НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

БРАГИНЕЦЬ ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 621.317.087.92:531.719.24

АДАПТИВНІ ЕЛЕКТРОННІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДЛЯ ВИСОКОТОЧНИХ ІМПУЛЬСНИХ ТА ФАЗОВИХ

ЛАЗЕРНИХ ДАЛЕКОМІРІВ

Спеціальність 05.11.05 – Прилади та методи вимірювання електричних

та магнітних величин

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі електричних та магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник– | доктор технічних наук, професор Ніженський Анатолій Данилович, Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник відділу електричних та магнітних вимірювань.

Офіційні опоненти– | доктор технічних наук, професор Кадук Борис Григорович, Національний науково-дослідний центр оборонних технологій і воєнної безпеки України Міноборони України, головний науковий співробітник;–

доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Київський національний університет технологій та дизайну МОН України, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних систем.

Повідна установа– | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" (кафедра автоматизації експеримен-тальних досліджень) МОН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться " 22 " березня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.02 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56).

Автореферат розіслано " 18 " лютого 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Тесик Ю.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лазерні технології є критично важливими для багатьох галузей економіки. Без широкого використання лазерної техніки і лазерного обладнання жодна країна не може мати систему телекомунікацій, промисловість, медичне обслуговування населення і багато чого іншого, яка б відповідала сьогоднішнім міжнародним нормам. Не менше значення для сучасної економіки має застосування лазерів в обробці матеріалів (при різанні, свердлінні, зварюванні та ін.), у космічній техніці, геодезії, будівництві, а також при створенні спецтехніки (лазерні далекоміри, приціли, гіроскопи та ін.).

Високоточні лазерні вимірювачі відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів знаходять широке застосування в системах автоматизації вимірювань і контролю параметрів технологічних процесів у металургії, машинобудуванні, гірничодобувній та інших областях промисловості. У ряді випадків такі прилади поряд з високою точністю вимірювань повинні мати високу швидкодію. Так, наприклад, у металургійній промисловості існує задача безконтактного контролю форми внутрішньої поверхні конверторів і ковшів. Наявність такого контролю значно зменшує імовірність аварійних ситуацій і фінансові витрати, пов'язані з передчасною зупинкою печі на ремонт. Ці вимірювання з бажаною ефективністю можуть бути виконані за допомогою високоточних і швидкодіючих лазерних вимірювачів відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів. Такі прилади випускаються закордонними фірмами. Серед них можна виділити Leica Disto Classic (лазерна рулетка, вимірювані відстані 0,2...30 м з похибкою – 3...5 мм, час вимірювання – 0,5...4 с) виробництва Швейцарія, LaCam-систему для вимірювань зносу футерівки в металургійних конвертерах і транспортних ковшах (дальність – 2...20 м, похибка вимірювання – 5 мм, час вимірювання – 20 с) німецької фірми Ferrotron Technologies з імпульсним лазерним далекоміром і вимірювальна система IMS 1600 (дальність – 50 м, похибка вимірювання – 5 мм, час вимірювання – 3...10 с) шведської фірми Geotronics з фазовим лазерним далекоміром.

Перспективним є використання лазерних вимірювачів відстані в якості органів технічного зору в прохідницьких і вугільних комбайнах. Це дозволяє підвищити надійність систем контролю місця розташування прохідницьких і вуглевидобувних машин і механізмів. Таким чином, створення сучасних вимірювальних оптоелектронних засобів для систем контролю і керування обладнанням є досить актуальною задачею. Якщо у вищезгаданих сферах застосування лазерних далекомірів відстані не перевищують 30 м, що дозволяє використовувати фазові далекоміри, то в останньому випадку максимальні відстані можуть досягати 200...300 м. Ця обставина припускає використання імпульсних лазерних далекомірів з досить високими метрологічними характеристиками, як, наприклад, імпульсний далекомір швейцарського виробництва Leica DI3000S/ DIOR3002S, що дозволяє вимірювати відстані до 300 м з похибкою 5...10 мм, час вимірювання – 3,5 с.

В Україні високоточні і швидкодіючі лазерні далекоміри, призначені для вимірювання відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів, серійно не випускаються, хоча потреба в них є. Використання закордонних приладів аналогічного призначення вимагає значних фінансових витрат (вартість згаданих приладів складає від 1,5 тис. до декількох десятків тисяч доларів).

