Экспериментальная часть. Утверждаю. зав

Утверждаю. зав. каф. РЛ-2

д.т.н. проф. Козинцев В.И.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

 

По курсу: «Оптико-электронные квантовые приборы»

 

 

ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

 

 

Москва 2000г.

 

 

Цель работы. Ознакомиться с принципом действия и конструкцией фазового светодальномера 2СМ2, овладеть методикой измерения дальности и провести практические измерения расстояния до уголкового световозвращателя.

 

В В Е Д Е Н И Е

Успехи, достигнутые квантовой электроникой и современным приборостроением, позволили существенно усовершенствовать средства измерения расстояний, основанные на использовании электромагнитных колебаний оптического диапазона. Современные светодальномеры являются активными оптико-электронными приборами, работа, конструктивные и технические параметры которых зависят не только от оптических, но и от радиотехнических, электронных и автоматических блоков и элементов. Применение лазеров в качестве источника излучения позволило создать более экономичные, портативные, надежные и простые в эксплуатации приборы, а также существенно увеличить дальность действия и снизить потребляемую прибором электрическую мощность. Современные лазерные дальномеры способны измерять расстояние от Земли до Луны с погрешностью не более нескольких метров. С помощью спутниковых лазерных светодальномерных систем можно вести изучение движения земных полюсов с погрешностью 2 см/сут., определять координаты точек земной поверхности и топографию морской поверхности с погрешностью 10 см, измерять резонансные гармоники приливов и отливов. Широко используются лазерные дальномеры в геодезических измерениях расстояний до нескольких километров с погрешностью 1-2 см и углов.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Классификация современных светодальномеров

 

Расстояние S измеряют при помощи светодальномера, определяя время t затраченное световым потоком на прохождение двойного измеряемого расстояния между прямо-передатчиком и отражателем, т.е.

2S = v t (1)

где v – скорость распространения светового потока.

Проходящий с постоянной и известной скоростью вдоль измеряемого расстояния световой поток позволяет свести измерение

		Рис. 1

 

расстояния к измерению времени. По принципу работы светодальномеры делятся на интерференционные и модуляционные.

Интерференционные дальномеры позволяют непосредственно в длинах волн несущих колебаний измерять расстояния до нескольких десятков метров с погрешностью несколько долей микрометра. Их целесообразно использовать при изготовлении и компарировании высокоточных рабочих мер и шкал, а также при высокоточном измерении линейных деформаций инженерных сооружений и установок. Измерение обычно выполняется по схеме ассиметричного двухлучевого интерферометра Майкельсона (рис. 1). Лазерное излучение, выходящее из передающей оптической системы, делится полупрозрачным зеркалом 2 на два: один из них проходит дважды вдоль измеряемого расстояния S (до отражателя 3 и обратно), а другой – до опорного зеркала 1 и обратно. Затем оба потока поступают в приемную оптическую систему, где по результатам их интерференции определяют величину измеряемого расстояния. Результат интерференции зависит от разности фаз несущих колебаний опорного и измерительного световых потоков. Если потоки синфазны, происходит усиление принимаемого суммарного светового потока (светлая полоса), а если они в противофазе, то происходит ослабление светового потока (тёмная полоса). По изменению интенсивности принимаемого светового потока можно вести измерение аналоговым способом в пределах фазового цикла, а использовав счётчики целых фазовых циклов (полос), можно вести дискретно интерференционные измерения в значительных пределах, т.е.

(2)

Где N – число целых фазовых циклов,

∆ - дробная часть фазового цикла.

Современные средства позволяют уверенно оценивать ∆≥ 1/20.

Величина максимального расстояния, измеряемого интерференционными дальномерами, определяются временной когерентностью лазера. Поэтому в качестве излучателей используются лазеры, работающие в одномодовом и одночастотном режимах и одновременно стабилизированные по частоте.

Модуляционные светодальномеры предназначены для измерения расстояний, превышающих несколько метров, и используют модулированный световой поток. Любой модуляционный светодальномер содержит передающую и приёмную оптические системы и измеритель времени.

Использование в качестве источника излучения лазеров позволяет осуществить амплитудную, частотную и фазовую модуляции несущих колебаний. При амплитудной модуляции интенсивность излучения становится переменной, поэтому целесообразно использовать частотную и фазовую модуляцию, при которых интенсивность излучения остается постоянной.

