СОЗДАНИЕ ФАЗОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА НА РОССИЙСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ACTIVE POWER MEASUREMENT METHOD ASYMMETRIC THREE -PHASE CHAIN

Yu.M. Gorbenko, V.V. Kiryukha

The task of measuring active power in an asymmetric three -phase circuit based on a differentiating inductance converter is considered. The meter diagrams are offered. One of the options is analyzed.

Key words: three-phase circuit, active power, transformer of it-ka, differentiating an induction transducer of current.

Gorbenko Yuri Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, gorbenko.um@mail.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University,

Kiryukha Vladimir Vitalievich, docent, vkiryuha@list.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University

УДК 621.3

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-253-254

СОЗДАНИЕ ФАЗОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА НА РОССИЙСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ

Я.С. Малмыгин, А.Е. Гусева, С.О. Гриднев

В статье рассмотрена возможность создания отечественного лазерного дальномера из радиодеталей. В основу методики разработки и проектирования заложена простота расчетов и компьютерное моделирование отдельных узлов схем. Для данного дальномера необходим отражатель, так как в его конструкции не используются лавинные фотодиоды. Он будет применятся в геодезии и маркшейдерии как дополнительный прибор высокой точности для слежения за деформациями бортов карьера.

Ключевые слова: лазерный дальномер, генератор сигналов, лазерный излучатель, лазерный приемник, усилитель, транзистор.

Лазерные дальномеры предоставляют возможность дистанционного измерения расстояния до объекта. Они делятся на несколько типов по принципу измерения дальности: импульсные, фазовые и триангуляционные [1].

В этой статье будет рассмотрены основные узлы фазового дальномера. Отличие разрабатываемого дальномера от аналогов является полное отсутствие зарубежных радиодеталей.

Излучение лазера, отражается от объекта и принимается фотоприемником. После чего фаза излученного сигнала сравнивается с фазой принятого сигнала. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером (рис. 1) [2].

На рисунке 2 представлена структурная схема фазового лазерного дальномера. В нее входят такие узлы как генераторы сигнала, усилители, лазерный излучатель, фотодиод, смесители, фильтры и микроконтроллер, который выполняет цифровую обработку сигналов [3].

Генераторы собраны на микросхеме КА155ЛА3. Прямоугольные импульсы проходят LC фильтр для получения гармонического сигнала. После, сигнал с генератора подается на усилитель для модуляции лазерного излучения и излучается в пространство с помощью лазерного диода.

Также сигналы с генераторов подаются на первый смеситель для прямого преобразования. После, получившийся сигнал проходит ФНЧ и усилитель, и подается на вход микроконтроллеру для запуска таймера.

Для приема сигнала используется фотодиод ФД263-01. После чего принятый сигнал усиливается и отправляется в смеситель, где происходит прямое преобразование. После преобразования сигнал фильтруется, усиливается и подается на вход микроконтроллера через усилитель, который останавливает таймер.

Фильтр после генераторов необходим для получения узкополосного сигнала. Это позволяет сильно уменьшить влияние шумов на результат измерения расстояния.

Схема передающей и приемной части была смоделирована в программе LTspice XVII [4].

На схеме, передающей части (рис. 3), сигнал с генератора, роль которого играет источник напряжения У2, проходит полосовой фильтр, состоящий из конденсаторов C3 и С4 и индуктивности L1. После прохождения фильтра сигнал приобретает синусоидальную форму (рис. 4). Затем сигнал попадает на усилительный каскад, собранный на транзисторе УГ1 и резисторах И2 и Я3, при этом ток на лазерном диоде изменяется по гармоническому закону (рис. 5).

Рис. 1. Сдвиг фаз отраженного сигнала относительно излученного

Рис. 2. Структурная схема фазового лазерного дальномера

ф:

СЗ и

—II--II-

20р 600м 50к 1(1

о

Р1И5Е(0 3 0 1р 1р 250п 500пТ20[ АС 1

.Ь-ап 0 10и 0 1п ;.ас м± 1000 1 Югаед

Рис. 3. Схема передающей части

Рис. 4. Форма напряжений до и после фильтрации

Ц5 6|1Б

Рис. 5. Форма тока на лазерном диод 254

Рис. 6. Общая схема приемной части

Излученный сигнал отражается от отражателя и попадает на фотодиод, роль которого выполняет эквивалентная схема из источника тока Г2, резистора R1, емкости p-n перехода О, источника входящего сигнала П и диода D1. После принятия сигнала фотодиодом, сигнал попадает на усилитель DA1, через дифференциальную цепь. Данная цепь нужна для гашения синфазной наводки (рис. 7). На рисунке 8 можно увидеть принятый дифференциальный сигнал, снятый в точках А и Б.