Створення високоточних і швидкодіючих електронних вимірювальних перетворювачів для лазерних далекомірів представляє складну технічну задачу, оскільки має місце значна кількість дестабілізуючих факторів, що обмежують метрологічні характеристики таких приладів (низьке відношення сигнал/шум, широкий динамічний діапазон зміни амплітуди сигналу і її короткочасна нестабільність та інші). Рішення цієї задачі потребує застосування методів і засобів оптимальної фільтрації і створення систем корекції специфічних похибок цих пристроїв. Показником якості розроблювальних систем корекції, з огляду на їхню складність і велике число складових похибки вимірювання, виступає відношення середньоквадратичних значень випадкових похибок при відсутності коригувального впливу і при його введенні (при високій ефективності корекції систематичних похибок). В ідеальному випадку цей показник дорівнює одиниці. Такий підхід є характерним для адаптивних систем, в яких штучно створюється ефект пристосування до умов, що змінюються. Це має місце у вимірювальних самокорегованих системах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційних досліджень пов'язаний з загальним напрямком наукової праці відділу електричних і магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України, а також з науково-дослідними роботами по темах: "Тріада" – "Розробити принципи побудови і створити мультиплексорні вимірювальні системи контролю і діагностики стану енергетичних об'єктів на основі електромагнітних, акустичних і оптоелектронних датчиків" (№ ДР 0197U013529), роль автора при виконанні НДР полягає в технічній підготовці і проведенні експериментальних досліджень, обробці й узагальненні результатів досліджень, оформленні звітної документації; "Метрологія" – "Розробка наукових основ незалежної метрологічної бази України в області електричних і магнітних вимірювань і проведення відповідних теоретичних і експериментальних досліджень" (№ ДР 0198U007502), роль автора при виконанні НДР полягає в аналізі похибок розроблювального пристрою, оформленні звітної документації; "Метрономика" – "Методи підвищення точності і швидкодії електромагнітних, оптоелектронних і віброакустичних перетворювачів і створення на цій основі базових засобів контролю і діагностики промислових об'єктів" (№ ДР 0102U000404), роль автора при виконанні НДР полягає в розробці планів і методик досліджень, оформленні документації.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів підвищення точності і швидкодії електронних вимірювальних перетворювачів для імпульсних і фазових лазерних далекомірів.

Для досягнення мети були поставлені і вирішені такі задачі:

- аналіз впливу шумів на роботу схем фіксації часового положення імпульсів (ФЧПІ);

- синтез оптимального фільтру для сигналу заданої форми і вибір оптимальних значень параметрів фільтра, що фізично реалізується, в процесі моделювання;

- аналіз систем корекції похибок, обумовлених нестабільністю амплітуди і тривалості фронту досліджуваного сигналу;

- розробка високоточних перетворювачів час-амплітуда імпульсу-код;

- оптимальний вибір частот модуляції у фазових світлодалекомірах;

- оптимізація алгоритму оцінки дійсної дальності за критерієм максимально припустимої похибки.

Об'єктом дослідження є імпульсні і фазові лазерні далекоміри.

Предмет дослідження – методи побудови електровимірювальних перетворювачів для лазерних далекомірів, оптимальних по швидкодії і точності, аналіз специфічних похибок розроблювальних пристроїв.

Методи дослідження, які було використано для вирішення поставлених задач: теорія похибок вимірювань (обробка результатів експериментів); спектрально-кореляційна теорія стаціонарних випадкових процесів; елементи теорії систем автоматичного керування; теорія оптимальної фільтрації; методи чисельного моделювання з використанням персональних ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в:

- створенні самокорегуючих перетворювачів часових інтервалів в амплітуду напруги і код (ПЧН) з використанням калібрування при трьох значеннях еталонного часового інтервалу з наступним застосуванням ітераційної системи на основі опорного сигналу, частота якого визначається значенням вимірюваного часового інтервалу;

- синтезі оптимального фільтра для схем ФЧПІ при експоненціальному характері вхідного процесу й оцінці результуючої характеристики перетворення пристрою з урахуванням визначення імовірності викидів суми вхідного сигналу і шуму;

- розробці оптимальних по точності і швидкодії двопорогових схем корекції похибок, обумовлених нестабільністю амплітуди і форми вхідного сигналу, й оцінці динамічних властивостей пристроїв, що пропонуються;

- уперше запропоновані структури самокорегуючих лазерних імпульсних вимірювачів відстаней, у яких відсутність електромеханічних ланок, що здійснюють "оптичне коротке замикання", сприяє підвищенню точності і надійності пристрою;

- створенні завадостійких електронних вимірювальних перетворювачів часових інтервалів у код для імпульсних лазерних далекомірів, орієнтованих на вимірювання великих відстаней (400...1000) м до дифузно-відбиваючих об'єктів;

- розробці оптимального алгоритму оцінки істинної дальності з урахуванням похибок вимірювання фазових зсувів і нестабільності частоти генератора модулюючої напруги;

- розробці систем корекції систематичних похибок, обумовлених впливом гармонійної завади у фазових вимірювачах відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів, застосування яких практично не збільшує випадкову похибку.

Практичне значення одержаних результатів.

1.

2.

3.

4.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень електронних перетворювачів для фазових далекомірів, а також алгоритми і програми оцінки істинної дальності були передані ЦКБ "Арсенал" (м. Київ) і використані при створенні малогабаритного фазового світлодалекоміра. Максимальна вимірювана дальність Lmax = 5000 м, адитивна похибка вимірювання відстані L 5 мм. Відповідний акт впровадження приведений у додатку до дисертації.

