов некогерентного накопления.

4.4.2 Компьютерное моделирование приемного тракта с накоплением.

4.4.3 Результаты моделирования накопителя.

Глава пятая. Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений. Практическая значимость полученных результатов внедрения образцов лазерных высотомеров. ^^

5.1 Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений, направленных на разработку и создание импульсных высотомеров на основе твердотельных КГВ • Ыс13+ лазеров

5.2 Аппаратурная реализация конструкторских, схемотехнических и расчетных решений, направленных на разработку и создание импульсных высотомеров на основе полупроводниковых лазеров.

5.3 Практическая значимость полученных результатов внедрения высотомеров ДЛ-2М.

5.4 Практическая значимость полученных результатов внедрения -высотомеров ДЛ- 1М.

Развитие импульсной лазерной локации в настоящее время отмечено широким функциональным многообразием (дальномеры, высотомеры, лидары, системы ЗО-регистрации и др.). Это многообразие обусловлено необходимостью решения широкого круга задач, вызванных как запросами потребительского рынка, так и требованиями различных производственных, оборонных и научных применений. При этом все более остро ставится вопрос практической реализации предельных возможностей дальномеров по дальности действия и точности при минимальной массе и стоимости этих приборов.

Исторически первыми лазерными локационными дальномерами импульсного типа были дальномеры с твердотельными лазерами на основе кристалла рубина (А1203 • Сг3+,Лшлуч- = 690 нм), работающие по принципу измерения времени между моментом излучения зондирующего лазерного моноимпульса и моментом приема излучения, отраженного целью.

Моноимпульсные лазерные дальномеры первого поколения обеспечивали диапазон измеряемых дальностей 200-5000 м с предельной ошибкой ± 10 м, темпом измерения 5-10 в минуту и имели массу 50 кг.

Создание импульсных лазеров на стекле, активированном ионами неодима, обеспечивающих генерацию на длине волны 1064 нм с коэффициентом полезного действия на порядок выше, чем рубиновые лазеры, и германиевых лавинных фотодиодов позволило резко сократить массу дальномеров, повысить их дальность действия, темп измерений, ресурс и снизить их себестоимость.

Благодаря дальнейшему совершенствованию лазерной техники, микроэлектроники и созданию эффективных приемников излучения, такие дальномеры прошли значительную эволюцию. Современные дальномеры по сравнению с первыми образцами, созданными в 60-хх годах ХХ-го века, в десятки раз легче, имеют в несколько раз большую дальность действия и существенно превосходят их по точности.

Активным элементом отечественных импульсных лазеров (в основном) является кристалл из алюмо-иттриевого граната, активированного трехвалентными ионами неодима ИАГ- Nd3+ [Y3ALs012 -Nd3+], с длиной волны излучения 1064 нм, опасной для зрения. На их основе разработаны отечественные дальномеры ЛДИ-3, ЛДИ-5, ПДУ-2, ПДУ-4 и др. Среди зарубежных необходимо отметить - Nikon ProStaff 550 Laser Range Finder 8369 (США), Bushnell Pinseeker 1500 Tournament Range Finder (США), Skycaddie SG2.5 rangefinder (Великобритания), Elop Mamba high-repetition laser rangefinder (Израиль) и др. Серийно выпускаются отечественные дальномеры ДЛИ-11, EG-LRF, ЛДМ-2 и другие на кристаллах калий-гадолиниевого вольфрамата КГБ- Nd3+[KGd(W04)2 ' Nd3+] с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм.

Обладая большей теплопроводностью, чем стекло, эти кристаллические среды обеспечивают нормальный температурный режим лазера при высокой частоте повторения импульсов, а высокая концентрация ионов неодима — более компактную оптическую накачку. Указанные выше дальномеры относятся к портативным и они обеспечивают при весе 2-2,5 кг измерение дальности до 10000 м с точностью до ±5 м. На базе твердотельных импульсных лазеров разработаны и частотные системы (лазерные целеуказатели-дальномеры) типа 1Д15, 1Д-20, 1Д-22, 1Д-26, и др., которые обеспечили решение более широкого круга задач (частота следования импульсов 10-30 Гц):

- измерение дальности до 10000 м с точностью ± 5 м;

- измерение скорости цели;

- поиск и автосопровождение цели по дальности и угловым координатам;

- подсветку цели для устройства ночного видения и др.