^глп О 1т □ Ют]

-Г ?

ЮР о

С2 Кб

гЧ \-±ААг 1 1|1 10к

п ; Э1КЕ{0 ЮОи 1.7тед) АС 100п

юк

Ю

-ЛЛ—|

Рис. 7. Схема фотодиода с усилителем

После усиления сигнал попадает на смеситель (рис. 12), где смешивается с сигналом гетеродина, частота которого отличается от частоты модуляции на 10 КГц. Смесь сигнала, принятого фотодиодом с сигналом гетеродина, можно увидеть на рисунке 9 (зеленная линия). Когда сигнал смешался он поступает на фильтр низких частот, где происходит подавление высокочастотной составляющей смешанного сигнала (рис. 10, синяя линия).

Рис. 8. Дифференциальный си

Рис. 9. Сигнал на выходе смесителя и после фильтрации

На рисунке 10, можно увидеть спектр смешанного сигнала до фильтрации (зеленная линия) и после (красная линия).

Рис. 10. Спектры сигнала до фильтрации и после

В15

5к

С7

-II-

ЛА

15|1

5ШЕ(0 1 1.1

V

<!1

ВС547В

С4 200п

..;■'■"'Я13 ' юк

Р11

ЛА 1к

;'Н12

И4

ЛЛ/,

ЗООк

>

1я

, М4 1к

Рис. 11. Схема смесителя с усилителем промежуточной частоты

Пройдя фильтрацию, сигнал попадает на усилитель промежуточной частоты, после чего полученный сигнал можно отправить на микроконтроллер для дальнейшей обработки.

Суть обработки сигнала на микроконтроллере заключается в запуске таймера, при появлении положительной полуволны фазы излученного сигнала и остановки таймера при появлении положительной полуволны на принятом сигнале. Количество подсчитанных импульсов будет показывать разность фаз двух сигналов (рис. 12) [5].

Рис. 12. Определение фазового сдвига Расчет систематической ошибки [6]:

Систематическая ошибка появляется из-за дискретного подсчета импульсов при определении

фазы.

Расстояние однозначного определения дальности вычисляется по формуле:

С

Ь=Р

где С - это скорость света, F - частота модуляции лазера.

При частоте модуляции 10 МГц, измеряемое расстояние будет равно:

3*108

=30 -

Точность измеряемого расстояния будет завесить от зашумленности сигнала и от частоты генератора счетных импульсов. При частоте генератора Fг в 100 МГц, количество отсчетов на период равно:

К. 108

Точность определения расстояния при заданном количестве импульсов на период определяется по формуле:

I 30 ¿Ь = —= — =3 м. N 10

Из этого можно сделать вывод, для того чтобы повысить точность необходимо либо повысить частоту генератора счетных импульсов, либо использовать прямое преобразование, в котором понижается частота модуляции и сохраняется информация о фазе.

При использовании промежуточной частоты в 10 КГц ошибка будет равна:

ЬЕ, 30 * 104 (И= -у-= ——— = 0,003м = 3мм.

Расстояние до измеряемого объекта вычисляется по формуле:

1= ¿И *п.

где п - количество отсчетов получившиеся при счете импульсов. Расчет случайной ошибки:

Случайная ошибка возникает из-за шумов в сигнале. Для уменьшения данной ошибки необходимо иметь хорошее отношение сигнал/шум.

На рисунке 13 представлен график зашумленного сигнала при отношении сигнал/шум 20 раз. Амплитуда шума 250 мВ. Данная ошибка будет в случайном порядке запускать и останавливать таймер, а это в свою очередь даст случайную ошибку при определении фазы dф (рис. 14).

