Научная статья на тему 'Повышение точности рециркуляционного дальномера'

Повышение точности рециркуляционного дальномера Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
165
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР / RECIRCULATION RANGEFINDER / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР / DIODE LASER / КОМПАРАТОР / COMPARATOR

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Козлов Владимир Леонидович

Рассматриваются вопросы повышения точности прецизионных лазерных дальномерных систем с двухволновым полупроводниковым лазером в качестве источника излучения. В системе реализуется режим оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Козлов Владимир Леонидович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Improvement of Accuracy of Recirculation Rangefinder

Accuracy of precise laser rangefinders employing a two-wavelength diode laser is considered. Information on speed of wave propagation along the trace is obtained in optoelectronic recirculation mode at the two wavelengths and is used for range calculation.

Текст научной работы на тему «Повышение точности рециркуляционного дальномера»

УДК 621.373.8

В. Л. Козлов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ДАЛЬНОМЕРА

Рассматриваются вопросы повышения точности прецизионных лазерных даль-номерных систем с двухволновым полупроводниковым лазером в качестве источника излучения. В системе реализуется режим оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта.

Ключевые слова: рециркуляционный дальномер, полупроводниковый лазер, компаратор.

В прецизионных лазерных дальномерных системах среднеквадратическая погрешность измерений, обусловленная дисперсионными свойствами атмосферы, может быть снижена до нескольких сантиметров путем расчета группового показателя преломления сигнала. Однако эта операция достаточно трудоемка и требует привлечения дополнительных средств. При излучении на длине волны 0,8 мкм и изменении температуры воздуха на 1°С показатель его преломления изменяется на 0,9-10—6. Поэтому относительная погрешность измерения расстояния до объекта одноволновым лазерным дальномером ограничена значениями порядка 10—6 из-за отсутствия информации о скорости распространения излучения вдоль линии наблюдения в конкретных метеоусловиях.

Учет состояний окружающей среды при распространении зондирующего излучения вдоль линии наблюдения можно осуществлять рециркуляционным методом измерения дальности [1], который основан на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн. Этот метод позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта. Основным источником погрешности при этом является зависимость точности измерений от амплитуды импульса.

Методика учета влияния амплитуды импульса и компенсации влияния различия амплитуд оптических импульсов на длинах волн Х1 и Х2 на точность измерений, осуществляемых двухволновым рециркуляционным лазерным дальномером, изложена в работе [2]. Функциональная схема дальномера, реализующего такую методику, представлена на рис. 1. В качестве излучателя дальномера используется лазерный диод на основе асимметричной квантово-размерной гетероструктуры. Структура таких инжекционных лазеров описана в работах [3, 4]. Активная область излучения лазера сформирована двумя квантовыми ямами, образующими единый волновод для получения сигналов на двух длинах волн. Переключение длины волны излучения с Х1 на Х2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки с 11 до /2. Длительность импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть достаточно малой, вплоть до 1 нс. Разность длин волн ДХ = Х1 - Х2 для асимметричных квантово-размерных лазерных диодов достигает значений 20—90 нм. Если использовать терморегулятор на основе эффекта Пельтье и стабилизировать импульсы тока инжекции, то от-

—3

носительная нестабильность разности ДХ может быть меньше 10 .

Дальномер работает следующим образом. В начальный момент времени блок „Таймер" формирует два импульса, разнесенные во времени на интервал Т. Блок „Генератор накачки" формирует соответствующие амплитуды импульсов тока для запуска лазера на длинах волн Х1 и Х2. В рециркуляционных дальномерах измеряемое расстояние до объекта выполняет функцию оптической линии задержки в цепи обратной связи. При замыкании оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции с частотой, которая определя-

ется задержкой излучения на трассе и постоянной электрической задержкой, обусловленной прохождением сигнала через функциональные блоки системы. Так как оптические импульсы посылаются поочередно на различных длинах волн Х и Х2, то в системе реализуется режим оптико-электронной рециркуляции.