Частотные системы дают возможность накапливать локационную информацию, а, следовательно, повышать дальность действия системы и точность интерпретации результатов зондирования. Использование большого количества циклов накопления (до 1000 циклов) при высоких частотах повторения импульсов (до 1000 Гц) возможно и в дальномерах на основе полупроводниковых импульсных лазеров. Однако их низкая мощность не позволяет обеспечить измерение дальности более 800-1000 м.

Широкое развитие и внедрение геолидаров для воздушных систем лазерного картографирования определило создание лазерных высотомеров как неотъемлемой части бортового оборудования для летательных аппаратов контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности:

- наклонной дальности (200-2500 м);

- пространственной структуры.

По составу и принципу действия импульсные лазерные высотомеры существенно не отличаются от импульсных лазерных дальномеров контроля горизонтальных трасс.

Так как рабочее поле высотомера перемещается в картинной плоскости относительно объектов подстилающей поверхности со скоростью движения летательного аппарата 30-100 м/с, следовательно, им присущи отличительные характеристики:

- быстродействие (продолжительность процесса зондирования) < 0,025с;

- темп зондирования < 1с;

Указанные характеристики высотомеров позволяют:

- измерять наклонную дальность и скорость как относительное приращение дальности в единицу времени;

- контролировать (в составе воздушных систем) окружающую среду;

- обнаруживать, идентифицировать и координировать цели;

- производить картографирование местности и геодезические исследования.

На период выполнения диссертационной работы разработаны и выпускаются ЗАО "СКАТ-Р" г. Москва лазерные высотомеры ДЛ-1 и ДЛ-2, приведенные в таблице 1В.

Таблица 1В

Малогабаритные авиационные дальномеры

Параметры ДЛ-1 (на импульсном лазерном диоде) ДЛ-2 (на основе ИАГ-Nd3+ лазера)

Длина волны излучения, нм 800 - 930 (опасная для зрения) 1064 (опасная для зрения)

Рабочие высоты, м 120 - 800 200 - 2500

Точность измерения, м 0,5-1 2

Скорость, км/час 230-325 200

Угловое поле зрения, м рад 0,3 0,5

Область применения топография и др. топография и др.

Высотомеры на основе импульсных твердотельных лазеров используются в составе воздушных лазерных батиметрических систем типа SHOALS 1000т и воздушных сканеров ALTM-3100 (фирма "Геолидар", Москва), которые позволяют получать съемки высокой плотности в тех случаях, когда акустические методы малоэффективны. Например, они позволили картировать побережье, выполнять навигационные работы и др.

Однако очерченный круг задач не может быть решен только перечисленными высотомерами и системами. Например, системы ALTM и SHOALS обеспечивают широкие возможности картографических и геодезических исследований, но в силу сложности аппаратуры они могут встраиваться только в уникальные дорогостоящие исследовательские комплексы. Кроме того системы ALTM и SHOALS не обеспечивают, по сравнению с ДЛ-1 и ДЛ-2, решение и других задач:

- разрешение по дальности недостаточно для анализа вертикального профиля зондируемых объектов;

- тип излучателей не позволяет идентифицировать характер целей;

- излучение с длиной волн 800-930 и 1064 нм, включая ДЛ-1 и ДЛ-2, опасно для зрения, вследствие чего применение систем допускается на дальностях не менее 200 м.

На момент начала работы над диссертацией имелись публикации, направленные на повышение измеряемой дальности и точности, связанные с методами измерения, преобразования временных интервалов, определения положения импульса: Волохатюк В.А. и др. — 1971 г.; Ермаков Б.А. и др. — 1973 г.,1993 г.; Клюев Н.Ф. - 1973 г.; Матвеев H.H. и др. - 1984 г.; Митяшев Б.Н. - 1972 г.; John Morcom - 2004 г.; Lee Seok-Hwan - 2005 г.; М.-С. Amann -2001 г.; Lisicky A.J. - 1959 г.; Peterson W.W. и др. - 1954 г.; Harrington J.V. -1950 г. и др. Анализ публикаций показал, что необходимых методов, обеспечивающих выполнение требований задач диссертации, нет.