Частотная модуляция основана на изменении параметров оптического резонатора, а фазовая модуляция несущих колебаний осуществляется внешним электрооптическим модулятором. Из-за сущенственно технических трудностей, возникающих при реализации схем модуляционных светодальномеров с частотной и фазовой модуляцией несут эти светодальномеры пока практического применения не получили.

 

1.2. Импульсные светодальномеры

 

В настоящее время в модуляционных светодальномерах в основном применяются модуляции излучения по интенсивности (реже по состоянию поляризации). Эти светодальномеры могут быть импульсными, фазовыми и комбинированными.

В импульсных светодальномерах излучение света производится прерывисти в виде кратковременных импульсов с большой скважностью и определяется время, затраченное световым импульсом на прохождение двойного измеряемого расстояния. Такие импульсы реализуются, как правило, твёрдотельными рубиновыми или неодимовыми лазерами с модуляцией добротности, причём их длительность может достигать несколько пикосекунд.

В качестве устройства для измерения обычно используются быстродействующие счётчики комбинированных временных импульсов (СКВИ). Функциональная схема импульсного дальномера представлена на рис. 2а, а временная диаграмма на рис. 2б.

Рис. 2а

Пер ОС

Q Лазер

Блок накачки

ФД1

Пр ОС

ФД2

ГКВИ

СУ

СКВИ

Передающая оптическая система содержит импульсный лазер с модулированной добротностью и афокальную коллимирующую систему, формирующую узкую диаграмму направленности лазерного излучения. Небольшая часть излучения отделяется полупрозрачной пластиной на быстродействующий фотодетектор ФD₁ , формирующий старт-импульс, который открывает стробирующее устройство СУ. В качестве СУ используется триггерная ячейка или пороговый дискриминатор. От постоянно действующего генератора калиброванных временных импульсов (ГКВИ) через стробирующее устройство на счётчик СКВИ непрерывно поступают калиброванные временные импульсы. Счётчик считает их до тех пор, пока открыто стробирующее устройство, т.е. пока из приёмной системы не поступит электрический сигнал – стоп-импульс, формируемый фотодетектором ФD₂ , который расположен в фокальной плоскости приёмного объектива. Стоп-импульс, соответствующий отражённому импульсу, закрывает стробирующее устройство и
прекратит счёт калиброванных временных импульсов.

Величина измеряемого расстояния определится по формуле

(3)

 

где N – число калиброванных временных импульсов, зарегистрированных счётчиком;

Стоп-импульс

∆_N – дробная часть периода частоты генератора калиброванных временных импульсов;

		Старт-импульс
		t
		t
		ГКВИ
		t
		СКВИ
		t
		Рис. 2б

f_имп – частота следования калиброванных временных импульсов;

n_гр – групповой показатель преломления атмосферы.

Современные счётчики могут обеспечить счёт импульсов, если частота их следования не превышает тысячи мегагерц, т.е. погрешность измерений составляет несколько наносекунд.

Следует отметить, что точность импульсных светодальномеров существенно зависит от крутизны переднего фронта излучаемых и принимаемых световых импульсов. Современные импульсные дальномеры обеспечивают измерение расстояния с минимальной погрешностью порядка 10 см и находят применение в спутниковой геодезии и при топографической съёмке. Существенные преимущества импульсных светодальномеров: простота схемы, быстродействие и эффективные использования источника излучения обусловили их широкое применение в военной технике в качестве танковых, авиационных, артиллерийских дальномеров, а также в системах, предназначенных для быстрого, сравнительно грубого измерения значительных расстояний.

 

1.3. Фазовые светодальномеры

 

В этих светодальномерах излучается гармонически модулированный световой поток и время определяют косвенным способом – сравнением фаз излучаемого и принимаемого световых потоков.

Если в начальный момент времени t₁ фаза излучаемого модулированного по интенсивности с угловой частотой ω потока равна ωt₁, то в момент времени t₂ = t + t она будет равна ωt₂ . Измеренная в момент времени разность фаз Δ будет пропорциональна времени t, затраченному потоком на прохождение двойного измеряемого расстояния, т.е. , а следовательно (4)

Частота модуляции ω выбирается в зависимости от величины допустимой погрешности измерения минимального расстояния и от погрешности определения разности фаз Δ и в практически реализованных приборах составляет 10-1000 МГц. При измерении расстояний светодальномерами действительное значение разности фаз Δ излучемого и принимаемого световых потоков во много раз больше фазового цикла

(5)

где N – число целых фазовых циклов (N = 1,2,3);

Δ - измеряемая разность фаз в пределах фазового цикла.

