О построении системы контроля смещений на основе полихроматической оптической равносигнальной зоны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

О ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИХРОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНЫ Ю.Н. Калиниченко, А.В. Прокофьев, А.Н. Тимофеев

Обосновывается, что многоспектральные методы компенсации влияния воздушного тракта в технической реализации будут более простым в случае систем с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ).

В качестве основного источника систематических ошибок при геодезическом измерении углов и расстояний сегодня признаны эффекты рефракции, которые обычно вызываются неоднородной средой распространения для оптического луча [1]. Как показали многочисленные работы российских и зарубежных исследователей, а также исследования, ранее проведенные в СПбГУИТМО [2], наиболее перспективными с точки зрения повышения точности и увеличения дальности действия геодезических приборов являются многоспектральные (многоволновые, дисперсионные) или, как их принято называть, полихроматические [2] методы компенсации влияния атмосферы [3].

Основными методами ослабления влияния рефракции, исследуемыми в СПбГУ-ИТМО в последние годы, является методы прямых измерений с введением поправки и компенсацией хроматической разности оптическим и электронным путем. Поэтому целью настоящей статьи являлось рассмотреть особенности построения системы контроля смещений (СКС) на основе двуспектральный оптической равносигнальной зоны (ОРСЗ) для инженерно-геодезических измерений, ослабляющих или компенсирующих действие атмосферы.

Суть метода прямых измерений состоит в определении хроматической разности dyi2 в контролируемой точке, по которой можно определить величину поправки в результаты измерения в этой точке.

5y12 = B • C • Y(X"2-Х-2) • 10- 6

где B = 0,584; C = P / T , P - атмосферное давление, мб, T- температура среды, °К; A = 77,6; Y = (1/T) gradyTzo2/2; gradyT - градиент температуры по вертикальной оси OY, zo -расстояние от выходного зрачка объектива прожектора до рассматриваемой точки; .Х1, Х2 - длины волн излучателей в прожекторе, мкм.

Метод минимизации хроматической разности с оптической компенсацией основан на компенсационной схеме измерений [3].

Предлагаемый способ построения системы основан на методе электронной компенсации хроматической разности смещений пучков ОРСЗ, который базируется на специальном алгоритме модуляции источников излучения в каналах.

Суть алгоритма модуляции источников излучения состоит в том, что для определения величины погрешности, обусловленной рефракцией, используется противофазная модуляция их излучения таким образом, что в первый полупериод включаются одновременно в различных каналах источники с разной длиной волны излучения, а в другой полупериод - наоборот. В следующий период для определения величины смещения также используется противофазная модуляция, но в каждом канале включаются одновременно оба источника с различными длинами волн.

В разрабатываемой схеме предлагается амплитудно-фазовая манипуляция излучения путем модуляции тока питания полупроводниковых излучающих диодов (ПИД). При этом излучение каждой пары (ПИД) промодулировано в противофазе. Поскольку макет должен обеспечивать как измерение смещения фотоприемника (ФП) относительно ОРСЗ, так и смещение, обусловленное рефракцией атмосферы, то целесообразно разделить эти две функции.

Временные диаграммы сигналов манипуляции ПИД представлены на рис. 1 Диаграмма I соответствует режиму измерения смещения ФП относительно ОРСЗ, а диаграмма II - режиму измерения смещения ОРСЗ, обусловленного рефракцией атмосферы; Фу - суммарный поток излучения от двух ПИД на ФП.

Ф I II

Ф Ф

Ф1И

Ф2И

Ф1С

Ф2С

Фу

§=щ

Ф1И Ф2И Ф1С

Ф2С

Фу

г

□3=

г

г

т=йт

Рис. 1. Временные диаграммы модуляции потока излучения ПИД

Из рис. 1 видно, что в режиме работы I измеряется смещение ОРСЗ, обусловленное рефракцией атмосферы, а в режиме работы II измеряется смещение ФП относительно ОРСЗ. Другими словами, когда осуществляется режим измерения смещения ФП, сигналу с фазой 0° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 0° синего ПИД (аналогично для второй пары ПИД), а когда осуществляется режим измерения смещения ОРСЗ, обусловленного влиянием рефракции атмосферы, то сигналу с фазой 0° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 180° синего ПИД, а сигналу с фазой 180° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 0° синего ПИД.

Для реализации описанного алгоритма предлагается структурная схема измерительного канала (рис. 2), в которой в задатчике базового направления (ЗБП) излучение двух пар полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 2, 18 и 4, 16, имеющих различную длину волны оптического излучения, с помощью светоделительных кубиков 3 и 17 собирается на зеркальной разделительной призме 19, которая расположена в фокальной плоскости объектива 15. Объектив 13 приемной части (ПЧ) собирает пришедшее от ЗБП и разделенное по спектру светоделительным кубиком 5 оптическое излучение на фоточувствительных площадках фотоприемных устройств 6 и 12. Электрические сигналы с фотоприемных устройств поступают на синхронные детекторы 7 и 11, куда также поступают опорные сигналы с блока питания светодиодов 1.

