Оптико-электронные высотомеры и дальномеры

Оптико-электронные высотомеры и  дальномеры

Оптико-электронными высотомерами (альтиметрами) либо дальномерами называют устройства, предназначенные для  измерения высоты носителя над подстилающей поверхностью, либо дальности до объекта  с помощью оптического излучения.

Уникальные свойства лазерного  излучения (узкая диаграмма направленности (порядка десятых долей милирадиан) узкий спектральный диапазон и возможность  получения очень коротких импульсов »10^-12 с.) позволяют осуществлять эффчективную пространственную и спектральную селекцию и обеспечивают высокую точность измерений.

Лазерные высотомеры и дальномеры бывают четырех типов:

1. импульсные;   (используются в КА и ЛА)
2. фазовые;          (используются в КА и ЛА)
3. базовые;          (используются в КА и ЛА)
4. интерференционные: (используются только в лабораториях).

 

Основные типы источников излучения:

• молекулярные либо газовые лазеры на углекислом газе; l=10,6 мкм; работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Мощность от сотен до сотен тысяч Вт;
• полупроводниковые лазеры на арсениде галлия; l=0,84 мкм. Мощность от единиц Вт до нескольких десятков Вт в непрерывном режиме и кВт – в импульсном;
• лазеры на неодимовом стекле; l=1,065 мкм. В импульсном режиме мощность – до сотен МВт (в непрерывном – десятки Вт);
• рубиновые лазеры; l=0,694 мкм. Мощность в импульсном режиме – до сотен МВт.

Импульсные высотомеры

Принцип действия основан на измерении  времени прохождения импульса от носителя до объекта и обратно.

            (1)

       (2)

Н – высота носителя над  подстилающей поверхностью. Определяется по формуле (1), где:

Т – длительность между  выходом начала зондирующего импульса из передаточной системы и возвращением этого импульса в приемную систему.

n – групповой показатель преломления, усредненный по длине трассы

С – скорость света.

Дальность действия импульсных высотомеров ограничена сверху (Н_max) потерями излучения на трассе его распространения, а снизу (Н_min) – засветкой приемного блока обратнорассеянным лазерным излучением. На время длительности зондирующего импульса для предотвращения ослепления фотоприемника (ФП) производится так называемое стробирование ФП (т.е. он отключается). Таким образом, зона нечувствительности опред. формулой (2), где:

t_и – длительность импульса зондирующего излучения.

1 – рубиновый лазер;

2 – призма БР–180;

3 – электропривод;

4 – система управления;

5 – телескопическая  ОС;

6 – приемный объектив;

7 – интерференционный  фильтр;

8 – фотоприемник (ФЕУ);

9 – соединительная  призма;

10 – блок обработки сигнала;

11 – счетное устройство;

12 – индикатор.

Высотомер обеспечивает измерение высот до 16 км с точностью  до 0,5 м.

Рубиновый лазер 1 работает в режиме модулированной добротности, который обеспечивается вращением  призме 2. При этом длительность импульса сост. от 20 до 30 нс. Импульс лазерного излучения распространяется в ОС 5 и при этом его расходимость уменьшается с 20¢ до 1¢. Часть излучения отводится соединительно призмой 9 в приемный блок и включает счетное устройство 11.

Зондирующий импульс, отразившись от подстилающей поверхности, фокусируется объективом 6 на ФП 8. Для увеличения отношения сигнал/шум используют интерференционный светофильтр 7.

Электрический сигнал с  ФП 8 обрабатывается и усиливается  в блоке 10 и подается в блок 11, где отключает счетное устройство.

Результирующее значение высоты отображается на индикаторе 12.

Фазовые высотомеры

Работают на принципе измерения разности фаз между  опорным и отраженным оптическим сигналом. Работают с непрерывным  сигналом, и при этом используется модуляция лазерного излучения в высокочастотном либо в СВЧ диапазонах.

 

Мощность излучения, вышедшего из передающей ОС:

        (3)

где:

m=[0,..,1] – коеф. модуляции  (глубина модуляции);

F_m – масштабная частота;

t – время;

j₀ – начальная фаза сигнала;

 – среднее значение мощности.