Результати досліджень фотоприйомних пристроїв і аналізу перетворювальних процесів у схемах імпульсних оптичних далекомірів були передані в ДНВП "Спецавтоматика" (м. Київ) і використані при розробці вимірювача висоти нижньої границі хмар "ПРОМІНЬ" за замовленням Державної гідрометеорологічної служби.

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить: моделювання вирішення рівняння неоднозначності на ЕОМ і розробка алгоритму оцінки дійсної дальності [1]; аналіз похибок перетворювача часових інтервалів у код [2]; розробка алгоритму корекції похибок перетворювача часових інтервалів [3]; моделювання на ЕОМ процесів перетворювання в фазозапам'ятовуючому пристрої на основі L-C-контура [4]; аналіз похибок і розробка структурної схеми вхідного пристрою вимірювача відстані [5]; розробка структурної схеми каналу корекції похибок в імпульсному далекомірі, моделювання перетворювальних процесів у фіксаторі часових інтервалів [7].

Апробація результатів дисертації відбулася на:

- VI Міжнародній конференції "Проблеми сучасної електротехніки ПСЭ-2000" (м. Київ, червень 2000 р.);

- VII Міжнародній конференції "Проблеми сучасної електротехніки ПСЭ-2002" (м. Київ, червень 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей у фахових наукових виданнях України, з них одна без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, основної частини з чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і 1 додатку. Повний обсяг дисертації – 180 сторінок, з яких основний зміст викладено на 156 сторінках друкованого тексту, містить 42 рисунки та 2 таблиці. Список використаних джерел становить 66 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету досліджень. Також охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ присвячено огляду методів побудови імпульсних і фазових лазерних далекомірів і порівняльному аналізу засобів реалізації і технічних характеристик електронних вимірювачів інформативних параметрів електричних сигналів на виході фотоприймачів (ФП) цих пристроїв – часу запізнення імпульсних сигналів і фазових зсувів.

При побудові вимірювальних перетворювачів для імпульсних лазерних далекомірів крім згаданих раніше умов вимірювання, необхідно враховувати коротку тривалість вимірюваних імпульсів (близько 100...200 нс) та нестабільність форми досліджуваного процесу, що обумовлено просторово-часовою неоднорідністю лазерного випромінювання. При цьому похибка вимірювання часових інтервалів не повинна перевищувати десяті-соті долі наносекунди.

Коротка тривалість досліджуваних імпульсів вимагає створення широкосмугових вимірювальних перетворювачів, що мають малу нелінійність характеристики перетворення. Крім того, в цьому випадку ускладнюється створення ФЧПІ і вимірювачів часових інтервалів високої точності. Низьке відношення сигнал/шум може приводити до повторних спрацьовувань ФЧПІ.

Визначення часу запізнювання імпульсних сигналів з високою точністю складається з двох етапів – фіксації моменту вимірювання і вимірювання сформованого часового інтервалу.

При вимірюванні з високою точністю коротких часових інтервалів найбільш придатним є комбінований метод. Сутність такого методу полягає в тому, що крім цілого числа періодів N рахункових імпульсів, що заповнюють часовий інтервал Т між опорним і вимірювальним імпульсами, враховуються інтервали невизначеності Т1 між опорним і першим рахунковим імпульсом і Т2 між останнім рахунковим і вимірювальним імпульсами:

Т = Т1 + NТ0 – Т2, (1)

де Т0 – період проходження рахункових імпульсів.

Для вимірювання інтервалів невизначеності найчастіше використовують аналоговий метод, заснований на накопичуванні протягом вимірюваного інтервалу заряду на конденсаторі і наступному визначенні напруги на ньому шляхом безпосереднього вимірювання або вимірюванні часу повільного розряду.

Не менш важливим є етап фіксації моменту вимірювання.

При фіксації часового положення імпульсного сигналу використовують кілька способів. Найбільш розповсюдженими є способи постійного порога, перетинання нуля і стежачого порога. Останній вважається найбільш досконалим при вирішенні задачі широкодіапазонної прив'язки. При цьому поріг спрацьовування компаратора для кожного вхідного імпульсу встановлюється індивідуально відповідно до його амплітуди. Даний метод дозволяє здійснити прив'язку до тієї частини вхідного імпульсу, що з найбільшою статистичною точністю надає час виникнення досліджуваної події. Схема ФЧПІ із стежачим порогом при порівняно малій зміні амплітуди досліджуваного сигналу щодо амплітуди, прийнятої за номінальну, має досить високі метрологічні характеристики. Однак при великий зміні рівня вхідного сигналу починає виявлятися похибка, обумовлена кінцевим значенням порога спрацьовування компаратора, що входить до складу фіксатора. Для зменшення даної похибки застосовують високоточні атенюатори для встановлення амплітуди або двопорогові схеми ФЧПІ. До того ж останні дозволяють компенсувати похибку вимірювання, пов'язану зі зміною форми сигналу.

