CC BY
90
РАЗРАБОТКА ОПОРНОГО КАНАЛА КОГЕРЕНТНОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА
Сергей Николаевич Макаров
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, старший научный сотрудник лаборатории 2-1, тел. (383) 30662-08, e-mail: [email protected]
Илья Сергеевич Глебус
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, инженер лаборатории 2-1, тел. (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрена и описана интерферометрическая схема когерентного лазерного дальномера с опорным каналом; предложена схема опорного канала с обратной связью, изложено её описание. Построена математическая модель работы опорного канала; а также осуществлена настройка параметров модели и проведён анализ результатов симуляции.
Ключевые слова: лазерный дальномер, интерферометр Майкельсона, оптическое гетеродинирование.
DEVELOPMENT OF THE BASIC CHANNEL OF A COHERENT LASER RANGE FINDER
Sergey N. Makarov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, 41, Russkaya str., Novosibirsk 630058, senior researcher, laboratory 2-1, (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
Ilya S. Glebus
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, 41, Russkaya str., Novosibirsk 630058, engineer, laboratory 2-1, (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
In article the interferometric scheme of a coherent laser range finder with the basic channel is considered and described; the scheme of the basic channel with feedback is offered, its description is stated. The mathematical model of the basic channel operation is constructed; the adjustment of model parameters and the analysis of simulation results are carried out.
Key words: laser range finder, Michelson interferometer, optical heterodyning.
1. Введение
В современном производстве, строительстве и геодезии имеется потребность измерения расстояний и обмера геометрии различных крупногабаритных объектов, имеющих характерные размеры до нескольких десятков метров. Для решения данной задачи необходимо разработать лазерный дальномер - прибор, позволяющий измерять расстояния до любой поверхности бесконтактным способом.
Требования к дальномеру были выставлены потенциальными заказчиками подобной системы. Необходимый измерительный диапазон составляет от 1 до
150 метров, при точности измерения от ±0.1мм до ±5мм, в зависимости от измеряемого расстояния и типа поверхности. Скорость выполнения измерений должна быть не менее 1000 измерений в секунду. Рабочая оптическая поверхность объекта, до которого измеряются расстояния, предполагается диффузно-рассеивающей свет.
Данная работа посвящена разработке одного из функциональных узлов когерентного лазерного дальномера - его опорного канала измерения, представляющего калиброванную длину, реализованную в оптоволоконной линии задержки [1].
Основным назначением опорного канала дальномера является реализация калиброванной меры расстояния, с которой ведется сравнение измеряемого в воздухе расстояния до объекта. Такой подход позволяет компенсировать влияние различных неизвестных параметров оптической схемы когерентного лазерного дальномера на точность измерения расстояния.
2. Интерферометрическая схема измерения расстояния с использованием оптического гетеродинирования частотно-модулированного излучения
Используемая схема представляет собой интерферометр Майкельсона [2] в оптоволоконном исполнении. В качестве источника излучения используется лазер с линейно перестраиваемой длиной волны во времени.
Перестройка частоты излучения лазера во времени приводит к тому, что смешиваемые оптические излучения опорного и измерительного плеч на выходе интерферометра имеют различные оптические частоты.
Разница двух частот излучения связана с разной временной задержкой распространения света в плечах из-за разницы оптических путей. Чем больше эта задержка, тем больше становится разница оптических частот.
Из-за того, что смешиваемые оптические излучения имеют разные частоты, их регистрируемая интерферограмма на фотоприемнике будет «бежать» на некоторой частоте биений соъ, которая равняется разнице оптических частот.
Объект
Измерительное плечо
Рис. 1. Оптоволоконная реализация измерителя расстояния
Измеряемое расстояние, L
Лазер с линейно перестраиваемой частотой излучения
во времени, с(?)
, 21,
ф(ї-------)
с
УУ
со(і)
Фото-
детектор
, 2Ь/
ф(ї-------)
с
-/
/
Оптические частоты, присутствующие на входе фотодетектора
Исходящая
Ат(і)
Сигнал биений частоты, фиксируемый фотодетектором
Ат(і) =т(і) — ю(і — —) ;
! с !
V V
т
РРис. 2. Частотная модуляция лазерного излучения
Т
При кусочно-линейной модуляции частоты лазера во времени частота биений линейно связана с измеряемым расстоянием.
, ч 4До
съ (*) = ^ •Ь, (1)
с • Т
mod
Ь = С • ТшоА
4 •А®
ь,
(2)
где с - скорость света; Гтой - период модуляции оптической частоты; До
диапазон перестройки оптической частоты; юъ
детектируемого сигнала; Ь - измеряемое расстояние.
частота биений
3. Введение опорного канала в схему дальномера
Из (1) следует, что частота биений зависит не только от расстояния до объекта, но также от параметров лазера и скорости перестройки его оптической частоты. Флуктуации диапазона перестройки частоты, периода её модуляции и скорости изменения приводят к возникновению погрешности измерения расстояния. Поскольку мы не имеем точной модели лазера, то аналитически компенсировать эти погрешности затруднительно. Это означает, что нужно изменить схему дальномера так, чтобы измеряемое до объекта расстояние не зависело от этих параметров.