Возникает актуальная необходимость (рисунок 1В) разработать новые методы и способы построения нового поколения импульсных лазерных высотомеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм, а именно:

1) для высотомеров на основе импульсных твердотельных лазеров -новые методы лазерного зондирования удаленных объектов и модифицированное устройство временной привязки высотомера с целью повышения на порядок достоверности результатов измерения и привязки;

2) для высотомеров на основе импульсных полупроводниковых лазеров - новые способы светолокационного определения дальности, основанные на методе некогерентного накопления локационной информации с целью повышения дальности измерения на 25% и на порядок повышения точности измерения.

Следовательно, можно сформулировать цель диссертационной работы и задачи исследований.

Цель работы

Основная цель работы — Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на разработку новых методов и способов построения, создания и внедрения импульсных высотомеров на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения с повышенными точностью и разрешающей способностью для контроля окружающей среды, характеристик объектов подстилающей поверхности, химической разведки и другое в составе комплексов топографической аэросъемки и дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.

Задачи исследований

Следует отметить, что создание и оптимизация параметров импульсных лазерных высотомеров для контроля окружающей среды, характеристик объектов подстилающей поверхности на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм в составе диагностических комплексов были бы невозможны без проведения достаточно полных теоретических и экспериментальных исследований самих аспектов применения лазеров для решения задач высотометрии.

Потребность в импульсных высотомерах на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров повышенной точности

Результаты научных исследований повышения точности определения высоты импульсными лазерными измерителями

Потребность в импульсных высотомерах на основе лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения

Современный уровень оптики, радиоэлектроники полупроводниковых и твердотельных лазеров, информационных средств

Нерешенные труднорешаем ые) проблемы лазерной высотометрии для контроля окружающей среды и характеристик объектов подстилающей поверхности

Перспективы появления нового сегмента рынка импульсных высотомеров на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения повышенной точности

Задачи высотометрии. Контроль окружающей среды. Химическая разведка. Контроль характеристик объектов подстилающей поверхности - наклонной дальности (высоты), пространственной структуры. Измерение скорости. Картографирование. Стереосъемки. Геодезические исследования и др.

Рисунок 1В

Для достижения поставленной цели были предложены для решения следующие конкретные задачи:

1) анализ литературных и экспериментальных данных использования высотомеров на основе различных импульсных лазеров;

2) обоснование необходимости и возможности создания высотомеров на основе импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм;

3) исследование методов определения дальности, преобразования наносекундных импульсов, временной фиксации импульсных сигналов;

4) анализ потенциальных возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с эффективным некогерентным накоплением;

5) создание и внедрение высотомеров для контроля окружающей среды и характеристик объектов в составе авиационных диагностических комплексов.

Методы исследований

При проведении исследований (при наличии помех) автором использовались:

1) методы определения дальности импульсными лазерными измерителями;

2) способы светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления;

3) методы преобразования наносекундных интервалов;

4) методы определения временного положения импульсов;

5) метод Монте-Карло (метод статистических испытаний).

Научная новизна

На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных реализации потенциальных возможностей высотомеров по дальности действия и точности измерения при минимально возможной массе и стоимости предложены новые методы и способы достижения улучшенных характеристик высотомеров на основе импульсных твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения, отличающиеся как по конструктивному исполнению, так и методами обработки светолокационной информации.

Предложены и реализованы автором

1. Метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, научная новизна которого заключается в создании возможности излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности в течение одного цикла накачки твердотельного лазера с пассивным затвором с целью максимального сокращения длительности регистрируемой информации, повышения качества регистрируемого сигнала, значительного увеличения (в 5 раз) до 150 МГц тактовой частоты и минимизации интервала дискретизации, уменьшения регистрирующей аппаратуры и повышения в 4-5 раз точности.

2. Метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля, научная новизна которого состоит в введении в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой от длительности входного сигнала позволяет устранить недостаток известного метода — уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечить неточность временной привязки сигнала 0,2-0,3 м.

