CC BY
24
МЕТОД КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С БОРТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО
АППАРАТА
В.Г. ВИЛЬНЕР, А.И. ЛАРЮШИН, Е.Л. РУДЬ НПО «Полюс», г. Москва
Предложен эффективный метод лазерной локации объектов и подстилающей поверхности. Данный метод основан на одновременном определении пространственной структуры регистрируемого объекта и расстояния до него. Метод позволяет вести мониторинг энергетических коммуникаций и распознавание природных и искусственных объектов.
В последние годы активно расширяется применение средств лазерной локации для исследования наземных объектов: лазерная высотометрия,
картографирование, зондирование облаков, мониторинг лесных ресурсов, контроль коммуникаций, разведка и опознавание природных и искусственных объектов. В основе этих методов лежит зондирование наземного объекта (цели) лазерным импульсом, прием и анализ импульса излучения (сигнала), отраженного целью. Основной параметр принятого сигнала - его задержка Т относительно момента излучения зондирующего сигнала, связанная с наклонной дальностью Я до цели известным соотношением Т = 2Я/с, где с - скорость света [1].
Измерители наклонной дальности строятся по традиционной схеме импульсного дальномера [2], включающей импульсный лазерный излучатель (ЛИ), фотоприемное устройство (ФПУ), схему временной фиксации (СВФ) зондирующего импульса («старт») и принятого сигнала («стоп»), измеритель временных интервалов (ИВИ) для определения интервала Т между импульсами «старт» и «стоп».
Существует, однако, ряд задач, требующих кроме задержки Т определения других параметров сигнала, например его амплитуды итах, длительности 4 и формы и({), где * - текущее время [3]. В этом случае применение традиционной схемы нежелательно по двум причинам. Первая из них - необходимость регистрации структуры принимаемого сигнала практически на протяжении всей трассы зондирования от прибора до зондируемого объекта или, в лучшем случае, на ограниченном участке трассы, в котором по априорным данным находится объект. Эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров, что требует большого объема памяти при регистрации сигнала. Вторая причина -необходимость осуществлять одновременное измерение дальности и регистрации формы сигнала. В этом случае электрические наводки, неизбежные в процессе измерения дальности, искажают принимаемый сигнал и не позволяют регистрировать его форму с достаточной точностью.
Предлагаемый метод лазерного зондирования подстилающей поверхности
Задачей предлагаемого метода является одновременное определение с максимальной точностью пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры. В связи с большим рабочим диапазоном наклонных дальностей и высокими требованиями к временному разрешению в качестве ЛИ выбран твердотельный лазер с
© В.Г. Вильнер, А.И. Ларюшин, Е.Л. Рудь Проблемы энергетики, 2008, № 9-10
модулированной добротностью, обеспечивающий минимальную длительность импульса *и0 порядка 5 нс.
Согласно предлагаемому методу процедура лазерного зондирования разделяется на три этапа. Первый этап включает посылку на объект лазерного импульса, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т = Т2 — Т1, по которому судят о дальности до объекта. На втором этапе после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т’ = Т + АТ. На третьем этапе, начиная с момента времени Т4 = Т3 + Т’, регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени 4 = 2г/с + АТ, где г - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; АТ = 2Аг/с; Аг - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.
Рис. Временная диаграмма процесса зондирования удаленного объекта: 1 - первый лазерный зондирующий импульс; 2 - принимаемый первый отраженный объектом импульс; 3 - второй лазерный зондирующий импульс; 4 - принимаемый второй отраженный объектом импульс; 5 -импульсный порог для формирования сигналов «старт»; 6 - первый и 7 - второй стартовые сигналы, сформированные 1-м и 3-м зондирующими сигналами при превышении ими порога 5; 8 - порог для формирования импульса «стоп»; 9 - импульс «стоп», сформированный первым отраженным импульсом 2 при превышении порога 8; Т1 и Т3 - моменты формирования первого и второго стартовых сигналов; Т2 -момент формирования первого сигнала «стоп»; Т - интервал между моментами Т1 и Т2; Т’- временной интервал, сформированный с начала момента времени Т3; Т4 - момент окончания временного интервала Т’; Ъ - регистрируемый отрезок реализации принятого сигнала после окончания Т’
Для регистрации формы принимаемого сигнала в течение времени ts регистрируются выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки St < 2Srlc, где Sr - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.