Новая модификация дальномера сводится к введению в его схему опорного канала (рис. 3), который представляет собой второй интерферометр с заданной
калиброванной разностью длин плеч. В качестве источника света для опорного канала используется излучение того же лазера, что и в измерительном канале. Поэтому, сигнал, полученный на фотоприёмнике опорного канала, будет осциллировать на частоте биений, соответствующей разности длин плеч опорного интерферометра, с теми же самыми характеристиками перестройки оптического излучения, что и в измерительном канале. Это дает возможность компенсировать неизвестные характеристики перестройки оптической частоты лазера.
Рис. 3. Введение опорного канала в схему дальномера
Поскольку обе частоты биений интерференционных сигналов зависят от одних и тех же параметров лазера, то выполняется соотношение, не зависящее от параметров лазера, откуда легко можно найти измеряемую длину:
(3)
где си0, со1 - частоты биений в опорном и измерительном каналах
соответственно; Ь0 - разница длин плеч опорного интерферометра.
Опорный канал дальномера был реализован аппаратно (по схеме на рис. 3). В макете был применен управляемый источник тока LD1255R (Thorlabs), DFB лазер модели FOL15DCWD (FITEL), фотодиод модели ЕРМ 745 (JDSU).
Эксперимент по получению сигнала биений имел следующие параметры: Время линейной перестройки тока лазера: 0.283 с
Рабочий диапазон перестройки тока лазера: 0.094.. .0.204 А
- Скорость нарастания тока лазера: 0.389 А/сек
- Оптическая разность хода лучей в волокне: 1 м
Полученный интерферометрический сигнал биений был оцифрован, затем вычислен его спектр, относительная ширина которого составила 52%. Значит, такую же погрешность имеет и измеряемое расстояние.
Достоинства текущей схемы: высокая чувствительность, абсолютное измерение расстояния, работа с диффузно-отражающими поверхностями, отличное подавление внешних низкочастотных засветок.
Недостаток: нестабильность частоты биений интерферометрического
сигнала за время измерения, т.е. нелинейность перестройки частоты излучения лазера во времени, приводящей к нестабильному сигналу биений.
4. Схема опорного канала с обратной связью
Для повышения точности измерения расстояния необходима схема модуляции тока лазера, которая бы стабилизировала частоту биений, и минимизировала относительную ширину спектра сигнала биений.
Для реализации схемы стабилизации, было принято решение о введении в схему опорного канала обратной связи [3].
Рис. 4. Схема линеаризации модуляции оптической частоты
Работа схемы (рис. 4) описывается следующим образом:
- Сигнал биений, получаемый на фотоприемнике опорного канала усиливается, выполняется измерение его мгновенной частоты биений, которое затем сравнивается с заданной частотой биений, а отклонение в виде сигнала ошибки подается на вход схемы обратной связи.
- Схема обратной связи представляет собой PID-контроллер [4], который по сигналу ошибки частоты выдает сигнал корректировки угла наклона кривой тока накачки лазера. Угол наклона кривой преобразуется интегратором непосредственно в сигнал тока лазера.
- К сигналу тока лазера добавляется ток смещения, обеспечивающий рабочий диапазон токов лазера (пороговый ток лазерной генерации и ток выхода на рабочий режим).
- Результирующий ток приводит к тому, что лазер генерирует излучение с оптической частотой, модулированной требуемым наклоном, обеспечивающим постоянство частоты сигнала биений.
Для анализа текущей схемы, была реализована математическая модель её работы в среде Matlab Simulink. Целью, которую мы перед собой ставили, являлась настройка параметров обратной связи таким образом, чтобы:
1. Переходной процесс установления рабочего режима занимал время значительно меньшее, чем имеющийся бюджет времени для измерения расстояния длительностью в 1 мс. В течение переходного процесса мы не можем производить измерений, поскольку частота биений нестабильна.
2. После установления рабочего режима, обратная связь выполняет удержание частоты биений в опорном канале. Критерием этого может быть ширина спектра сигнала биений за время измерения порядка 1 мс.
После нескольких итераций настройки обратной связи нам удалось получить устойчивую работу, которая сходится к заданной частоте биений за время порядка 40 мкс, что намного меньше, чем время измерения частоты биений в 1 мс. Стандартное отклонение сигнала рассогласования в установившемся режиме составляет порядка 700 Гц при заданном значении частоты биений 1 МГц. Ширина спектра по порядку величины соответствует соотношению неопределенности Фурье-преобразования, ограничивающему ширину спектра Av > T-1~103 Гц. Тем самым для данного времени измерения частоты в 1 мс схемой стабилизацией частоты биений достигнуто значение стабилизации Av ~103 Гц. Относительная ширина спектра стабилизированного по частоте сигнала биений составляет порядка 0,1%.
Результаты моделирования показали, что возможно создание схемы стабилизации частоты биений в опорном канале дальномера, которые потенциально улучшат, т.е. снизят относительную ширину спектра сигнала биений в сотни раз по отношению к схеме без стабилизации частоты.
Результаты проведенной работы можно применить для дальнейшей практической программно-аппаратной реализации схемы опорного канала дальномера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Dougherty D.J., Gutierrez R.C., Dubovitsky S., Forouhar S. Semiconductor Laser Linewidth Measurements for Space Interferometry Applications // Proc. SPIE. - Vol. 3626.
2. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
3. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 2003. - 704 с.
4. Ang, K.H., Chong, G.C.Y., and Li, Y. (2005). PID control system analysis, design, and technology. IEEE Trans Control Systems Tech. - 13(4).
© С.Н. Макаров, И.С. Глебус, 2012
