Исследование способов повышения дальности лазерных дальномеров

Лазерный дальномер — прибор, за основу которого взят лазерный луч, с помощью которого можно измерить расстояние до удаленных объектов.

Принцип действия дальномера заключается в том, что дистанция рассчитывается по времени, которое затрачивается на отправку лазерного импульса и прием отраженного от объекта сигнала. Расчет дистанции занимает доли секунд.

Самые важные параметры, описывающие качество лазерного дальномера являются: дальность, точность, время измерений, потери излучения, чувствительность к внешним воздействиям.

Рисунок 1. Лазерный дальномер

Сегодня лазерные дальномеры получили широкое распространение в самых различных сферах деятельности: в строительстве, геодезии, военном деле, охоте, в навигации и других областях. Все дальномеры можно разбить на две группы:

• 1 ) активные дальномеры, использующие в процессе измерения дальности подсвет объекта с помощью излучения лазера или светодиода;

• 2 ) пассивные дальномеры, принцип действия которых основан на триангуляционном (параллаксном) методе. Дальномеры данной группы широко использовались в фототехнике, но не обеспечивали ни высокой точности, ни большой дальности. По этой причине мы их рассматривать не будем.

Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, т.к. импульс можно выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.

Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность (до 1 км) и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ

ФАЗОВЫЙ ДАЛЬНОМЕР проблемы могут быть частично разрешены за счет применения следующих технических решений:

• –    гетеродинного преобразования частоты сигнала в низкочастотную область (НЧ-область) при сохранении фазовой информации;

• –    преобразования частоты сигнала в НЧ-область с использованием эффектов при дискретизации;

• –    цифровой фильтрации сигнала вместо аналоговых фильтров; – высокоэффективного цифрового фазометра;

• –    алгоритмов статистической обработки и усреднения результата; – формирования опорных сигналов в виде математических последовательностей, синхронизированных с задающей частотой, что исключает необходимость использования физических опорных частот.

ИМПУЛЬСНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Можно воспользоваться двумя методами повышения точности при многократных измерениях:

• -    метод искусственного введения фактора случайности;

• -    метод косвенной дискретизации периода следования счетных импульсов, заполняющих временной интервал.

Рисунок 2 Структурная схема импульсного оптического дальномера с шумовой синхронизацией излучения

В этой схеме запуск излучателя осуществляется в пределах длительности импульса синхрогенератора шумовым выбросом приемноусилительного тракта. Для этого в схему дальномера введены дополнительно схема совпадений и пороговое устройство, уровень срабатывания которого близок к величине среднего квадратичного значения шумов на выходе приемно-усилительного тракта. В результате независимо от значения величины отношения сигнала к шуму усреднение за N измерений снизит случайную погрешность определения дальности √N раз.

Важной задачей является повышение точности импульсных дальномеров при сокращении времени измерения. Существенно сократить время измерения при усреднении информации о дальности позволяет использование метода косвенной дискретизации.

Рисунок 3 Структурная схема импульсного оптического дальномера с косвенной дискретизацией периода счетных импульсов

Рассмотренные схемы импульсных и фазовых дальномеров позволяют не только надежно увеличить точность измерений, но и существенно сократить при этом время измерения.