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

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 f_D 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  f_D=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 f_п = 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,  (U_со – амплитуда усиленного отражённого сигнала). Это напряжение U_п 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 f_D и диапазон её изменения. Измерение частоты при помощи ЭСЧ даёт методическую погрешность 1 Гц. Погрешность измерения расстояния, обусловленная погрешностью Df_D измерения частоты с учётом (1),

               (3)

Допуская что,  находим

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

Пусть имеются две регулярные последовательности импульсов частоты которых f₀ и f_D  и длительности импульсов t₀ = t_D = t << T₀ < T_ц. 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 f_D 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 f_D, 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