В відомих одноканальних пристроях, де двопороговий режим роботи забезпечується за рахунок комутації в два такти включених на вході пристрою фільтрів нижніх частот (ФНЧ) з різними постійними часу (що еквівалентно різним порогам спрацьовування пристрою), виробляється корегуюча дія, за допомогою якої коректується похибка вимірювання, обумовлена зміною амплітуди і тривалості фронту досліджуваного сигналу. Разом з тим, введення коригувального впливу вносить у результат вимірювання часового інтервалу додаткову випадкову похибку внаслідок різночасового процесу порівняння. Тому доцільним є подальше проведення досліджень двопорогових схем ФЧПІ, спрямованих на зменшення випадкової похибки, обумовленої введенням коригувального впливу.

Складність розробки електронних вимірювальних перетворювачів для високоточних лазерних далекомірів, що використовують фазовий метод вимірювання відстані, окрім вже згаданих, обумовлена ще і тим, що внаслідок наявності великої кратності перетворень частоти на результати вимірювань впливає короткочасна нестабільність частоти генератора модулюючих коливань і гетеродина. Має також місце короткочасна нестабільність амплітуди вимірюваного сигналу, обумовлена турбулентністю атмосфери уздовж траси променя лазерного випромінювання.

Слід відмітити, що на результати вимірювання відстані впливає фазова неоднорідність модульованого випромінювання напівпровідникового лазера, амплітудно-фазова похибка ФП і неоднорідність його активної поверхні.

При вимірюванні відстані до дифузно-відбиваючих поверхонь на результати вимірювань істотно впливає гармонічна завада з частотою, рівною проміжної частоті сигналу, яка обумовлена паразитним відбиттям світла від конструктивних елементів оптичної схеми і паразитним електричним взаємозв'язком між вимірювальним і опорним каналом. У зв'язку з цим виникає необхідність вимірювати, а потім враховувати її вплив на остаточний результат.

При низькому відношенні сигнал/завада доцільним є використання оптимальних фазометрів, які ґрунтуються на принципі вимірювання квадратурних складових вимірюваного сигналу щодо опорного. При цьому на результатах вимірювання менше позначається нестабільність частоти досліджуваного сигналу.

В роботі оцінено енергетичні характеристики імпульсних і фазових вимірювачів відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів (в тому числі і нагрітих), завадостійкість яких визначається, в основному, впливом дробових шумів. Встановлено, що при одному і тому ж значенні середньої потужності оптичного випромінювання в імпульсних системах має місце значний виграш по завадостійкості, але останні значно поступаються фазовим по точності. Тому підвищення точності імпульсних далекомірів і розробка електронних перетворювачів для них залишається актуальною задачею.

В другому розділі виконано теоретичний аналіз перетворювальних процесів у схемах ФЧПІ, розраховані параметри ФНЧ, динамічні властивості яких мало відрізняються від характеристик оптимального фільтра при експоненціальній формі вхідного сигналу і широкосмуговій заваді типу "білий" шум.

На виході ФП імпульсного випромінювання має місце низьке відношення сигнал/шум, тому представляється доцільним застосування методів і засобів оптимальної фільтрації. У цьому випадку на виході фільтрів у момент вимірювання одержують максимальне відношення сигнал/шум.

Вихідний сигнал ФП, що надходить через підсилювач на схему ФЧПІ, можна представити у виді експоненти з еквівалентною постійною часу е. Для такої форми сигналу була визначена структура оптимального фільтра, коефіцієнт передачі якого у комплексному виді можна записати

, (2)

де В – коефіцієнт, що має розмірність, зворотну спектральній характеристиці сигналу і не впливає на характер перетворювального процесу у фільтрі; Um – амплітудне значення вхідного сигналу; .

На практиці реалізувати оптимальний фільтр з передаточною характеристикою (2) у діапазоні малих тривалостей сигналу є складною задачею. До того ж, визначення часового положення імпульсу відноситься до нелінійних оцінок. Тому після лінійного оптимального фільтра рекомендується використовувати квадратор, що в умовах малої тривалості досліджуваного процесу важко реалізувати. На комп'ютері проводилося моделювання вихідного сигналу оптимального фільтра, синтезованого при різних значеннях часу вимірювання вим, а результат порівнювався з вихідними сигналами відомих ланок, наприклад, RC-фільтрів 1-го, 2-го і 4-го порядків (рис. 1). Найбільш близьким до оптимального, у даному випадку, можна вважати RC-фільтр нижніх частот четвертого порядку. Час вимірювання вихідного сигналу фільтрів різних порядків вибирався виходячи з максимального значення її похідної.

Рис. 1. Вихідний сигнал фільтрів: 1 – 1-го порядку; 2 – оптимального в момент ви-мірювання вим = е; 3 – 2-го порядки; 4 – оптимального в момент вимірювання вим = 1,2е; 5 – 4-го порядку; 6 – оптимального в момент вимірювання вим = 1,7е.