Мощность отраженного  сигнала:

        (4)

где:

 – средняя мощность отраженного  сигнала;

t_R – время задержки отраженного излучения;

j_Э – изменение фазы в электронных схемах высотомера;

j_ОТ – изменение фазы при отражении от подстилающей поверхности.

Дальность определяется по формуле 5:

                                            (5)

где:                                        (6)   –   сдвиг фазы за счет дальности.

                                            (7)

Для того чтобы избежать неоднозначности измерений в случае, когда объект находится на расстоянии больше чем период колебания модулированного сигнала, вводится условие однозначности фазовой дальнометрии. Это условие определяется формулой 7.

Фазовый детекторПринцип действия

Лазерное излучение  модулируется в электронно-оптическом модуляторе 2 по амплитуде с частотой 5 Мгц, которая задается генератором 3. Поток зондирующего излучения формируется с ОС 4 и направляется на подстилающую поверхность. Отраженный оптический сигнал попадает в приемную ОС 5, предварительно обрабатывается интерференционным фильтром 6 и фокусируется на фоточувствительную поверхность 8. Т.о. обработка сигнала и выделение информации производится в электронных блоках. Для увеличения точности измерений в блоке 8 происходит понижение частоты сигнала с 5 Мгц до 250 кГц. Для этого используется сигнал гетеродина 9 (частота 5,25 МГц). Усиленный сигнал с частотой 250 кГц подается на сигнальный вход фотодетектора 11. На управляющий вход фотодетектора подается опорное напряжение с модулятора 13. Это напряжение формируется в смесителе 12 (сигнал промежуточной частоты 250 кГц) и фазовом модуляторе 13. В этом модуляторе опорный сигнал модулируется по фазе с частотой 70 Гц, что обеспечивает на выходе фазового детектора 11 переменный сигнал и, соответственно, повышает точность обработки сигнала. Т.о. на выходе фазового детектора 11 присутствует переменный сигнал с частотой 70 Гц, амплитуда которого определяется разностью фаз сигналов опорного и измерительного каналов. Этот сигнал обрабатывается в селективном усилителе 14 и синхронном детекторе 15, преобразуется в усилителе 17 и отображается на индикаторе 18 в виде значения высоты носителя над подстилающей поверхностью.

Базовые высотомеры

 

Работают с непрерывным оптическим излучением на основе измерения угла отраженного излучения относительно заданной оси.

Высота определяется из соотношения:

         (8);

В качестве анализирующего блока используют линейный ПИ.

 

Лазерные измерители скоростей

В оптико-электронном  приборостроении для измерения путевой и воздушной скорости используют лазерные измерители скорости.

Эффект Доплера (1884 г.) заключается в следующем: частота волны, измеренная в системе отсчета источника при взаимном перемещении источника и приемника, отличается от частоты, измеренной в системе отсчета приемника.

Волновое число  

Круговая частота:

                                                     (1)

Формула 1 определяет т.н. доплеровское смещение частот или доплеровскую частоту, т.е. разность между частотой излученной и принятой волны.

Доплеровский сдвиг  частот равен проекции вектора скорости рассеивающей частицы на разностный вектор .

 

Если известна геометрия падающего  и рассеивающего излучения, то можно определить w_d следующим образом:

            (2)

 – волновое число падающего  излучения.

         (3)

               (4)

Измерив доплеровское смещение отраженной от подвижной частицы волны, по формуле 4 можно определить скорость подвижной частицы.

Максимальный доплеровский сдвиг:

                                                         (3¢)

Измерение путевой скорости

Производится за счет измерения доплеровского смещения излучения, отраженного от подстилающей поверхности.

На практике используют 2 метода:

1. измерение доплеровского смещения непосредственно оптического излучения – метод измерения на несущей частоте;
2. измерение доплеровского смещения СВЧ–колебаний, амплитудно модулирующих оптическое излучение – метод измерения на поднесущей частоте.

1 – измерения основаны  на явлении интерференции

Данный метод обеспечивает самую высокую точность, однако его  реализация сопряжена с необходимостью компенсации множества погрешностей и требует высокой стабильности и пространственной когерентности лазерного излучения. Такими параметрами на сегодняшний день обладают газовые лазеры (GeNe и CO₂).

 

 

 

2 – При не очень  высоких требованиях к точности  используют второй метод – измерения на поднесущей частоте.