Благодаря фазовой манипуляции питанием светодиодов достигается требуемый алгоритм обработки информационных электрических сигналов, в результате которого на выходе коммутатора-детектора 10 образуется сигнал, пропорциональный величине Ъу}2, и подается на блок индикации и выработки решений 9. Когда эта величина достигает минимального значения, блок 9 вырабатывает команду, которая разрешает блоку измерения 8 с помощью компенсатора 14 замерить величину смещения. Такой цикл измерения существенно увеличивает время измерения, за счет чего и достигается повышение точности измерения. Разность значений смещений пучка лучей в плоскости ФП ду]2 для двух длин волн даст значение смещения пучка лучей, обусловленного рефракцией атмосферы в рассматриваемом спектральном диапазоне:

Поскольку регистрируемой величиной является переменная составляющая потока излучения, падающего на ФП, рассмотрим распределение потока излучения в плоскости ФП.

г

г

г

г

г

г

г

При этом полагаем, что излучение и ИК, и синих ПИД промодулировано со сдвигом по фазе на 180°. Потоку излучения ИК ПИД, промодулированному со сдвигом по фазе на 0°, соответствует поток излучения синего ПИД, промодулированный со сдвигом по фазе на 180°, а потоку излучения ИК ПИД, промодулированному со сдвигом по фазе на 180°, соответствует поток излучения синего ПИД, промодулированный со сдвигом по фазе на 0°.

1

19 1

17 16

Рис. 2. Структурная схема адаптивной системы

Рассмотрим вначале распределение потока излучения в плоскости фотоприемника от двух ПИД, излучение которых сдвинуто по фазе на прадиан (1800) друг относительно друга. На рис. 3 изображено распределение потоков излучения в ОРСЗ, создаваемой двумя ПИД в исходном состоянии (смещение отсутствует и Ф1 = Ф2) и при смещении А (Ф1 ^ Ф2).

Г А

Ф0

У-

Ф'0

Ф1

I

Ф'1

X

2

9

ь

0

ь

Рис. 3. Распределение потока излучения в плоскости ФП.

Освещенность Е, создаваемая плоским источником оптического излучения с яркостью Ь, диаметром излучающей поверхности аи, расположенным на расстоянии -а от плоскости входного зрачка объектива прожектора диаметром Б, при проектировании объекта прожектором в плоскость фоточувствительной площадки ФП, находящейся на расстоянии /:, равна

Е = т -т • Ь-п о ср

Г 4а2 + а2 ^ и

4а 2 + Б 2

Б

2

Л

ч 4/2 + Б 2 ,

где то и тср - коэффициент пропускания оптического излучения объективом прожектора и средой атмосферой.

В нашем случае ОРСЗ создается двумя светящимися полуплоскостями, яркость одной из полуплоскостей сдвинута по фазе на 180° относительно другой. Полагаем, что энергетическая яркость Ь¡И первого из двух ИК ПИД при фазной манипуляции является функцией времени, например [4],

Ь1И = Ь01И + Ь1И §1п(ш* + 0) где Ь0ш - постоянная составляющая яркости первого ИК ПИД; Ь'1И - амплитуда модуляции яркости первого ИК ПИД (в реальных оптических системах невозможно получить увеличение яркости, а потому Ь'1И < Ь01И); ш - угловая частота модуляции излучения; * - время. Соответственно, для второго ИК ПИД энергетическая яркость запишется в следующем виде:

Ь2И = Ь02И + Ь2И §1п(Ш+ п)

Для первого синего ПИД:

Ь^ = Ь01С + Ь1с вт(ш * + п) а для второго

Ь2С = Ь02С + Ь'2С ^п(ш* + 0).

Потоки излучения для двух ИК ПИД, попадающие на фоточувствительную площадку ФП размером Ь х Ь мм, при отсутствии смещения ФП с ОРСЗ составят

Ф1И = (Ь2 /2)0[Ь01И + ЬИ яп(ш* + 0)] = Ф 01И + Ф1И яп(ш* + 0),

Ф2И = (Ь /2)б[Ь02И + Ь2И «п(ш* + п)] = Ф02И +Ф'2И мЦш* + п),

где

О = т -т -п

^ о ср

( 2 ,2 ^

4а 2 + ё2 _

4а 2 + В 2

(2 В2

к 412 + В 2 ,

Аналогично можно написать выражения для потоков излучения двух синих ПИД: 2

Ф1С = ( /2)О[Ь01С + Ь1с зш(ш* + п)] = Ф 01С +Ф1 с ^Чш* + п), и 2

Ф 2С = (Ь 2 / 2)О[Ь02С + Ь2С ®п(ш * + 0)] = ф 02С + Ф 2С ®п(ш * + 0).

