4.2 Классификация методов измерения расстояний

Выбор параметра, по которому производится сравнение опорного и информационного сигналов, определяет метод измерения расстояния. Существуют следующие основные методы измерения расстояний:

- временной или импульсный;

- частотный;

- фазовый.

Фазовый метод может быть реализован в двух вариантах:

- на несущей частоте, т.е. без модуляции;

- на частоте модуляции.

Фазовый метод на несущей частоте называют интерференционным методом. Особенно применимо это название к оптическому диапазону.

В некоторых случаях используют сочетание импульсного и фазового методов, и такой комбинированный метод называют импульсно-фазовым.

4.3 Временной (импульсный) метод

При измерении расстояний импульсным методом измеряется непосредственно время распространения коротких, регулярно следующих со сравнительно долгими паузами импульсов. Эти импульсы излучаются установленным в начале линии приемо-передатчиком, проходят расстояние до отражателя на конце линии и возвращаются к ее началу. Искомое расстояние вычисляется по формуле (4.2)

Эта формула называется основным уравнением импульсного метода измерения расстояний.

При импульсном излучении передатчик работает лишь в течение коротких промежутков времени, равных длительности импульса (рис. 4.3,а).

Отношение периода повторения импульсов к длительности импульсов называется скважностью. Используемые для измерения дальности импульсы должны иметь исключительно малую длительность и очень большую скважность (более 1000). В противном случае будет невозможно определить, где кончается один импульс и начинается следующий.

В реальных системах энергия излучается обычно в виде высокочастотной несущей волны, на которую эти импульсы налагаются. Для этого применяется амплитудная или частотная модуляция (при импульсах почти прямоугольной формы говорят об амплитудной или частотной манипуляциях). Вследствие более простой осуществимости и существенно меньшей средней мощности излучения амплитудная манипуляция предпочтительнее. В течение длительности импульса излучаются высокочастотные колебания постоянной амплитуды, а в паузах между импульсами излучение отсутствует (рис. 4.3,б). При частотной манипуляции амплитуда излучаемых колебаний остается постоянной, а частота изменяется на время длительности импульса (рис. 4.3,в).

Рис. 4.3 – Форма немодулированных (а) и модулированных по амплитуде (б) и частоте (в) импульсов

Чтобы полученная величина измеряемого расстояния была однозначной, период следования импульсов должен быть больше времени пробега импульсом измеряемой линии туда и обратно. В этом случае отраженный сигнал достигает приемника раньше, чем излучается следующий импульс. Чем короче расстояние, тем выше допустимая частота следования импульсов .

Требуемая точность измерения времени определяется формулой (4.3). Для получения сантиметровой точности определения расстояний необходимо измерять время распространения импульса с погрешностью в десятые доли наносекунды, а для обеспечения миллиметровой точности – с погрешностью в сотые доли наносекунды. Точность регистрации импульсов зависит от возможностей фиксации опорных точек импульса (которые являются точками начала отсчета при измерении времени пробега) и, прежде всего, от крутизны фронтов импульса.

При использовании для измерения расстояний волн радиодиапазона возникающие при этом погрешности определения времени пробега радиоволны могут приводить к погрешностям измерения дальности порядка нескольких дециметров. Поэтому для точной дальнометрии импульсный метод с использованием радиочастотных импульсов в общем случае оказывается непригодным.

Однако, стремительное развитие лазерной техники в последние 15-20 лет привело к появлению техники пикосекундных оптических импульсов порядка 10^-12 с. В результате прогресса техники оптических импульсных измерений в последние десять лет были созданы светодальномеры для измерения малых расстояний, использующих импульсный или импульсно-фазовый метод измерений. Соответствующие погрешности измерения расстояний при этом составляют несколько сантиметров и даже миллиметров.

Импульсные лазеры позволяют получать более высокие излучаемые мощности, чем лазеры с непрерывным излучением, что дает возможность измерять очень большие расстояния. Так, например, производимые в космической геодезии измерения дальностей до Луны или до искусственных спутников Земли с использованием методов импульсной дальнометрии, когда длина трассы достигает многих тысяч километров, даже при невысокой абсолютной точности обеспечивает большую относительную точность. Если, например, время пробега волны определяется с точностью до 1 нс, то при измерении расстояния до Луны ее удаление от Земли определяется с погрешностью ±0.150 м или 15 см. Относительная погрешность при этом составляет 4·10^-10. Большая мощность передатчика позволяет также измерять дальности до объектов, не снабженных специальными отражателями, например, определять высоты над земной поверхностью с летательных аппаратов или измерять глубины в море.