Чем больше частота модуляции, тем точнее можно измерить расстояние и соответственно возрастает число целых фазовых циклов, которое необходимо определить.

Число N определяют путем изменения модулирующей частоты, следя при этом за изменением разности фаз. Возможны два варианта изменения частоты модуляции: плавное и дискретное. Обычно используется способ измерения расстояния на нескольких фиксированных частотах. Минимальное число частот модуляции 2: основная f₁ и вспомогательная f₂, которая необходима для определения N на основной частоте. Вспомогальная частота меньше основной в Κ раз, т.е.

(6)

где К – коэффициент многозначности, принимаемый равным 100 или 10.

Значение минимальной вспомогательной частоты (при нескольких фиксированных частотах) определяется из условия однозначного измерения максимальной дальности S_мах

(7)

 

т.е. разность фаз Δ , измеренная на частоте , не должна быть больше фазового цикла.

Следовательно величина измеряемого расстояния определяется дважды

(8)

 

где Δ <2 - разность фаз в пределах последнего фазового цикла на частоте f₁

Отсюда

 

Максимальное расстояние, однозначно определяемое с помощью дальномера с тремя масштабными частотами, равно

(9)

Число n вспомогательных частот, необходимое для однозначного определения числа N при заданных значениях S_мах и K , вычисляются по формуле

 

(10)

 

Разность фаз в пределах фазового цикла 2 π может измеряться непосредственно или компенсационным способом.

Функциональная схема фазового дальномера с непосредственным измерением разности фаз Δ излучаемого и принимаемого световых потоков представлена на рис. 3.

Рис. 3

ф

Пр ОС

ФУ

Пер ОС

ГМЧ

Электрический сигнал от генератора модулирующей частоты (ГМЧ) модулирует световой поток лазера и одновременно поступает в фазоизмерительное устройство (ФУ), так что фаза излучаемого светового потока соответствует фазе этого сигнала. От приёмной системы (ПрОС) на другой вход ФУ поступает электрический сигнал, фаза которого соответствует фазе принимаемого светового потока. В качестве ФУ в настоящее время используют цифровые фазометры, в которых при помощи специальных квантующих устройств из синусоидальных электрических сигналов, подаваемых в ФУ, создают импульсы, каждый из которых соответствует определенной фазе светового потока. ФУ в этом случае состоит из генератора калиброванных импульсов, счётчика этих импульсов и триггерной ячейки (подобно измерителю времени в импульсном дальномере). Старт-импульс, соответствующий определенной фазе излучаемого потока открывает триггерную ячейку, счётчик считает калиброванные импульсы, пока стоп-импульс, соответствующий определенной фазе принимаемого светового потока, не закроет ячейку. Погрешность измерения Δ устройством не превышает 0,5^о. Итак схема дальномера с непосредственным отсчётом разности фаз отличается простотой, но малоинерционного фотоэлектрического приёмника. В этом случае приёмник регистрирует мгновенное значение интенсивности ванного, поступающего в приёмную систему светового потока, у которого разность фаз измеряется непосредственно, т.е.

 

 

 

(11)

 

Первое выражение соответствует внешней модуляции излучения по интенсивности, а второе для внутренней модуляции непосредственного в источнике. В этих выражениях Φ_л – мощность лазерного излучения; m – глубина модуляции; - коэффициент пропускания, учитывающий потери лучистой энергии при прохождении потока в приемопередатчике, отражателе и атмосфере.

При измерении разности фаз компенсационным способом приёмник излучения может быть весьма инерционным, например при визуальном приёме, а точность измерения максимальной, за счёт повышения частоты модуляции. Однако в схеме такого дальномера (см. рис. 4) необходимо использовать демодулятор, находящийся в приёмной оптической системе, в качестве которого можно использовать помимо устройства, идентичного модулятора (или самого модулятора), непосредственно фотоэлектрический приёмник излучения (ФЗУ с дополнительным электродом). Кроме того ФУ заменено на фазовращатель (Ф) (например электрическая линия задержки) и добавлен индикатор, позволяющий по среднеинтегральному значению светового потока, прошедшего демодулятор, фиксировать предварительно установленную величину разности фаз излучаемого и принимаемого световых потоков. При помощи фазовращателя создают фазовый сдвиг, который компенсирует величину измеряемой разности фаз.