При низькому відношенні сигнал/шум () у схемах ФЧПІ можливі викиди випадкового процесу, що приводять до повторних спрацьовувань компаратора. Тому була оцінена ймовірність появи цих викидів при різних значеннях для різних фільтрів. На підставі проведеного аналізу встановлено, що припустиме значення для ФНЧ 2-го порядку складає 14, у той час як для 1-го порядку = 40. При використанні в схемах фіксації фільтрів четвертого порядку припустиме відношення сигнал/шум складає 10. Тому більш доцільним усе-таки є використання фільтрів другого або четвертого порядку в схемах ФЧПІ через більшу завадостійкість останніх.

На точність фіксації часового положення імпульсу крім шумів, впливає похибка, обумовлена кінцевим значенням порога спрацьовування компаратора, яка виникає при нестабільності амплітуди і форми вхідного сигналу. Оскільки невідомо, чим може бути викликана дана похибка в конкретний момент часу, бажано, щоб корекція дозволяла одночасно врахувати обидва фактори. При цьому корекція не повинна вносити додаткових похибок.

Розглянемо можливість введення такого коригувального впливу.

На рис. 2 показана запропонована автором двопорогова схема ФЧПІ із стежачим порогом з корекцією похибок, викликаних зміною амплітуди і форми прийнятого сигналу.

Рис. 2. Двопорогова схема ФЧПІ

В світлодалекомірах для зменшення впливу на точність вимірювань нестабільності параметрів передавального й прийомного оптичних каналів приладу використовують два режими роботи: режим оптичного "короткого замикання" (оптичне калібрування) і режим вимірюваної дальності. При цьому часовий інтервал, що визначає корегуючу дію, оцінюється за результатами вимірювань часових інтервалів (рис. 2) у зазначених режимах по формулі:

р = вим – к, (3)

де р – різницевий часовий інтервал; вим, к – часові інтервали, що відповідають режимам вимірювання дальності й оптичного калібрування.

В результаті аналізу встановлено, що тривалість різницевого імпульсу на виході тригера Т, коли має місце зміна амплітуди досліджуваного сигналу при кінцевому значенні порога чутливості компаратора, остаточно можна записати у вигляді

р = (2 – 1)(n – 1), (4)

де 1 і 2 – прирощення часових інтервалів 1 і 2, які відповідають істинним моментам фіксації часового положення імпульсів компараторами К2 і К3; n – коефіцієнт, що враховує відносну зміну амплітуди сигналу в режимі вимірювання і калібрування.

В свою чергу 1 = Uк/S1; 2 = Uк/S2, де S1 і S2 – значення крутизни фронту сигналів U''K2(t) и U''K3(t) відповідно (рис. 3а).

Підставивши вирази для 1 і 2 в (4) і виконавши деякі перетворення можна оцінити похибку вимірювання часового інтервалу, яка виникає при зміні амплітуди досліджуваного сигналу і ввести в результат вимірювання часового інтервалу обчислений коригувальний вплив

кор(А) = kк р, (5)

де kк – коефіцієнт корекції, kк = S2/(S1-S2).

Рис. 3. Діаграми зміни напруги на входах компараторів К2 і К3

Якщо має місце зміна форми прийнятого з дистанції сигналу, яка в свою чергу пов'язана із зміною постійної часу е на величину е (рис. 3б), то різницевий часовий інтервал можна представити у вигляді:

р = 4 – 3, (6)

де 3 і 4 – часові інтервали, обумовлені зміною постійної часу е.

У відповідності до рис. 3б: 3 = U1/S1; 4 = U2/S2, де U1, U2 – прирощення напруг U''K2(t) і U''K3(t), обумовлені зміною е, які в свою чергу рівні:

; .

Підставивши 3 і 4, а відповідно U1 і U2 в (6), отримаємо

.

В роботі показано, що при рівності часткових похідних, для корекції результату вимірювання часового інтервалу при зміні форми сигналу, що приймається з дистанції, необхідно ввести корегуючу дію

кор(Ф) = kкр, (7)

де kк – коефіцієнт корекції, який було визначено раніше.

При моделюванні були визначені параметри схеми ФЧПІ, при яких виконується рівність часткових похідних, а саме: знайдено постійні часу фільтрів нижніх частот і коефіцієнти ділення подільників напруги, від яких залежить пороги спрацьовування.

Порівнявши вирази (5) і (7) видно, що їхні праві частини ідентичні. Звідси можна зробити висновок, що розроблена схема фіксатора часового положення імпульсів дозволяє здійснювати одночасну корекцію похибок вимірювання часових інтервалів, викликаних як зміною амплітуди, так і зміною форми прийнятого сигналу.

Було оцінено середньоквадратичне значення випадкової похибки запропонованої системи корекції з урахуванням взаємної кореляційної функції випадкових сигналів Uвип.1 і Uвип.2 на входах компараторів К2 і К3, що має вигляд

,

де N0 – спектральна щільність шуму на вході ФЧПІ; ф1, ф2 – постійні часу фільтрів ФНЧ2 і ФНЧ4 відповідно (рис. 2); z – порядок фільтрів, z = 2 або 4.

Результати оцінки показали, що застосування зазначеної системи корекції в порівнянні з відомими схемами, дозволяє підвищити завадостійкість фіксатору часового інтервалу в 2 рази.