Рис. 1

Период рециркуляции на длинах волн Хь Х2 определяется следующим образом:

т = to.pt + 4 + Ь, (1)

где topt=2Ln/с — время задержки излучения при прохождении трассы оптическим сигналом; Ь — расстояние до объекта (длина трассы); п — показатель преломления воздуха; с — скорость света в вакууме, tе — время электрической задержки; tk — время задержки импульса в компараторе.

Так как скорость распространения излучения в воздухе зависит от длины волны, причем Х2 < А,1, то время задержки излучения на длине волны Х2 будет больше, чем на Хь Разность оптических задержек за один период рециркуляции составляет

л 2Ь ,

Дt =-(П2 - П1),

С

где п1, п2 — показатели преломления воздуха на длинах волн Х и Х2 соответственно.

Следовательно, рециркулирующие импульсы на длине волны Х будут сдвигаться во времени относительно импульсов на длине волны Х2 в течение каждого периода рециркуляции на величину Дt. При ДХ = 20 нм и Ь = 1 км At « 1 пс. Очевидно, что измерение таких коротких временных интервалов вызывает большие сложности. Однако в режиме рециркуляции происходит накопление временных задержек и в течение нескольких периодов рециркуляции N = 104...105 суммарная разность задержек становится равной Т = NДt и достигает десятков или сотен наносекунд. В разработанной системе для измерения Дt определяется число периодов рециркуляции N, за которое разность задержек станет равной Т = 100 нс. После определения величины Дt = T/N заканчивается первый этап измерений. При этом, как показано в работе [5], расстояние до объекта вычисляется по формуле

Ь =

2л,

_ С

'topt = т

(л0 -1) Т_

Ал0 N

здесь — время задержки излучения на длине волны Х1; п0 — показатель преломления воздуха на длине волны Х1 в стандартных условиях (9 = 0, р = 760 мм рт. ст.), Дп0 — разность показателей преломления на длинах волн Х2 и Х1 в стандартных условиях.

Как следует из формулы (1), значение периода рециркуляции т зависит, в том числе, от задержки срабатывания компаратора, т.е. от амплитуды импульса. Учет влияния задержки срабатывания компаратора на погрешность измерений производится на втором этапе следующим образом. Время задержки импульса в компараторе

'к =

Цр

и,

'фр з

(2)

где ир — порог срабатывания компаратора, Ц — амплитуда импульсов, 'фр — длительность фронта импульса.

После определения числа N лазер работает только на длине волны Х2. Так же как и на первом этапе измерений блок запуска формирует два импульса на длине волны Х2, разнесенные во времени на интервал Т. Первый импульс регистрируется при пороге Цр, второй — при уменьшенном в два раза пороге: ир2=0,5Цр. Порог компаратора управляется сигналом с процессора и изменяется после регистрации каждого импульса. При замкнутой цепи обратной связи в системе устанавливаются два процесса рециркуляции при разных порогах компаратора. Так как задержки в компараторе при разных порогах будут не равны, то будут не равны соответствующие периоды рециркуляции. Разность периодов рециркуляции Д^ в соответствии с формулой (2) будет равна

иР

и

Р 2

м = Ц> - иа

0,5ЦР

'фр

и.

'фр.

За число периодов рециркуляции N1 разность задержек станет равной Т = ^А^, откуда

= М1 = Т

к = 0,5 = 0,5N .

Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точностью, чем короткий временной интервал, то значение ^ определяется по частоте рециркуляции /2 при пороге ир2. С учетом этого формула для расчета дальности приобретает следующий вид:

г с Г 1 Т Т , л, ь =-------(п0 -1)

/2 е 0,5^ NАn0 ;

Время электрической задержки 'е определяется при калибровке системы при Ь = 0. Отметим, что на втором этапе измерений принципиально не обязательно уменьшать порог компаратора именно в два раза.

Хотя излучение на обеих длинах волн Х1 и Х2 генерируется в одном лазере, для генерации требуются разные амплитуды токов накачки, поэтому и амплитуды оптических импульсов в общем случае могут различаться, что может привести к дополнительной погрешности при измерении дальности. Влияние этой погрешности может быть устранено при калибровке системы на нулевом расстоянии соответствующим изменением порогов регистрации для ка-

ждой длины волны.

