6.5. Імпульсний і фазовий методи вимірювання дальності

В сучасній лазерній локації використовують два основних методи вимірювання нахиленої дальності – імпульсний і фазовий. Зауважимо, що в лідарах повітряного базування сьогодні використовується лише імпульсний метод, а в наземних лідарах – і імпульсний, і фазовий.

6.5.1. Імпульсний метод

Реалізація імпульсного методу вимірювання нахиленої дальності передбачає визначення часу розповсюдження короткого лазерного імпульсу від джерела випромінювання до об’єкта і назад до приймача. З врахуванням сталості швидкості розповсюдження електромагнітних коливань в атмосфері м/c, вимірянна тривалість розповсюдження лазерного імпульсу дозволяє визначити нахилену дальність за простою формулою:

. (6.1)

На рисунку 6.7 надана типова форма зондуючого лазерного імпульсу в лідарах типу ALTM канадської компанії Optech Inc., а на рисунку 6.8 показана принципова схема приймально-передавального блоку при реалізації даної схеми вимірювання.

Рис. 6.7. Типова форма зондуючого імпульсу при імпульсному методі докації

Рис. 6.8. Принципова схема приймально-передавального блоку при імпульсному методі локації

Як випливає з документів, що надаються разом з приладом, реалізація імпульсного методу вимірювання дальності достатньо проста у функціональному відношенні. Тому і апаратна реалізація цього метода не викликає серйозних проблем, що в решті решт приводить до досягнення стійкості і достовірності отриманих даних.

Надамо деякі додаткові міркування, які характеризують імпульсний метод:

1. По можливості, повинна бути забезпечена мінімальна тривалість зондуючого імпульсу та його максимальна добротність (тобто максимально крутий передній фронт). Ця вимога здається повністю природною. Абсолютно аналогічні вимоги до форми зондуючого імпульсу висуваються в радіолокації та інших технологіях активного зондування.

2. Описана схема вимірювань передбачає сталість швидкості і прямолінійність розповсюдження лазерного імпульсу в атмосфері. Строго кажучи, це не зовсім так, якщо врахувати явище рефракції, яке приводить до викривлення оптичної траєкторії імпульсу. Це явище проявляється тим сильніше, чім більше висота знімання. Для останньої розробки компанії Optech Inc лідара ALTM 3100 фактично висота знімання може досягати великих значень – до 4000 м. На таких висотах вплив рефракції для лазерних точок, отриманих на краях смуги знімання, вже сумірний з точністю метода. Ці обставини вимушують приймати спеціальні засоби для корекції координат лазерних точок на етапі наземної обробки. Корекція проводиться з використанням аналітичних залежностей, що описують величину рефракції в залежності від фізичних параметрів атмосфери, таких як температура і тиск на рівні землі.

Таблиця 6.2 містить концептуальні переваги і недоліки імпульсного методу вимірювання нахиленої дальності.

Таблиця 6.2

Основні переваги і недоліки імпульсного методу вимірювання дальності

Переваги	Недоліки
- висока стійкість метода вимірювань; - порівняно проста схема оптико-електронного тракту; - можливість реєстрації багатократного відбивання.	- обмеження по точності, яка може бути досягнута і роздільній здатності; - принципове обмеження продуктивності при використання одиночного приймача за нормою «висота знімання – частота імпульсів».

Проаналізуємо найбільш важливі недоліки імпульсного методу вимірювання дальності.

1. Як і у всіх інших поріднених технологіях, в лазерній локації прийнято вважати, що імпульсний метод програє за точністю фазовому.

Це відбувається тому, що фактична точність кожного вимірювання залежить від ряду параметрів. Такими параметрами є наступні:

• тривалість і форма (зокрема, крутизна переднього фронту) зондуючого імпульсу;

• відбивальні характеристики об’єкта;

• оптичні властивості атмосфери;

• текстура и орієнтація елементарної поверхні об’єкта, яка викликає відбивання зондуючого пучка по відношенню до лінії візування;

• інші.

Вплив перелічених параметрів зводиться до ослаблення, „розмиття” форми відбитого імпульсу на вході оптичної схеми приймача, тобто до зростання невизначеності у вимірювання тривалості затримки розповсюдження зондуючого імпульсу до об’єкта і назад.

2. Принципове обмеження продуктивності за нормою „висота знімання – частота імпульсів” полягає в наступному. З наданої вище функціональної схеми лідара імпульсного типу видно, що кожний наступний зондуючий імпульс може бути випромінений лише після того, як зареєстрований попередній відбитий імпульс. З врахуванням швидкості розповсюдження електромагнітних коливань можна отримати просте співвідношення, яке визначає теоретичну межу частоти зондуючих імпульсів в залежності від висоти знімання , а саме:

.

Значення , які розраховані у відповідності з цією формулою, наведені в таблиці 6.3.

Таблиця 6.3.

Максимально можлива частота зондуючих імпульсів в залежності

від висоти знімання при імпульсному методі

Висота знімання ( ), м	Максимально можлива частота зондуючих імпульсів ( ), КГц
300	500
1500	100
3000	50

Надані в таблиці 6.3 значення частот є теоретичними, максимально можливими. На практиці вони дещо менше.

Відзначимо також, що дане принципове обмеження в той чи іншій мірі відноситься і до всіх інших методів активного дистанційного зондування. Тут воно згадується тому, що, як було сказано вище, в авіаційній лазерній локації на сьогодні використовується винятково імпульсні методи. Тому це обмеження суттєве для практиці, якщо брати до уваги значні висоти знімання.

Подальшим розвитком імпульсного метода є так званий метод реєстрації форми відбитої хвилі (wave form registration). Практичну реалізацію даного методу забезпечують, наприклад, лідари ALTM 30/70 і ALTM 3100 в якості опції до базового імпульсного методу вимірювання.

Технологія реєстрації форми відбитої хвилі передбачається запис в цифровому вигляді повної форми відгуку на кожний зондуючий імпульс з частотою дискретизації 1 ГГц і вище. Зареєстрована таким чином хвиля дає „історію” відбивання зондуючого імпульсу від всіх перешкод, які зустрічаються на його шляху (рис. 6.9). Найбільшу цінність така інформація може представляти для використання в спеціалізованому програмному забезпеченні обробки лазерно-локаційних даних для більш достовірного розпізнавання і геопозиціонування об’єктів різних класів.

Рис. 6.9. До визначення методу реєстрації форми відбитої хвилі

Іншим можливим застосуванням може бути використання даних такого типу для нормалізації зображень розподілу інтенсивності з врахуванням висоти польоту і кута падіння зондируючого пучка.