При наличии смещения А на фоточувствительной площадке ФП потоки излучения для двух ИК ПИД составят

Ф1И = [(Ь2 /2) + Ь - А]О[Ь01И + Ь1И 81п(ш* + 0)],

Ф'2И = [(Ь2 /2) - Ь-А]О[Ь02И + Ь2И 81п(ш* + п)]; складывая эти два потока излучения, получим:

Ф1И + Ф2И = (Ь2/2)О(Ь01И + Ь02И ) + Ь - А - О(Ь01И - Ь02И ) +

2

+ (Ь / 2)О[Ь1И 81п(ш * + 0) + Ь2И ^п(ш * + п)] + Ь - А - О[Ьи зш(ш * + 0) - Ь2и ^п(ш * + п)] Аналогично можно написать выражения для потоков излучения двух синих ПИД: Ф1 = [(Ь 2 /2) + Ь - А]О[ Ь01С + Ь1с бш(ш * + п)],

Ф'2С = [(Ь2 /2) - Ь - А]О[Ь02С + Ь2с мЦш* + 0)]; складывая эти два потока излучения, получим:

Ф1С + Ф2С =(Ь2/ 2)О(Ь01С + Ь02С) + Ь - А - О(Ь01С " Ь02С) + 2

+ (Ь / 2)О[Ь1с вт(ш * + п) + Ь2с ^Чш * + 0)] + Ь - А - О[Ь1с зш(ш * + п) - Ь2с зш(ш * + 0)]

Считаем, что Ьош = Ьо2и, Ь'ш = Ь'2И, Ьою = Ьо2С, Ь'}с = Ь'2С,, что необходимо для устранения влияния разбалансировки каналов. Запишем выражения распределения облученности в плоскости ФП, учитывая при этом, что ОРСЗ, образованная двумя соприкасающимися полями излучения ИК ПИД сместится на величину ЪИИКр, а ОРСЗ, образованная двумя соприкасающимися полями излучения синих ПИД сместится на величину 5ИСр. Тогда

ФИ = Ф1И + Ф'2И = Ь2 • QЬ01И + 2Ь • Ь^рК • Q • ЦИ в1п(шt).

ФС =Ф1С +Ф2С = Ь2 • QL01С -2Ь•ЬЩ, • Q• Ь1С sin(шt). 2

ФИ + ФС = 2Ь • QЬ01И + 2Ь • 70 (Пик - Пс №р • Q • ЦИ б1П(ш t) .

Поскольку при амплитудно-фазовом детектировании выделяется только переменная составляющая сигнала, то сигнал, снимаемый с ФП будет пропорционален величине смещения, обусловленного рефракцией атмосферы. Для первого синего ПИД при работе в режиме измерения смещений яркость равна

Ц1С = Ц01С + Ь1с 81п(® t + 0),

а для второго -

Ь2С = Ь02С + Ь2С ^ t + п).

Тогда при работе макета в режиме измерения смещений предыдущие формулы примут следующий вид:

ФИ = Ф\И + Ф'2И = Ь2 • QL01И + 2Ь • ЫирК • Q • ЦИ 81п(шt),

ФС =Ф1 С +Ф2С = Ь2 • QЬ01С + 2Ь•ШС • Q• Ь1С sin(шt), 2

ФИ + ФС = 2^ • QЬ01И + 2Ь • 70 (Пик + Пс ^Ор • Q • ЦИ Б1П(Ш t) .

Таким образом, сигнал, снимаемый с ФП и пропорциональный величине смещения, обусловленного рефракцией атмосферы, можно в дальнейшем использовать для компенсации влияния атмосферы электронным путем.

Использование в ОЭС с ОРСЗ метода хроматической разности с оптической или электронной компенсацией позволит полностью исключить влияние рефракции для среды с постоянными градиентами температуры по дистанции или ослабить ее влияние для реальной среды. Дальнейшие исследования предполагается развивать в направлении разработки методики исследований дополнительных возможностей повышения точности инженерных геодезических измерений с использованием оптической равносигнальной зоны при многоспектральном методе с применением трех и более длин волн.

Литература

1. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М.: Недра, 1984.

2. Отчет о НИР "Повышение точности инженерных геодезических измерений с использованием оптической равносигнальной зоны" (итоговый), по гранту 97-27-1.6-10 "Исследование возможностей повышения точности инженерных геодезических измерений с использованием оптической равносигнальной зоны". СПб.: ИТМО, 2000.

3. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии / А.М. Андрусенко и др. М.: Изд. стандартов, 1987. 224 с.

4. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография. / Под общей редакцией Э.Д Панкова. СПб: ИТМО, 1998. 238 с.