Измерение разности фаз компенсационным способом осуществляется следующим образом.

На модулятор подаётся электрический сигнал ГМЧ, который проходит фазовращатель. Об изменении разности фаз принимаемого светового потока и электрического сигнала, поступающего на демодулятор судят по изменению интенсивности среднеинтегрального светового потока, прошедшего через демодулятор.

Если глубина модуляции и демодуляции равна 1, то мгновенное значение интенсивности светового потока на входе демодулятора в соответствии с ( ) равно

 

(12)

 

Рассматривая действие демодулятора, как вторичное синхронное и синфазное модулирование интенсивности светового потока, и считая потери в демодуляторе незначительными, мгновенное значение интенсивности ранее модулированного и прошедшего через демодулятор потока представляется в виде

 

 

(13)

 

 

Средне интегральное значение интенсивности за период модулирующей частоты на выходе демодулятора (или электрического сигнала, соответствующего этому потоку) равно

 

(14)

 

т.е. зависит от измеряемой разности фаз.

 

 

Рис. 5

Фср

Фср max

Графически зависимость этого потока от разности фаз Δ приведена на рис. 5.

0 p/2 p 3p/2 2p

Рис. 5

ф

Электрический сигнал с демодулятора следует в индикатор. При фиксации момента, когда разность фаз Δ равна какому-либо определенному значению Δ можно, взяв отсчет по фазовращателю, определить значение Δ . Обычно фиксируют максимальные значения Ф_ср, когда разность фаз Δ = 0, тогда фазовращателем, равен измеряемой величине Δ .

Эффективным способом, позволяющим упростить конструкцию ФУ или Ф и повысить точность его, является измерение разности фаз на более низкой промежуточной частоте. Промежуточная частота значительно меньше модулирующей и обычно не превышает десятков кГц, поэтому уменьшение частоты электрического сигнала методом гетеродинирования позволяет существенно ослабить влияние временных задержек в цепях тракта, на точность измерения разности фаз Δ .

Рис. 6а

ф

Пр ОС

ФУ

ГГ

С1

Пер ОС

ГМЧ

Поскольку ФЭУ с двумя специальными электродами могут выполнять одновременно функции и демодулятора и смесителя, можно построить дальномер по схеме 6а с непосредственным измерением разности фаз или 6в с компенсационным измерением. В этих схемах электрический сигнал соответствующий излучаемому модулированному потоку следует в электронный смеситель С₁, в который подаётся также сигнал с частотой ω_г от гетеродинного генератора ГГ. Одновременно сигнал с ГГ подается и на ФЭУ и гетеродинирование частот осуществляется непосредственно в ФЭУ. В остальном схемы 6а и 6б идентичны схемам 3 и 4 с учётом того,

 

что в схему 6а дополнительно линия оптического замыкания, состоящая из двух полупрозрачных зеркал.

 

 

Источники излучения лазерных дальномером.

При создании фазовых лазерных дальномеров качестве источника

Рис. 6б

И

непрерывного излучения обычно используют Не-Νе лазеры с малым

ф

Пр ОС

Ф

ГГ

С1

Пер ОС

ГМЧ

уровнем шумов и стабильные по частоте и диаграмме направленности ( = 0,6328 мкм).

Использование лазера на СО₂ с длиной волны излучения = 10,6 мкм, несмотря на ряд преимуществ (высокий КПД, большая мощность и т.д.) затруднено из-за отсутствия эффективных фотоприёмников. Другие газовые лазеры или слишком громоздки или требуют жидкостного охлаждения, поэтому их использование пока нецелесообразно.

Импульсные дальномеры строятся на основе твердотельных лазеров (рубин, стекло, АИГ), работающих в режимах свободной генерации или модулированной добротности.

Незначительная инерционность инжекционных источников излучения (полупроводниковых лазеров и светодиодов) ~ 1 не позволяет осуществить внутреннюю модуляцию излучения на частотах порядка до 50 МГц. Особенно перспективны инжекционные светодиоды из ΑsGа, обладающие малыми габаритами стабильностью и долговечностью. В качестве недостатков светодиодов следует отметить низкую силу излучения и значительную фазовую неоднородность модулированного потока.

