6.5.2. Фазовий метод

Перейдемо до розгляду фазового метода.

Рис. 6.10. До пояснення фазового методу визначення нахиленої дальності

Рисунок 6.10 пояснює принцип визначення нахиленої дальності при використанні фазового методу. Ідея методу полягає у визначенні кількості цілих довжин хвиль між локатором і об’єктом та різності фаз хвиль, що випромінюється та приймається. Ширина смуги модуляції до 10 ГГц при використанні сучасних лазерних діодів (semiconductor laser diodes). Відзначимо, що в цьому випадку зондуюче випромінювання повинно бути неперервним, що у загальному випадку значно підвищує вимоги за вихідною потужністю випромінюючого лазера у порівнянні з імпульсним методом.

Нагадаємо, що фазовий метод вимірювання дальності поки що застосовується лише в лідарах наземного базування.

Головна перевага фазового методу вимірювання – більш висока точність, яка може досягати міліметрів. Взагалі фазові вимірювання в оптичній і радіодалекометрії (в тому числі в GPS і ГЛОНААС методах) вважаються самими точними. Для того щоб пояснити це твердження розглянемо фазовий метод вимірювання дещо ретельніше.

Для того, щоб визначити відстань між джерелом і об’єктом, необхідно:

1. Визначити цілу кількість довжин хвиль модуляції , яка приходиться на цю відстань.

2. Визначити різницю фаз між прийнятою і опорною хвилею і тим самим оцінити додаткову відстань, яка відповідає „останній” неповній хвилі.

Якщо значення і вдалося визначити, то пошукана відстань визначається за формулою:

,

де – довжина хвилі модуляції.

Наведеної формули достатньо, щоби в принципі дати пояснення високої точності фазового методу далекомірних вимірювань. Точність величини визначається стабільністю частоти генератора моделюючого коливання. В сучасних умовах можливо досягнути дуже високої точності цього параметра. Інакше кажучи, якщо значення визначене правильно, то член практично не вносить ніякого внеску в результуючу помилку вимірювання дальності.

Величина також може бути визначена достатньо точно. В залежності від типу лідара може використовується або апаратний метод визначення значення за допомогою так званих фазіметрів, або прийнятий сигнал в цифровій формі записується на магнітний носій, а всі настурні процедури аналізу фази здійснюється програмно. У будь-якому випадку вдається досягнути високої точності визначення по наступним причинам:

• за рахунок використання синусоїдального закону модуляції ширина спектра вхідного і вихідного сигналу надзвичайно мала. Теоретично можна говорити про нескінченно вузький спектр, тобто про одну єдину дискретну частоту – .

Важливо, що вхідне і вихідне випромінювання може відрізнятися за інтенсивністю (тобто за амплітудою хвилі модуляції), але не за частотою . Ця обставина обумовлює високу ефективність і точність кореляційних методів, які використовуються при пошуку значення .

• фазовий метод, на відміну від імпульсного, дозволяє отримати чисельні значення і оцінити достовірність і точність зробленого далекомірного вимірювання за рахунок аналізу взаємної кореляційної функції випромінювання, яке було випромінене і прийняте. Достовірний (і як наслідок точний) результат вимірювання буде характеризуватися наявністю яскраво вираженого максимуму взаємної кореляційної функції, а у недостовірного вимірювання відповідна функція буде мати розмитий вигляд і значення максимуму буде визначатися не точно. Наявність можливості чисельної оцінки достовірності вимірювання дозволяє, якщо необхідно, ігнорувати деякі вимірювання, точність яких знаходиться нижче допустимого порога.

В таблиці 6.4 зведені основні переваги і недоліки фазового методу вимірювання дальності.

Таблиця 6.4

Основні переваги і недоліки фазового методу вимірювання дальності

Переваги	Недоліки
Найбільш можлива точність вимірювання; Більш висока продуктивність	обмежена дальність дії; можливість неоднозначності при визначенні цілої кількості довжин хвиль; висока потужність випромінювача, що споживається; неможливість реєстрації багатократного відбивання

Висока продуктивність, яка наведена як одна з переваг фазового методу що зводиться до кількості далекомірних вимірювань за секунду, яка сьогодні для деяких моделей наземних лазерних сканерів наближається до 1 ГГц, можна пояснити наступним:

• по-перше, за описаними нижче причинами робочі дальності дії фазових лідарів невеликі, не більше 200 м. Тому ці прилади за нормою „висота (дальність) знімання – частота імпульсів” обмежені за частотою імпульсів в меншій ступені;

• по-друге, за рахунок використання модулювання несучого коливання деякі з фазових приладів взагалі Вільни від цього обмеження. При зміні закону модулювання в часі з’являється можливість подолати змішання сигналів, відбитих від різних компонентів сцени і інших сигналів, які надійшли на вхідну зіницю приймача одночасно. Так як закон моделювання і функція його зміни відомі точно, це дозволяє надійно детектувати обидва сигнали роздільно.

Тепер розглянемо недоліки фазового методу вимірювання. В основному вони зводяться до проблеми неоднозначності визначення кількості цілих довжин хвиль і необхідності прийняття додаткових засобів по ліквідації цієї неоднозначності. Дійсно, фазовий метод в тому вигляді, як він описаний вище, не містить ніяких механізмів визначення значення . Більш того, при використанні однієї частоти модуляції визначення дальності при використання винятково фазового методу принципово неможливо. Для рішення задачі невизначеності по цілим довжинам хвиль застосовують різні методи, які, проте, можуть бути об’єднані у дві великі групи:

1. використання додаткових джерел інформації по виміряної дальності;

2. багаточастотні методи.

В першому випадку необхідно мати деяку апріорну інформацію про значення величини з точністю не гірше 0.5 . Наприклад цю величину можна отримати, виконав вимірювання нахиленої дальності імпульсним методом, а потім уточнивши фазовим методом.

В другому випадку використовують модуляцію несучої двома або більше синусоїдальними коливаннями. Це дозволяє однозначно зняти невизначеність по цілим довжинам хвиль в діапазоні від 0 до деякого максимального значення . Якщо виміряні дальності перевищують , то зняття однозначності не гарантується. Як вже було відзначено вище, на практиці значення поки що не перевищує 300 м.