Усовершенствование частотно-импульсных дальномеров путём использования полупроводниковых лазеров и схемных изменений

Страницы работы

Содержание работы

УДК 621.396.969.11, 528.414, 620.1.088

ЧАСТОТНО–ИМПУЛЬСНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

В.В. Тырса, доцент, к. т. н.,   ХГАДТУ

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

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

Введение

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

                                                      (1)

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

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

ЧИД с удлинённым циклом переизмерения

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

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

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

Рис. 1. Функциональная схема ЧИД с удлинённым

             циклом переизмерения

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

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

                   (2)

Для нашего примера

Частота циклов .

Пути снижения методических погрешностей

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

               (3)

Допуская что,  находим

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

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

                          .                    (4)

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

                                                      (5)

где   - коды, зафиксированные в счётчиках.

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

Похожие материалы

Информация о работе