 

 

Экспериментальная часть

2.1. Изучение конструкции светодальномера 2СМ2

 

Светодальномер предназначен для однозначного измерения

расстояния от 2м до 2км с погрешностью не более 2см. В светодальномере 2СМ2 используется фазовый метод измерения с непосредственным отсчётом разности фаз (схема 6а) на промежуточной частоте. Источником излучения является полупроводниковый светодиод на основе арсенида галия. Длина волны излучения 0,9 мкм.

Для получения требуемой точности и однозначного определения расстояний в светодальномере примена сетка масштабных частот с коэффициентом K ₌ 10:

ƒ₁ = 14985 кГц - основная частота

ƒ₂ = 1498,5 кГц

ƒ₃ = 149,85 кГц - вспомогательные частоты

Промежуточная частота ƒ_пр составляет 0,001 ƒ₁ и равна 14985 Гц.

Напряжение основной частоты ƒ₁ вырабатывается термостатированным кварцевым генератором. Частоты ƒ₂ и ƒ₃ получаются делением частоты ƒ₁ на 10 и 100 соответственно.

 

Частоты гетеродина ниже соответствующих масштабных частот на величину ƒ_пр = 14985 Гц. Задающий генератор гетеродинных частот работает на двух фиксированных частотах ƒ_г1 = 14970,015 кГц и ƒ = = 14835,15 кГц. Частоты ƒ_г2, ƒ_г3, получаются делением ƒ¹_г на 10 и 100 соответственно.

Принцип действия светодальномера поясняется структурной схемой на рис. 7.

 

 

		Рис. 7

 

Модулированное масштабными частотами излучение светодиода направляется приёмопередающей оптической системой на отражатель, отражается назад, проходит через приемопередающую оптическую систему и попадает на ФЭУ. В ФЭУ сигнал детектируется и преобразуется с помощью подаваемого на модулятор ФЭУ напряжения частоты гетеродина в сигнал промежуточной частоты, который далее усиливается согласующим усилителем. Затем сигнал проходит через усилитель электронного блока, схему установки начальных отсчётов, узкополосный фильтр-формирователь и далее в виде последовательности прямоугольных импульсов, соответствующих определённой фазе принятого сигнала, выдается в счётный блок.

Одновременно напряжения генератора масштабных частот и гетеродина подаются на смеситель, на выходе которого образуется опорное напряжение промежуточной частоты. Это напряжение поступает в формирователь и затем в виде последовательности прямоугольных импульсов, соответствующих фазе излучаемого сигнала подаётся в счётный блок. Интервал времени между каждым опорным и следующим за ним во времени сигнальным импульсом пропорционален разности фаз Δ между излучаемым и принятым сигналами, а следовательно и измеряемому расстоянию. Временные интервалы измеряются в счётном блоке методом подсчёта числа импульсов заполнения, укладывающихся в измеряемом интервале.

Частота следования опорных и сигнальных импульсов равна 14985 Гц, импульсов заполнения – 14985 кГц. Схема коммутации режимов работы позволяет измерять расстояния в двух режимах: на каждый из масштабных частот в отдельности и последовательно на трёх частотах с автоматическим разрешением многозначности (режим «Дист»). Для исключения влияния изменяющихся во времени задержек сигнала в тракте фазоизмерительного устройства его калибруют при помощи линии оптического короткого замыкания (режим «ОКЗ»), состоящий из трипельпризмы с линзой, вводимых в оптическую систему для замыкания приемопередающей линии.

Схема установки начальных отсчётом позволяет установить близкие к нулю отсчёты на частотах ƒ₁, ƒ₂, ƒ₃ в режиме ОКЗ, что необходимо для нормальной работы схемы разрешения многозначности счётного блока.

 

Приёмопередатчик

В приёмопередатчике передающая, приёмная и визирная оптические системы совмещены (рис. 8). Для всех трёх систем используется один трёхлинзовый объектив-ахромат 4, при этом центральная часть зрачка обслуживает передающую систему, а

 

периферийная кольцевая зона – приёмную систему. Это достигается использованием наклонного зеркала 5 с центральным отверстием. Совмещение функций передающего и визирного каналов осуществляется дихроичным зеркалом 3, отражающим излучение полупроводникового светодиода 1, прошедшее конденсорную линзу 2, и пропускающим излучение видимо