CC BY
222
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
В ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫХ СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
Андрей Геннадьевич Батурин
Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (913)902-09-74, e-mail: [email protected]
Максим Константинович Печёрин
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант, тел. (913)742-65-80, e-mail: [email protected]
Большинство существующих оптоэлектронных дальномеров используют два принципа измерения дальности - импульсный и фазовый. При одинаковой средней мощности и прочих равных условиях импульсные дальномеры имеют большую дальность действия по сравнению с фазовыми, имеющими источники непрерывного излучения, но в отношении точности импульсные системы уступают фазовым. В связи с этим весьма перспективной представляется система, в которой импульсный характер излучения сочетался бы с фазовым методом индикации принципом обработки сигналов, что позволяет объединить преимущества двух методов дальнометрии.
В работе рассмотрены три разновидности импульсно-фазовых методов измерения дальности на примере дальномеров ГДФИ-1, ГДФИ-2 и ГДФИ-3. Также в работе предложен вариант практического развития одного из методов.
Ключевые слова: дальномер, оптико-электронные приборы, методы измерения дальности, методы обработки сигнала.
RANGE MEASURINGSIGNAL PROCESSING METHODS ANALISYSIN PULSE-PHASE SYSTEMS
Andrey G. Baturin
Joint Stock Company «Research institute of electronic devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, head of laboratory, tel (913)902-09-74, e-mail: [email protected]
Maxim K. Pecherin
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marks prospect, postgraduate, tel (913)742-65-80, e-mail: [email protected]
Most of existingopticalrangefindersuse two principles of range measuring - pulse and phase. At the same mean power level and other equal conditions pulse opticalrangefinders have a long range compared with the phasethat have a sourceof continuous radiation. In relation to accuracy pulse rangefindersworse than phaserangefinders. In connectionwith thepulsed characterof the radiationsystemcombinedwith the phasemethod of signal processing with benefits both methods.
In this article were discussed three types of range measuring methods with example of opticalrangefinders GDFI-1, GDFI-2 and GDFI-3. Also an article proposes one of version of the progressabout one of thought’s methods.
Key words: rangefinder, optical-electronic devices, method of range measuring, signal processing methods.
Импульсно-фазовые системы дальнометрии объединяют преимущества импульсных и фазовых систем. Интерес к данным системам послужил импульсом к исследованиям, позволившим реализовать следующие методы обработки сигнала: модуляцию по амплитуде высокочастотного сигнала сигналом импульса излучения; регистрацию запаздывания отраженного импульса через изменение значения фазы опорного сигнала;преобразование частоты гармонических составляющих отраженного и излученного сигналов. [1]
В импульсно-фазовом методе, основанном на модуляции по амплитуде высокочастотного сигнала сигналом импульса излучения,измеряется фаза высокочастотного сигнала. Сравнение ее значения с фазой опорного колебания осуществляется модуляционным методом детектирования, что позволяет существенно повысить чувствительность индикации. [2]Этот метод реализован в дальномере ГДФИ-1. Принцип действия заключается в следующем. Положим, что имеется импульс излучения длительностью ти, модулированный по интенсивности с частотой С01»2тг/ти. В этом случае отраженный от объекта сигнал на выходе фотоприемника может быть описан выражением:
(1)
при ,
где т - коэффициент модуляции,
фг - фаза колебания, определяемая значением дистанции,
T - период следования импульсов, п - кратность периода.
Сигнал с выхода фотоприемника подается на один вход фазового детектора, в то время как на второйподается опорный сигнал:
- (2)
где ф(т) - плавно регулируемая известная фаза.
На выходе фильтра фазового детектора будет вырабатываться импульсный сигнал амплитудой:
- (3)
Амплитуды соседних импульсов отличаются друг от друга на значение
(4)
В данной системе неизвестная фаза может быть определена по фазе опорного колебания ф(т), значение которой отсчитывается в положении, соответствующем равенству амплитуд выходных импульсов. К недостатку такого варианта построения системы относится сложность формирования мощного токово-
го импульса с высоким коэффициентом модуляции при синусоидальной модулирующей функции [1]. Частично данную проблему можно решить с использованием импульсной модуляции.
Существует способ построения дальномера без дополнительной модуляции импульса излучения - преобразование частоты гармонических составляющих отраженного и излученного сигналов. Данный метод реализован в дальномере ГДФИ-3 [3].
Принцип действия заключается в следующем: излучается повторяющийся импульсный сигнал с периодом следования Т. Такой сигнал можно изобразить в виде суммы гармонических колебаний частот, кратных F=1/T:
(5)
где Р0 - амплитуда мощности импульсов,
Ап - амплитуда гармоник импульса с единичной амплитудой.
Аналогично, выходной сигнал с фотоприемника можно описать следующим образом:
------- (6)
Последний член выражения, расположенного под функциейcos, характеризует значение фазы запаздывания каждой гармоники, связанное с прохождением сигналом удвоенного расстояния до объекта. Очевидно, что это значение тем больше, чем выше номер гармоники п. Таким образом, каждая гармоническая составляющая несет информацию о значении дистанции, которая, следовательно, может быть определена путем измерения разности фаз гармоники одного номера, выделяемых из излучаемого и отраженного сигнала. Выделить и усилить непосредственно колебания таких частот из импульсной последовательности очень сложно, да и нецелесообразно. Наиболее удобно использовать широко распространенный в непрерывно-фазовых системах метод преобразования частоты, при этом значение фазы высокочастотного колебания переносится на колебание низкой частоты, полученное путем смешивания принимаемого сигнала с напряжением гетеродина [3].