N

2,4«104

2,2«104

2,0«104

1,9-104

1,6-104

-30

0, °С

На рис. 2 приведен график зависимости числа периодов рециркуляции N необходимого для измерения дальности с учетом дисперсии на трассе, от температуры 0 окружающей среды при Ь = 3000 м и АХ = 50 нм. Величина N показывает число периодов рециркуляции, при котором разность задержек на длинах волн Х1 = 837 нм и Х2 = 787 нм достигнет Т = 100 нс. На рис. 3 представлен график зависимости А'(Ь) при

0 10 Рис. 2

различных температурах 0 и АХ = 70 нм (Х1 = 837 нм): при Ь « 3000...5000 м значение А' из меняется в пределах 1...15 пс, при этом время определения дальности составляет менее 1 с.

На основе сравнения результатов измерения дальности одноволновым дальномером (А, = =837 нм) и разработанным двухволновым рециркуляционным дальномером (^ = 837 нм, Х2 = =787 нм) построена зависимость разности АЬ показаний двух дальномеров от измеряемого расстояния Ь при различных температурах 9 окружающей среды и давлении р = 760 мм рт. ст. (рис. 4). Очевидно, показания дальномеров будут совпадать лишь при 9 = 0, при других температурах одноволновой дальномер дает погрешность до 15 см, что связано с отсутствием

информации о скорости распространения излучения на трассе.

А/, с

2^10-

1>10-

Ы0-

5^10-

9=-2

ч-20

11

0

АЬ, м 0,2

1000 2000 3000 Рис. 3

4000

Ь, м

0,1 0 -0,1 -0,2

9=- 20°С ---

- - -

- - ■

- - " 0

»-.-г- ■гг.-

" - » --- —■ — — - ____ +20

■ —- ■ —. +30 — —

* " — ■

0

1000

2000

3000 4000 Рис. 4

5000

6000 Ь, м

Таким образом, благодаря использованию в качестве источника излучения полупроводникового лазера с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой удается сформировать в дальномере зондирующий сигнал на двух различных оптических длинах волн. Реализация режима оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности, а использование динамического порога компаратора позволяет скомпенсировать влияние амплитуды дистанционного импульса и различия амплитуд зондирующих импульсов на точность измерений. По сравнению с известными двухволновыми дальномерами разработанная система имеет преимущество, заключающееся в том, что оба зондирующих сигнала на разных длинах волн генерируются в одном оптическом резонаторе: это обеспечивает стабильность разностной длины волны в результате синхронизации электронно-оптических процессов в активной области излучения лазера. Лазеры на основе асимметричных квантово-размерных гетероструктур [4] также способны излучать когерентные оптические сигналы со стабильной амплитудой и частотой повторения в гигагерцовом диапазоне. Это обеспечивает дополнительные возможности для создания новых высокоэффективных импульсных систем лазерной дальнометрии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. 1810753 СССР. Рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов, С. Д. Жарников, И. А. Малевич // 1993. Бюл. № 15.

2. Пат. 8172 РБ. Прецизионный рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов. 2006.

3. Ikeda S., Shimizu A. Evidence of the wavelength switching caused by a blocked carrier transport in an asymmetric dual quantum well laser // Appl. Phys. Lett. 1991. Vol. 59, N 5. P. 504—506.

4. Пат. 1385 РБ. Полупроводниковый лазер / А. А. Афоненко, В. К. Кононенко, И. С. Манак. 1996.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Козлов В. Л., Кононенко В. К., Кузьмин К. Г., Манак И. С. Рециркуляционный дальномер на основе двухволнового инжекционного лазера // Датчики и системы. 2001. № 7. С. 32—35.

Владимир Леонидович Козлов

Сведения об авторе канд. техн. наук, доцент; Белорусский государственный университет, кафедра квантовой радиофизики и оптоэлектроники, Минск; E-mail: KozlovVL@bsu.by

Рекомендована кафедрой квантовой радиофизики и оптоэлектороники

Поступила в редакцию 28.02.08 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.