Згідно з поставленими задачами розроблено перетворювач часу в амплітуду напруги, в якому реалізовано комбінований метод вимірювання часових інтервалів (1). Визначення коротких інтервалів невизначеності Т1 і Т2 здійснюється за рахунок вимірювання напруги Ux, до якої зарядиться конденсатор за цей час. Додатково виміряються напруги U(T0) і U(2T0), пропорційні каліброваним часовим інтервалам Т0 і 2Т0. Обчислення інтервалу Т1 або Т2 здійснюється відповідно до виразу . В цьому разі похибка вимірювання Т1(2) не перевищує 0,55 нс в діапазоні значень 100…200 нс, і в одиницях довжини відповідає 83 мм. Застосування запропонованої нами системи корекції похибки із-за нелінійності передаточної характеристики пристрою, обумовленою залежністю коефіцієнта підсилювання транзисторної схеми формування струму заряду конденсатора від значення напруги емітер-колектор, дозволяє знизити цю похибку до 17,5 мм.

Додаткове використання ітераційної системи на основі опорного сигналу, частота якого визначається тривалістю вимірюваного імпульсу, дозволяє зменшити похибку перетворювача до 1,8 мм. За допомогою генератора, що перестроюється, встановлюється період ТПГ ТХ, який з високою точністю вимірюється за допомогою частотоміра, а також розробленим пристроєм. Мікропроцесорна система порівнює отримані результати вимірювань і оцінює їх різницю. Застосування запропонованої системи практично не приводить до збільшення часу вимірювання, оскільки процес вимірювання має місце при високому відношенні сигнал/шум.

В третьому розділі описуються функціональні схеми імпульсних лазерних далекомірів, побудованих з урахуванням розроблених перетворювачів, розглянуті рекомендації автора по їх конкретній реалізації і програмному забезпеченні.

Рис. 4. Схема імпульсного далекоміра

Розглянуті раніше схеми ФЧПІ і ПЧН використовуються в запропонованому високоточному імпульсному далекомірі з додатковим лазерним імпульсним випромінювачем ЛВ2 (рис. 4) із світловодами С1…С3. Це дозволяє автоматично враховувати вплив зовнішнього підсвічування, наприклад, при вимірюванні відстані до нагрітих об'єктів. У цьому випадку часова затримка між опорним і вимірювальним каналами визначається в однакових умовах, що в результаті приводить до підвищення точності визначення відстані.

Результати вимірювань відстані виявляються залежними від зміни часової затримки між опорним імпульсом і імпульсом "старт". Остання може досягати з 300…400 нс, а її нестабільність обумовлена відносно великими струмами, що протікають через напівпровідниковий лазерний випромінювач і приводять до його перегріву. Корекція цієї похибки передбачає визначення напіврізниці між двома значення часової затримки з, в двох наступних вимірюваннях в режимі "оптичного" короткого замикання. Проведені експериментальні дослідження підтвердили ефективність запропонованої системи корекції похибок.

Для управління роботою приладу розроблено блок керування з використанням оперативного запам'ятовуючого пристрою, що дало можливість однозначного визначення числа імпульсів в режимі вимірювання "грубо" та дозволило спростити структуру пристрою в цілому.

З урахуванням похибок розроблених схем ФЧПІ і ПЧН було оцінено сумарну похибку вимірювача відстані, яка становить 5,5 мм. Приведені рекомендації щодо подальшого зменшення цієї похибки.

При низьких відношеннях сигнал/шум ( 14), що має місце при вимірюванні великих відстаней (L 1 км), пропонується використовувати завадостійкий імпульсний далекомір, заснований на застосуванні фазозапам'ятовуючої вибіркової L-C-системи, вихідна напруга якої виміряється швидкодіючим АЦП.

Проведено аналіз специфічних похибок приладу, обумовлених часовим квантуванням з урахуванням форми прийнятого сигналу і нелінійністю характеристики використовуваного АЦП, а також впливом шумів. Сумарна похибка вимірювань відстані запропонованим пристроєм не перевищує 4,3 см.

В четвертому розділі розглянуто структурні схеми і програмне забезпечення фазових вимірювачів відстані, що дозволило оптимізувати алгоритм оцінки дійсної дальності з урахуванням нестабільності частот модулюючих напруг і похибок вимірювань фазових зсувів.

В результаті експериментальних робіт було оцінено метрологічні характеристики перетворювача фаза-код і адитивна похибка вимірювання відстані фазовим світлодалекоміром, розробленим в Інституті електродинаміки НАН України.

Детально проаналізовано випадкову похибку, амплітудно-фазову похибку, похибку, обумовлену просторово-часовою неоднорідністю модульованого випромінювання напівпровідникового лазера, а також похибку, що обумовлена впливом гармонічної завади. Результуюча середньоквадратична похибка розробленого фазового лазерного далекоміра не перевищує 2,7 мм за час вимірювання 3 с.