Недостатком данного метода является наличие потерь за счет выбора высших гармоник для реализации высокой точности [1].
В системе, основанной на регистрации запаздывания отраженного импульса через изменение значения фазы опорного сигнала, момент излучения жестко привязан к фазе опорного колебания, а по моменту появления отраженного сигнала фиксируется фазовый набег опорного сигнала [1]. Этот метод, реализованный в дальномере ГДФИ-2, будучи фазовым по методу индикации, не требует дополнительной модуляции излучения, что существенно упрощает передающий тракт и снижает требования к излучаемой длительности импульса [4].
Принцип действия заключается в следующем: положим, что имеется высокочастотное колебание вида я=/4-8т(а>-Жр1). Время запаздывания отраженного импульса может быть выражено через изменение значения фазы аргумента ^следующим образом:
- , (7)
где В - измеряемое расстояние
к - целое число фазовых циклов соза время запаздывания.
Очевидно, что если имеется возможность точного измерения фаз колебания а, соответствующих моментам излучения и прихода сигнала, то время запаздывания можно определять по разности их значений Л<7?. В пределах одного фазового цикла частоты совремя запаздывания А1=о)-А(р.
В ГДФИ-2 опорное напряжение имеет вид:
- , (8)
где (рп - плавно меняющаяся фаза, п - порядковый номер импульса.
Опорное напряжение иоп(ґ)вместе с отраженным импульсом и(?)поступает на фазовый детектор. Амплитуду напряжения на выходе фазового детектора можно представить в виде:
(9)
где ти - длительность импульса излучения,
^=2^/с - задержка принятого импульса.
На выходе детектора будет существовать последовательность парных импульсов, амплитуды которых отличаются на величину
---------- ------------------ , (10)
где ис - амплитуда входного сигнала и(1),
7- период повторения импульсов сигнала 11(1).
Дальность определяется исходя из разности фаз А(р=(рпХ-(рп1 при соблюдении условия равенства АЦ=0в момент измерения.
Недостатком метода является ограничение выбора опорной частоты из-за необходимости соблюдения условия ти«Топ12. На период опорного колебания Топ, как и в фазовом методе, накладываются ограничения по однозначности измерения с одной стороны и обеспечения минимальной разности фаз для требуемого разрешения по дальности.
В [5] предложен вариант развития данного метода. Суть предложения заключается в следующем: формируются два опорных колебания
(11)
(12)
Каждое из опорных колебаний иоп1({) и иоп2(/) вместе с отраженным импульсом и(/)поступают на свой фазовый детектор. Амплитуду сигналов с выходов фазовых детекторов можно описать формулами
(13)
(14)
За счет этого исключается необходимость переворота фазы опорного колебания каждый период излучения импульсного сигнала. При изменении фазы опорных колебаний от 0 до ^измерения являются однозначными, а в интервале от 0,3тг до 0,7л зависимость выходного напряжения фазового детектора от дальности в достаточной степени линейна. В связи с тем, что крутизна характеристик фазовых детекторов имеет противоположный знак, вычисление дальности можно свести к отношению амплитуд сигналов с выхода фазовых детекторов.
На основании вышеизложенного могут быть сделаны следующие выводы:
1. Наиболее перспективным представляется реализация импульснофазового метода, основанного на регистрации запаздывания отраженного импульса через изменение значения фазы опорного сигнала. В данном методе не требуется сложная модуляция импульса излучения, что делает возможным применение импульсных излучателей с простым генератором тока накачки, а также удается избежать применения сложной аналоговой части схемы обработки с использованием гетеродинов и смесителей.
2. Использование двух опорных противофазных колебаний позволяет исключить переворот фазы опорного колебания и свести измерение дальности к сравнению амплитуд двух импульсов с выходов фазовых детекторов. В этом случае, модуляционный фазовый детектор выполняется в виде схемы строби-
рования опорного колебания входным сигналом с интегратором. Дальнейшая обработка сигналов с выходов модуляционных фазовых детекторов может вестись как аналоговыми, так и цифровыми методами. Однако необходимо учесть, что применение цифровых методов обработки положительно сказывается на стабильности результатов измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мусьяков М.П., Миценко И. Д. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии. - М.: Радио и Связь, 1991. - 168 с.
2. Дерягин В.Н., Баркалов С.С. Импульсно-фазовый светолокационный дальномер ГДФИ-1 с полупроводниковым излучателем // Оптико-механическая промышленность. -1970. - № 6. - С. 27-29.
3. Дерягин В.Н., Баркалов С.С., Попов Ю.В. Малогабаритный импульсно-фазовый светодальномер ГДФИ-3 с цифровым выходом на основе полупроводникового квантового генератора // Оптико-механическая промышленность. - 1972. - № 7.- С. 23-27.
4. Дерягин В.Н., Баркалов С.С., Попов Ю.В. Высокоточный импульсный светодальномер ГДФИ-2 с фазовой индикацией на основе неохлаждаемого ПКГ // Оптикомеханическая промышленность. - 1970. - № 12. - С. 27-31.
5. Лазерный неконтактный датчик высоты : пат. 73066 Рос. Федерация : МПК Б 42 С 13/02 / Батурин А.Г., Баннов В.Я., Мешков Е.Ю. ; заявл. 27.12.2007 ; опубл. 10.05.2008
© А.Г. Батурин, М.К. Печёрин, 2013