3. Новые способы реализации потенциальных возможностей светолокационного импульсного измерителя с эффективным накоплением на основе полупроводникового лазера, научная новизна которых по отношению к известному способу некогерентного накопления методом статистической проверки гипотез состоит:

- в оценке временной фиксации сигнала по центру тяжести массива данных после накопления с целью увеличения измеряемой дальности в 1,3 раза;

- в определении дальности с учетом введения в оценку измерения поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению, с целью повышения на порядок точности измерения.

4. Схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, научная новизна которой заключается в синхронизации момента излучения зондирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, обеспечивающая уменьшение среднеквадратического отклонения временной фиксации зондирующего сигнала относительно тактовой последовательности на порядок по отношению к схеме с асинхронным стартом.

Практическая значимость работы

1. Результаты, проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные технические решения использованы в рамках выполненной с участием автора в ЗАО "СКАТ-Р" научно-исследовательской работы "Малогабаритные лазерные дальномеры определения характеристик профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и высокой разрешающей способностью для летательных аппаратов".

2. Разработанные с участием автора импульсные высотомеры на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм используются:

1) на основе твердотельных лазеров - в ООО "Открытое небо" в составе цифрового топографического аэросъемочного комплекса картографического обоснования площадных объектов (топографические карты, кадастры, поселения и др.) и линейно-протяженных объектов (продуктопроводы, дороги, черты берегов, объекты гидрографии и др.);

2) на основе полупроводниковых лазеров - в ОАО "Раменский приборостроительный завод" в вертолетном комплексе дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложенный метод двойного лазерного зондирования удаленных объектов, обеспечивающий возможность излучения двух зондирующих импульсов и двойного включения добротности за один цикл накачки импульсного твердотельного лазера с пассивным затвором, позволяет максимально сократить длительность регистрируемой информации, повысить качество регистрируемого сигнала, значительно (в 5 раз) увеличить тактовую частоту (до 150 МГц) и минимизировать интервал дискретизации, одновременно определять структуру объекта и дальность до него в 4-5 раз точнее, чем при моноимпульсном зондировании.

2. Предложенный метод временной привязки импульсов высотомера на основе твердотельного лазера, основанный на модификации известного метода пересечения нуля за счет введения в структуру приемного тракта высотомера второго дифференцирующего звена с постоянной времени, оптимальное значение которой в зависимости от длительности входного сигнала устраняет недостаток известного метода — уход момента пересечения нуля при изменении амплитуды входного сигнала в широких пределах и обеспечивает неточность временной привязки до 0,2-0,3 м, т.е. на порядок точнее прототипа.

3. Новые способы реализации потенциальных возможностей измерителя дальности с накоплением на основе полупроводникового лазера, которые по отношению к известному способу некогерентного накопления методом статистической проверки гипотез, обеспечивают: а) увеличение измеряемой дальности в 1,3 раза за счет оценки временного положения сигнала по временной фиксации его по центру тяжести массива данных после накопления; б) снижение среднеквадратической погрешности измерений на порядок за счет введения в оценку дальности поправки по сумме накопленных сумм или по количеству смежных дискрет, в которых накопленная сумма равна предельному значению.

4. Предложенная схема с синхронным стартом высотомера с накоплением, обеспечивающая синхронизацию зондирующего сигнала с тактовой частотой измерителя временных интервалов, уменьшает среднеквадратическую ошибку фиксации сигнала относительно тактовой последовательности до 0,1 м, т.е. на порядок точнее схемы с асинхронным стартом.

Апробация работы и публикация

Материалы и основное содержание работы опубликовано в 7 печатных работах, в том числе в двух решениях о выдаче патента (с соавторами), список которых приведен в конце диссертации.

Личный вклад соискателя

Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Автором лично выбраны пути решения поставленных задач и схемы исследований в рамках выполненной им научно-исследовательской работы «Малогабаритные лазерные дальномеры-высотомеры для определения характеристик профиля подстилающей поверхности».

Достоверность результатов и выводов

Достоверность результатов и выводов обеспечивается согласованием расчетных данных с результатами теоретических и экспериментальных исследований. Построенная в пакете ОгСАО модель (применительно к реальной схеме) с использованием схемы фотоприемного тракта с введением одного или двух дифференцирующих звеньев позволила с достоверностью 0,8 сравнить точностные расчеты в ПО МАТЬАВ 7.0 с экспериментальными результатами определения временного положения сигнала методом пересечения нуля.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков, 12 таблиц, 62 наименований источников используемой литературы.