Крім того, у ході експериментальних робіт було оцінено працездатність програми оцінки дійсної дальності в діапазоні 30...300 м. Отримані результати вимірювань розробленим приладом порівнювалися з результатами вимірювань, проведеними за допомогою далекоміра ТАЗ "Агат" (Росія), що серійно випускається. На підставі отриманих результатів вимірювань можна зробити висновок, що задача однозначного визначення відстані в розробленому приладі вирішена.

Додаткове вимірювання квадратурних складових гармонічної завади і наступне використання результатів вимірювань для зменшення її впливу на результати вимірювання фазового зсуву приводить до істотного збільшення часу вимірювання. Крім того, усі вимірювання здійснюються при тому самому значенні коефіцієнта передачі керуючого атенюатора, що обмежує діапазон значень вимірюваних відстаней.

Для зменшення впливу гармонічної завади запропоновано два алгоритми корекції: з модуляцією коефіцієнта пропущення оптичного сигналу і з додатковою модуляцією часової затримки оптичного сигналу. У першому випадку вплив гармонічної завади зменшується за рахунок запропонованого алгоритму обробки результатів вимірювань. Самі вимірювання здійснюються в два такти: при наявності на вході ФП оптичного нейтрального фільтра і без нього. Однак такий алгоритм приводить до росту випадкової похибки у разів.

Цей недолік усувається при реалізації алгоритму вимірювання і структурної схеми вимірювача відстаней до дифузно-відбиваючих поверхонь, де у фокусній площині об'єктива міститься переміщувана обойма із закріпленими в ній торцями двох світловодів. Довжина світловодів вибирається таким чином, щоб часові затримки відрізнялися на величину = 1/2fм, де fм - частота модуляції. Однак цей варіант більш складний у практичній реалізації.

В додатку вміщено документи, що підтверджують впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У роботі вирішено складну науково-технічну задачу створення високоточних і завадостійких вимірювачів параметрів вихідних сигналів фотоприймачів імпульсних і фазових лазерних далекомірів, призначених для вимірювання відстані до дифузно-відбиваючих об'єктів у таких галузях народного господарства як металургія, енергомашинобудування, авіабудування та ін.

Основні результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень полягають у наступному.

1. На основі проведених розрахунків енергетичних параметрів імпульсних лазерних далекомірів запропоновано два алгоритми функціонування далекомірів. При їх реалізації для вимірювання відстаней до 300 м розроблено імпульсний далекомір з ФЧПІ із стежачим порогом. Для випадку вимірювання відстаней понад 300 м розроблено імпульсний далекомір, у якому для визначення часового положення імпульсу застосовується запропонований нами фазово-імпульсний метод вимірювання. Проведений аналіз похибок електронної частини обох типів імпульсних далекомірів показав, що вони при практичній реалізації можуть мати досить високі метрологічні характеристики. Так, далекомір із ФЧПІ із стежачим порогом по точності не уступає кращим закордонним зразкам, наприклад лазерному далекоміру DIOR 3002 швейцарської фірми WILD.

2. Проведено дослідження відомих двопорогових схем фіксаторів часового положення прийнятих імпульсів, у яких здійснюється корекція похибок від зміни їхньої амплітуди і форми. Показано, що застосування відомих схем ФЧПІ приводить до збільшення випадкової похибки вимірювання часових інтервалів, а відповідно і відстані, внаслідок різночасового перетворення вхідних імпульсів. У цьому зв'язку розроблено і досліджено двопорогову схему ФЧПІ з одночасним формуванням стежачих порогів, у якій вплив випадкової складової похибки вимірювання відстані при введенні коригувального впливу зменшено більш, ніж у 2 рази в порівнянні з відомими пристроями.

3. З урахуванням нелінійності характеристики перетворення часових інтервалів і експоненціальної форми вхідного сигналу виконано синтез оптимального фільтру в схемі ФЧПІ. Показано, що частотні характеристики двох- і чотирьохланкових фільтрів нижніх частот мало відрізняються від характеристики оптимальних фільтрів. У залежності від значення відношення сигнал/шум (), параметрів і порядку ФНЧ у схемі ФЧПІ оцінено імовірність випадкових викидів у результатах вимірювань. Установлено, що викиди відсутні, якщо 12...14.

4. Розроблено структурну і принципову схеми та програмне забезпечення ПЧН, робота якого заснована на заряді конденсатора і вимірюванні амплітуди напруги, пропорційної тривалості імпульсу, з урахуванням калібрування пристрою на двох частотах: f1 = 1/Т0 і f2 = 1/2Т0. Експериментально оцінено метрологічні характеристики перетворювача. Установлено, що застосування додаткового калібрування на частоті f = 1/1,5Т0 дозволяє здійснити корекцію похибки, обумовленою нелінійністю характеристики перетворення пристрою. Застосування ітераційної системи на основі опорного сигналу, частота якого визначається значенням вимірюваного часового інтервалу, дозволяє зменшити систематичну похибку вимірювання в 15...20 разів. У цьому випадку результуюча похибка перетворювача в одиницях довжини не перевищує 2 мм.