В отличие от предыдущего  метода, в этом методе обрабатывается не оптический сигнал, а электрический.

Преимущества:

• отсутствие существенных требований к ИИ;
• хорошая проработанность алгоритмов обработки сигнала в радиолокационной технике;
• отсутствие жестких требований по юстировке и стабильности работы оптического тракта.

Недостатки: невысокая  точность.

 

 

 

Измерение воздушных  скоростей

Существует два метода измерения воздушной скорости и  соответственно две схемы измерения:

• измерение с опорным пучком;
• дифференциальное измерение.

Схема измерителя скорости с опорным пучком

Лазерное излучение  разделяется на светоделителе 1 на зондирующий  и опорный пучки. Зондирующий  пучок проходит через измерительный объем 2 и затем попадает в интерферометр 3. Опорный пучок от зеркал 5 также попадает в интерферометр 3. Диафрагма вырезает из общего излучения часть рассеянного излучения зондирующего пучка. В плоскости ПИ 4 наблюдается интерференционное изображение, характер которого определяется доплеровским смещением двух излучений. На доплеровское излучение влияет геометрия падающего пучка и геометрия рассеянного пучка .

Недостатки: необходимость частой юстировки интерферометра.

Схема дифференциального  измерителя скорости

В отличие от схемы  с опорным пучком в дифференциальной схеме интерферируют излучения, прошедшие через измерительный  объем. При этом в каждом канале будет  наблюдаться доплеровское смещение:

                                     (5)

При сложении излучений  доплеровские излучения суммируются.

Т.к. то:                      (6)

w_d определяет общий доплеровский сдвиг.

Таким образом, в дифференциальной схеме результирующее доплеровское смещение определяется лишь геометрией падающего излучения.

Инвертированная дифференциальная схема

Измерительный объем  освещается узким лазерным пучком.На измерительном объеме излучение  рассеивается. Часть излучения после конденсора 3 вырезается диафрагмой 4. В результате интерференции двух рассеянных компонент излучения, формируется интерференционное изображ..

Тема: Оптические акселерометры

Акселерометр – устройство, предназначенное для измерения  ускорений приобретаемых подвижными объектами под воздействием сил негравитационного происхождения.

Достоинства оптических акселерометров:

• широкий динамический диапазон;
• возможность получения выходного сигнала в частотной форме;
• большой масштабный коэффициент.

Акселерометры делятся на два класса:

1. Баллистические;
2. Силовые

Баллистические акселерометры основаны на измерении деформации траекторий движения свободных тел, потоков частиц, струй газов, жидкостей и т.д.

Недостатки баллистических методов: сложность обеспечения равномерного истечения рабочего тела.

Силовые акселерометры основаны на измерении смещения опорных тел кинематически связанных с подвижными объектами.

Оптические акселерометры основаны на измерении изменений оптических свойств сред под воздействием ускорения. Среды могут быть в любом агрегатном состоянии.

Наибольшее распространение  получили акселерометры, использующие явление фотоупругости. Явление, сопровождающееся двулучепреломлением под воздействием механической деформации.                              (1)

k – коэффициент, зависящий от характеристик материала;

n_о – показатель преломления для обыкновенного луча;

U – одномерная механическая деформация.

Схема аналогового оптического  акселерометра

 

На чувствительный элемент, представляющий собой фазовую пластинку  с оптической осью О¢О¢, воздействует сейсмическая масса m. В зависимости от направления вектора ускорения сейсмическая масса сжимает либо растягивает фотоупругий элемент. При этом в нем возникает механическое напряжение:                                                  (2)

m – масса;

a – модуль ускорения;

S – площадь контакта сейсмической массы с фотоупругим элементом.

Если на фотоупругий  элемент падает излучение, то на выходе формируются два ортогонально поляризованных излучения (Е_е и Е_о), причем разность фаз этих излучений определяется по формуле:

                             (3)

где: d – длинна хода излучения (геометрическая) в фотоупругом элементе.

В случае изотропной среды  формула 3 запишется в следующем  виде:

                         (4)

Dp – разностный пьезооптический коэффициент материала.

На выходе системы установлен поляризатор, после которого обыкновенный и необыкновенный лучи интерферируют.

Интенсивность проинтерферировавшего  излучения:

                                (5)

где I_о – интенсивность естественного падающего света.