146 Заключение ля временных интервалов, позволяет уменьшить среднеквадратическую ошибку сдвига (фиксации) сигнала относительно тактовой последовательности до 0,1 дискреты, т.е. 0,1 м, тогда как при использовании схемы с асинхронным стартом, у которой момент излучения зондирующего сигнала не привязан к тактовой частоте, задержка может принимать значения в пределах дискреты.

В совокупности, предлагаемые светолокационные способы определения дальности и схема с синхронным стартом позволяют на 40-50% повысить реальную возможность измерителя с некогерентным накоплением.

5. Результаты, проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанные технические решения использованы в рамках выполненной с участием автора в ЗАО "СКАТ-Р" научно-исследовательской работы "Малогабаритные лазерные дальномеры определения характеристик профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и высокой разрешающей способностью для низколетящих летательных аппаратов".

6. Разработанные с участием автора импульсные высотомеры на основе твердотельных (ДЛ-2М) и полупроводниковых (ДЛ-1М) лазеров с безопасной для зрения длиной волны излучения 1540 нм используются:

1) на основе твердотельных КГВ- Ыс13+ лазеров в ООО "Открытое небо" - в составе цифрового топографического аэросъемочного комплекса картографического обоснования площадных объектов (топографические карты, кадастры, поселения и др.) и линейно-протяженных объектов (продуктопроводы, дороги, черты берегов, объекты гидрографии и др.), позволяющего повысить производительность рутинного труда операторов на 20 %;

2) на основе полупроводниковых лазеров -в ОАО "Раменский приборостроительный завод" - в составе вертолетного комплекса дистанционного мониторинга атмосферы и поверхности земли (комплекса воздушной химической разведки), обеспечивающего гарантированное, обнаружение зараженных участков поверхности с характерными размерами не менее 10м.

1. Анисимова У.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники / У. Д. Анисимова //М.: Радио и связь, 1984. -216с.

2. Бушнин Ю.Б. и др. Модули формирования наносекундных импульсов с применением интегральных схем /Ю.Б. Бушнин //Приборы и техника эксперимента. 1973.-№4. -С. 140-144.

3. Быков В.Н. Эффективность лазера на эрбиевом стекле с пассивной модуляцией добротности /В.Н. Быков, А.Г. Содовый //Квантовая электроника, 2002. -№3(32). -С. 202-204.

4. Вильнер В.Г. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением /В.Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, E.JI. Рудь //М.: Электроника // Фотоника. -2007. -№6. -С. 22-26.

5. Вильнер В.Г. Метод контроля характеристик объектов подстилающей поверхности с борта летательного аппарата / В.Г. Вильнер,

6. A.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. —Казань: КГЭИ, 2008. -№9-10. -С.134 -137.

7. Вильнер В.Г. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров /В.Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь// М.: Электроника. Наука, технология, бизнес. -2008. -№3. -С. 118-123.

8. В.Г. Вильнер. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога /В.Г. Вильнер //Оптико-механическая промышленность, 1984.-№5.-С. 39-42.

9. Вознюк A.C. Изучение возможности построения малогабаритного лазерного высотомера-дальномера /A.C. Вознюк, Б.В. Кошелев //Пятая международная конференция "Авиация и космонавтика -2006". Тез. докл. М., 2006.-С. 214-215.

10. Волохатюк В.А. Вопросы оптической локации / В.А. Волохатюк,

11. B.М. Кочетков, P.P. Красовский //М.: Советское радио, 1971. -256 с.

12. Гмурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика/ В.Е. Гмурман //М.: Высшая школа, 1977. -480 с.

13. Гурин Е.И. Построение быстродействующих высокоточных преобразователей временных интервалов с использованием ускоренной нониусной интерполяции /Е.И. Гурин //Автометрия. -1999. -№ 3. -С. 57-64.

14. Гурин Е.И. Нониусный измеритель временных интервалов с вычисляемым коэффициентом интерполяции /Е.И. Гурин //Приборы и техника эксперимента. -1998. -№4. С. 82-84.