5. Розроблено структурну і принципову схеми та програмне забезпечення електронної частини високоточного імпульсного вимірювача відстані в діапазоні 1...300 м, з похибкою вимірювання 3...6 мм при часі вимірювання 2,5 с, що підтверджено результатами експериментальних досліджень макета приладу.

6. Запропоновано два алгоритми корекції впливу гармонічної завади у фазових далекомірах: з модуляцією коефіцієнта пропущення оптичного сигналу і з додатковою модуляцією часової затримки оптичного сигналу. Останній алгоритм більш складний у реалізації, зате він не приводить до погіршення завадостійкості далекоміра через вплив випадкової похибки вимірювання. У порівнянні з відомим далекоміром, виконаним на базі оптимального фазометра, реалізація запропонованих алгоритмів корекції впливу гармонічної завади для досягнення заданої точності вимірювання фазових зсувів, а відповідно і відстані, дає можливість у 2...3 рази підвищити швидкодію приладу. Розроблено відповідні структурні схеми фазових далекомірів.

7. Результати теоретичних і експериментальних досліджень електронних вимірювальних перетворювачів для фазових далекомірів було використано ЦКБ "Завод "Арсенал" (м. Київ) при створенні малогабаритного фазового світлодалекоміра. Максимальна вимірювана дальність Lmax = 5000 м, адитивна похибка вимірювання відстані L 5 мм, час вимірювання Твимір = 3 с.

Крім того, результати досліджень фотоприйомних пристроїв і аналізу перетворювальних процесів у схемах імпульсних оптичних далекомірів були передані ДНВП "Спецавтоматика" (м. Київ) і використані при розробці вимірювача висоти нижньої границі хмар "ПРОМІНЬ", розробленого за замовленням Державної гідрометеорологічної служби.

Перспективним, на наш погляд, є використання отриманих результатів досліджень при створенні безконтактних вимірювачів низькочастотних вібрацій об'єктів машинобудування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЯ

Брагинець І. О. Адаптивні електронні вимірювальні перетворювачі для високоточних імпульсних та фазових лазерних далекомірів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 – Прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розробці високоточних і швидкодіючих електронних вимірювальних перетворювачів для лазерних далекомірів.

Запропоновано і розглянуто нову двопорогову схему фіксатора часового положення імпульсного сигналу (ФЧПІ) із стежачим порогом з корекцією похибок, обумовлених зміною амплітуди та форми вимірювального сигналу, оцінено її метрологічні характеристики.

Розглянуто методи корекції похибок перетворювача часового інтервалу в амплітуду напруги (ПЧН). З урахуванням розглянутих схем ФЧПІ і ПЧН запропоновано структурні схеми імпульсних лазерних вимірювачів відстані.

Запропоновано оптимальний алгоритм оцінки істинної дальності в фазових далекомірах з урахуванням похибок вимірювання фазових зсувів. Розроблено системи корекції систематичних похибок, обумовлених впливом гармонічної завади, застосування яких при цьому практично не збільшує випадкову похибку.

Ключові слова: часовий інтервал, фазовий зсув, корекція похибок, вимірювач відстані.

АННОТАЦИЯ

Брагинец И. А. Адаптивные электронные измерительные преобразователи для высокоточных импульсных и фазовых лазерных дальномеров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 – Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена разработке высокоточных и быстродействующих электронных измерительных преобразователей для импульсных и фазовых лазерных дальномеров.

Предложена и рассмотрена новая двухпороговая схема фиксатора временного положения импульсных сигналов (ФВПИ) со следящим порогом с коррекцией погрешностей, обусловленных изменением амплитуды и формы измеряемого сигнала. В предложенной структуре используются фильтры низких частот (ФНЧ) с разными постоянными времени, что и обеспечивает двухпороговость схемы. Было оценено среднеквадратическое значение случайной погрешности предложенной системы коррекции, применение которой в сравнении с известными техническими решениями, позволяет повысить помехоустойчивость ФВПИ в 2 раза.

С учетом нелинейности характеристики преобразования временных интервалов и экспоненциальной формы фронта входного воздействия выполнен синтез оптимального фильтра в схеме ФВПИ. Показано, что частотные характеристики двух- и четырехзвенных фильтров нижних частот мало отличаются от характеристики оптимальных фильтров. В зависимости от значения отношения сигнал/шум (), параметров и порядка ФНЧ в схеме ФВПИ оценена вероятность случайных выбросов измеряемого сигнала, обусловленного влиянием помех. Установлено, что выбросы отсутствуют, если 12…14.

Разработаны структурная и принципиальная схемы и программное обеспечение преобразователя временного интервала в амплитуду напряжения (ПВН), работа которого основана на заряде конденсатора и измерении амплитуды напряжения, пропорциональной длительности импульса, с учетом калибровки устройства на двух частотах: f1 = 1/Т0 и f2 = 1/2Т0. Экспериментально оценены метрологические характеристики преобразователя. Установлено, что применение дополнительной калибровки на частоте