0 1- 0 5 2у. 0 5 3- 0 5 4- о-5 0 : 7- 0 5 8 - 0 : 0-5 У

1т

> -

-1.5-

-А.у

Рис. 13. График зашумленного сигнала

Рис. 14. Случайная ошибка фазы

-XI : 4п |у1 ■ и : здк-ю*1 :и; Айьаг1 ! . .г1

Рис. 15. Случайная ошибка фазы

Из графики, представленного на рисунке 15, можно определить время перехода сигнала через 0. Время перехода при амплитуде шума 250 мВ равно 0.2 мкС. Период счетных импульсов равен 0.01 мкс. Количество ошибочных импульсов можно вычислить по следующей формуле:

257

М= £1= ±1 = 20.

0.01

Ошибка определения расстояния вычисляется по формуле:

йЬсл = йЫ*йЬ = 20* 0,003 = 0.06 м. Рассчитаем ошибку для отношения сигнал/шум 200 раз.

515(1:1.0) О

Це^Ши

ЧИч' в

495.10 ' 496-10 ' 4.97-10 ' 4.9ВхЮ " 4.99-10 ' 5-10 ' 5.;:-10 ' 5.02*10 ' 103-10 ' 5X4-10 ' 5:5-10 '

II

Рис. 16. Случайная ошибка фазы

Из графика, представленного на рисунке 16 определим время перехода сигнала через 0. Время перехода сигнала через 0 равно 0.07 мкС. Количество ошибочных импульсов равно 7. Ошибка определения расстояния равна 0.021 м.

Из этих расчетов можно сделать следующий вывод. При уменьшении амплитуды шума, увеличивается точность определения расстояния. Для того, чтобы убрать случайную ошибку, необходимо, чтобы отношение сигнал/шум было более 2000 раз.

По данной модели была разработана электрическая схема (рис. 17) и печатная плата (рис. 18).

гчя-

=Оеата1МитЬег

гттнцтиАпьчдя

Рис. 17. Электрическая схема фазового дальномера

В дальнейшем предстоит собрать данную схему и оценить точностные характеристики данного фазового дальномера.

Данная схема состоит из двух генераторов, частота которых отличается на 10 КГц, усилителя сигнала для модуляции лазерного излучения, двух смесителей, трех усилителей и фазосдвигающей цепи для точного выставления фазы излученного сигнала, относительно принятого сигнала.

258

Печатная плата получилась достаточно больших размеров 15 на 15 см. Это связанно с тем, что в процессе построения электрической схемы была применена отечественная электронная база и не было цели экономить место, так как данная плата является опытным образцом, которая будет дополняться схемами и элементами в ходе тестирования.

Была собрана предыдущая версия платы лазерного дальномера (рис. 19) а так же получены следующие осциллограммы (рис. 20).

Рис. 19. Опытный образец Рис. 20. Осциллограммы принятого

и излученного сигнала

Из осциллограмм, представленных на рисунке 20, видно, что принятый сигнал (синий) имеет шумовую составляющую. Амплитуда данного шума примерно равно 10 мВ, при амплитуде принятого сигнала в 60 мВ. Для точного определения расстояния необходимо усилить сигнал и отфильтровать, что будет сделано в новой версии платы (рис. 18)

Список литературы

1. Краткий обзор импульсных и фазовых лазерных дальномеров / Антоненко К.О. // Уфимский государственный авиационный технический университет. 2021. Вып. 4. С. 22 - 29.

2. Лазерная дальнометрия / Л.А. Аснис, В.П. Васильев, В.Б. Волконский и др. М.: Радио и связь, 1995 256 с.

3. Барышников Н.В., Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Приемопередающие устройства лазерных локационных изображающих систем. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 84 с.

4. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств: Издательский дом «Додэка - XXI», 2005. 528 с.

5. Карасик В. Е. Лазерные приборы и методы измерения дальности М.: им. Н. Э. Баумана 2012

96 с.

6. Метод высокоточного измерения дальности путем использования цифровой обработки эхо-сигнала / В. Б. Бокшанский М.В. Вязовых, Е Т э Вун // Вестник Московского Государственного Технического Университета им. Н.э. Баумана. Серия приборостроение. 2011. Вып. 2. С. 177 - 188.

7. L. Gatet, H. Tap-Bfteille, and M. Lescure, Analog neural network design for real-time surface detection with a laser rangefinder // in Proc. IEEE Int. Conf. IMTC, Warsaw, Poland, May 1-3, 2007. P. 1-6.

8. S. Poujouly and B. Journet, "Laser Range-Finder by Phase-shift Measurement: Moving Toward Smart Systems", Proc. SPIE, 2001. Vol. 4189. P. 152-160.