15. Ермаков Б.А. Получение и обработка информации в импульсных лазерных дальномерах/ Б.А. Ермаков, М.В. Возницкий //Оптический журнал. -1993.-№Ю. -С. 15-32.

16. Ермаков Б.А. Импульсная дальнометрия с оптическими квантовыми генераторами/ Б.А. Ермаков, И.Ф. Балашов, Б.Н. Мотенко // Сб. статей. -Л.: Машиностроение, 1973. -С. 241-255.

17. Зиновьев А.Л. Введение в теорию сигналов и цепей/ А.Л. Зиновьев, Л.И. Филиппов //М.: Высшая школа, 1975. — 264 с.

18. Ищенко Е.Ф. Оптические квантовые генераторы /Е.Ф. Ищенко, Ю.М. Климков//М.: Советское радио, 1968. -472с.

19. Карасик В.Е. Лазерные системы видения /В.Е. Карасик, В.М. Орлов //М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. -352 с.

20. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами /Ю.М. Климков //М.: Советское радио, 1978. -264 с.

21. Клюев Н.Ф. Обнаружение импульсных сигналов с помощью накопителей дискретного действия /Н.Ф. Клюев //М.: Сов. радио, 1963.- 112 с.

22. Ковтун А.К. Принципы построения цифровых преобразователей интервалов времени /А.К. Ковтун, А.Н. Шкуро // Приборы и техника эксперимента. -1973. №1. - С. 7-14.

23. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований /Е.Л. Кринов //АН СССР. -М.,Л.: 1947. -271 с.

24. Лабунский. Лазерный луч точно измерит, точно разметит /Лабунский // Техномир, 2007. -№1 (31). -С. 46-48.

25. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения /Л.П. Лазарев //М.: Машиностроение, 1989. -598 с.

26. Ларюшин А.И. Модифицированное устройство временной привязки импульсного лазерного дальномера для летательных аппаратов /А.И. Ларюшин, В.Г. Вильнер, Е.Л. Рудь //М.: Электроника и электрооборудование транспорта. -2008. -№2. -С. 23-26.

27. Лазерная локация / И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, И.Н. Троицкий и др.//М.: Машиностроение, 1984. -272 с

28. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов / Ю.С. Лезин//М.: Сов. радио, 1969. -448 с.

29. Медведев Е.М. Лазерная локация и аэрофототопография /Е.М. Медведев //Сб. статей М.: Проспект, 2006. - 60 с.

30. Мелешко Е.А. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике /Е.А. Мелешко//М.: Атомиздат, 1977. —192 с.

31. Микаэлян А.Л. Оптические генераторы на твердом теле /А.Л. Микаэлян //М.: Советское радио, 1967. -384 с.

32. Митяшев Б.Н. Определение временного положения импульсов при наличии помех/ Б.Н. Митяшев //М.: Сов. радио, 1962. 120с.

33. Мочалов И.В. Нелинейная оптика лазерного кристалла калий-гадолиниевош вольфрамата, активированного неодимом KGd(WО 4) 2:Ncf+ /И.В. Мочанов //Оптический журнал, 1995. -№11. -С. 4-15.

34. Непогодин И.А. Критерии и метод оценки информативности признаков объектов в задачах лазерной локации /И.А. Непогодин //Оптический журнал.-2007. Том 74, №1-С. 55-64.

35. Непогодин И.А. Оценка информативности признаков объектов в задачах лазерной локации /И.А. Непогодин //Оптический журнал.-2007. Том 74, №3 -С. 33-41.

36. Непогодин И.А. О точности измерения временного положения сигналов методом выделения максимума при квазиоптимальной фильтрации /И.А. Непогодин, М.И. Рубцов, Ф.И. Хайтун// Сб. Реф. по радиоэлектронике — 1968 -22. Реф. 21575.

37. Пат. 2115983, РФ. 1998, Устименко Н.С., Гулин A.B. Импульсный твердотельный лазер с преобразованием длины волны излучения на вынужденном комбинационном рассеянии. —Заявка №97115538. Опубл. 20.07.98. Бюл. №20.

38. Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие /Под ред. Х.-П. Берлиена, Г.Й. Мюллера//М.: Интерэксперт, 1997. -340 с.