Для формирования первого и второго лазерных зондирующих импульсов можно подавать на лазер избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включать добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Тизл = Т3 - 71. При этом накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Гизл = 2Rmaxlc, где Rmax - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей.
На рисунке показана временная диаграмма предлагаемого способа лазерного зондирования удаленного объекта.
Например, при определении структуры нижней границы облаков глубина подлежащей регистрации облачной структуры r = 50 м, а протяженность подоблачного слоя, влияющего на результаты анализа, Дт = 20 м. Тогда ДТ = 2Дт/с = 133 нс, а величина исследуемого интервала ts = 2rlc + ДТ = 467 нс.
Сигнал на временном отрезке ts можно представить последовательностью выборок с аналого-цифровым преобразованием каждой выборки. Например, при дискретности 10 нс для приведенного примера с величиной ts = 467 нс объем полученного массива данных составляет 47 выборок.
Отличительные особенности предлагаемого метода
1. Метод позволяет предельно сократить длительность регистрируемой реализации принимаемого сигнала за счет синхронизации начала процесса регистрации с началом сигнала.
2. Метод позволяет начинать регистрацию сигнала с некоторым опережением ДТ, необходимым, если представляет интерес характер возникновения и нарастания сигнала.
3. Поскольку при повторном зондировании пороговая обработка принимаемого сигнала может не проводиться, процесс регистрации сигнала не сопровождается помехами, возникающими при пороговой обработке и формировании стопового импульса. Это повышает качество регистрации сигнала и, благодаря минимизации интервала дискретизации, существенно упрощает регистрирующую аппаратуру и уменьшает необходимый объем памяти.
4. Использование для зондирования импульсного лазера с модулированной добротностью позволяет предельно сократить интервал между первым и вторым зондированиями, что повышает достоверность регистрации данных. Так при зондировании лесного массива с летательного аппарата при максимальной высоте полета R,™«* = 3000 м интервал между излучениями может составлять Тил = 20 мкс. При скорости летательного аппарата 200 км/ч за это время он переместится менее, чем на 1 мм, то есть результаты измерения дальности до объекта и регистрации его профиля получаются практически из одной точки. При одноимпульсном зондировании это было бы невозможно.
5. Предлагаемый метод лазерного зондирования подстилающей поверхности обеспечивает одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры и максимальной точности.
6. Метод реализован в импульсном лазерном высотомере ДЛ-2, предназначенном для исследования объектов и подстилающей поверхности с борта летательного аппарата [4]. Проведенные наземные и летные испытания подтвердили его работоспособность и ожидаемые параметры. Высотомер ДЛ-2 имеет следующие основные характеристики: высота полета - до 5000 м; минимальная измеряемая высота - 200 м; максимальная измеряемая высота -2500 м; дискретность измерения дальности - 1 м; длительность интервала, в котором исследуется форма сигнала, - 350 нс (> 50 м); дискретность оцифровки отраженного сигнала - 5 нс (< 1 м); угловое поле зрения - 0,5 мрад; частота зондирования (выдачи данных) - 1 с-1; выход - RS-232; питание 27 В; габариты 236x184x112 мм; масса 3 кг.
Summary
The effective method to laser location of an objects and external surfaces is suggested. This method based on the simultaneous determination of spatial structures and distance to the subject. Method allows monitoring of the power communication, identification of natural and artificial subjects.
Литература
1. М.-С. Amann et al. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. Opt. Eng. January 2001. - vol. 40. - No 1. - p.p. 10-19.
2. Ермаков Б.А., Балашов И.Ф., Мотенко Б.Н. Импульсная дальнометрия
с оптическими квантовыми генераторами: Сборник статей. - Л.:
Машиностроение, 1973. - С. 241-255.
3. Лабунский А. Лазерный луч точно измерит, точно
разметит // Техномир. - 2007. - №1 (31). - С. 46-48.
4. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рудь Е.Л. Оценка возможностей
светолокационного измерителя дальности с накоплением // Электроника /
Фотоника. - 2007. - №6. - С. 22-26.
Поступила 13.05.2008