39. Рачкулик В.И. Отражательные свойства и состояние растительного покрова/В.И. Рачкулик, М.В. Ситникова //JL: Гидрометеоиздат, 1981.-287с.

40. Решение от 29.05.08 о выдаче патента на изобретение "Устройство временной привязки лазерного дальномера"/ В.Г. Вильнер, И.В. Вильнер, В.Г. Волобуев, E.JI. Рудь, Б.К. Рябокуль. -№2007122012/28(023971) // Заявлено 15.06.2007.

41. Решение от 16.10.08 о выдаче патента на изобретение "Способ лазерного зондирование удаленного объекта"/ В.Г. Вильнер, И.В. Вильнер, В.Г. Волобуев, В.И. Дубинин, К.В. Значко, E.JI. Рудь, Б.К. Рябокуль. -№2007122010/28(023969)// Заявлено 15.06.2007.

42. Росс М. Лазерные приемники /М. Росс //М.: Мир, 1969. -520 с.

43. Самсоненко C.B. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов/C.B. Самсоненко //М.: Воениздат, 1968.-320 с.

44. Сакин И.Л. Инженерная оптика/ И.Л. Сакин ПЛ.: Машиностроение, 1976. -256с.

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

46. Современная радиолокация /под ред. Кобзарева Ю.Б. //М: Советское радио, 1969. -704 с.

47. Техника оптической связи. Фотоприемники / Под ред. У. Тсанг// М.: Мир, 1988. -526 с.

48. В.Т. Тихонов. Примеры и задачи по статистической радиотехнике/ В.Т. Тихонов, А.Г. Журавлев, В.И. Тихонов //М: Сов. радио, 1970. -598 с.

49. Турин Е.И. Построение быстродействующих высокоточных преобразователей временных интервалов с использованием ускоренной косинусной интерполяции /Е.И. Турин // Автометрия.- 1999г №3.-С. 57-64.о I

50. Устименко Н.С. Новые ВКР-лазеры на кристалле KGd(W04)2:Nd с самопреобразованием частоты измерения /Н.С. Устименко, A.B. Гулин // Квантовая электроника, 2002. -№3(32). -С. 229-231.

51. Филачев A.M. Твердотельная фотоэлектроника /A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков //М.: Физматкнига, 2007. -384 с.

52. Хадсон Р. Инфракрасные системы /Р. Хадсон // М.: Мир, 1972.536 с.

53. Ф.И. Хайтун. Дискретное накопление сигнала в лазерных локаторах / Ф.И.Хайгун, Ю.В. Плешанов// Оптический журнал, 1993.- № 10.- С 55-56.

54. Ширман Я.Д. Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров /Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков //М.: Советское радио, 1963. -278 с.

55. Ширман Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех/ЯД. Ширман, В.Н.Манжос//М.: Радио и связь, 1981. -416с.

56. Чернявский А.Ф. Статистические методы анализа случайных сигналов в ядерно-физическом эксперименте /А.Ф Чернявский //М.: Атомиздат, 1974. -254 с.

57. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов/ Ю.Г. Якушенков //М.: Логос, 2004. 472 с.

58. Barr Keith Е. Method for improving the received signal to noise ratio of a laser rangefinder/Barr Keith E. //US Patent No 7184130, Februaiy 27,2007, US CI. 356/4.01, Int. CI. G01C3/08.

59. Coulson K.L. The spectral reflectance of natural surfaces /Coulson K.L., Reynolds S.W. //J. Appl. Met., 1971, vol. 10, №6, p.p 24-28.

60. John Morcom. Optical distance measurement/ John Morcom //US Patent No 6753950, June 22, 2004, US CI. 356/4.01, Int. CI. G01S 17/00; G01S 17/08; G01C 003/08.

61. Lee Seok-Hwan et al. Laser rangefinder and method thereof/ Lee Seok-Hwan et al //Intern. Patent WO 2005/006016, 20.01.2005, Int. CI. GO IS 17/10.

62. M.-C. Amann et al. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement / M.-C. Amann et al //Opt. Eng. January 2001, vol. 40, No l,p.p. 13-14.

63. W. J. Geeraets. Ophthalmol / W. J. Geeraets, E. R. Berry// 1968, Am. J. Ophthalmol. No. 7, p. 15.