Обобщенная схема построения импульсного дальномера изображена на рис. 4.4.

Электромагнитные (оптические) волны от источника излучения при помощи модулятора превращаются в импульсы с амплитудной или частотной модуляцией. Модулирующие импульсы поступают на модулятор от формирователя импульсов, который преобразует синусоидальные колебания генератора с постоянной частотой в последовательность импульсов с постоянной и высокостабильной частотой повторения . Полученные таким образом сигналы, которые в случае необходимости могут быть усилены усилителем, излучаются антенной (оптической системой) передатчика по направлению к отражателю.

Рис. 4.4 – Обобщенная схема построения импульсного дальномера

Отражатели могут быть пассивными - в оптическом диапазоне (в виде зеркал или призм), либо активными (в радиодиапазоне). В последнем случае отражатели представляют собой приборы, которые принимают излучение, усиливают его и направляют усиленные сигналы обратно к началу измеряемой линии.

После отражения электромагнитные волны при помощи приемной антенны (оптической системы) попадают на приемник, где они преобразуются в последовательность электрических импульсов. Как модулирующие импульсы, так и принятые импульсы поступают на устройство измерения времени.

В современных приборах для измерения времени пробега волны используются электронные счетчики. В частности в приборах с импульсными лазерами момент излучения импульса задается кварцевыми или атомными часами (рис. 4.5). Часть энергии импульса отводится и служит стартовым импульсом (старт-импульс) для измерения интервала времени. Для этого определенный импульс по находящемуся внутри прибора световоду подается на фотоприемник, где он преобразуется в электрический импульс, который затем поступает на электронно-счетный измеритель времени пробега, открывая счет временного интервала. Другая часть излученного импульса проходит двойное измеряемое расстояние и через приемную оптическую систему также поступает на фотоприемник, преобразуется в электрический импульс и останавливает счет времени пробега в электронном счетчике, выполняя, следовательно, роль стоп-импульса. Временной интервал между старт-импульсом и стоп-импульсом представляет собой искомое время пробега.

Рис. 4.5 – Схема импульсного дальномера с электронным счетчиком времени

Достоинства импульсного метода.

1. Время пробега является непосредственным результатом измерений, длина линии пропорциональна времени пробега.

2. Осуществляется прямое измерение полной дальности, нет необходимости знать приближенное значение измеряемого расстояния.

3. Измерение производится быстро, а результат выдается в удобной форме.

4. Можно измерять расстояния до объектов, не снабженных специальными отражателями, при умеренной потребляемой мощности аппаратуры, а также расстояния до искусственных спутников Земли и до Луны.

Недостатки импульсного метода..

1. Значительно меньшая точность по сравнению с фазовым методом. Этот недостаток обусловливается малой крутизной начала и конца (среза) фронта импульса, вследствие чего возникает неопределенность в определении действительного начала и конца импульса

Вопросы к лекции 4:

1. Что называется модуляцией? Назовите основные виды модуляции.

2. По каким законам может осуществляться модуляция? Приведите примеры.

3. Запишите формулу для модулируемого параметра, изменяемого по гармоническому закону. Дайте расшифровку величинам, входящим в формулу.

4. В каком случае модуляция называется манипуляцией? Поясните на примере.

5. В каком случае колебание называется несущим колебанием? Поясните на примере.

6. В каком случае частота колебания называется несущей частотой?

7. Запишите формулу, по которой меняется амплитуда при амплитудной модуляции.

8. Запишите уравнение амплитудно-модулируемого колебания. Нарисуйте график амплитудно-модулируемого колебания со всеми составляющими.

9. Какая величина называется коэффициентом амплитудной модуляции? Запишите формулу для коэффициента.

10. Запишите формулу, по которой меняется частота при частотной модуляции.

11. Запишите уравнение частотно-модулируемого колебания. Нарисуйте график частотно модулируемого колебания со всеми составляющими.

12. Какая величина называется индексом частотной модуляции? Запишите формулу для индекса частотной модуляции.

13. Что такое девиация частоты?

14. Запишите формулу, по которой меняется фаза при фазовой модуляции.

15. Запишите уравнение фазово-модулируемого колебания. Нарисуйте график фазово-модулируемого колебания со всеми составляющими.

16. Какая величина называется индексом фазовой модуляции? Запишите формулу для индекса фазовой модуляции.

17. Что такое девиация фазы?

18. На чем основана возможность измерения расстояний при помощи электромагнитных волн? Раскройте суть этой возможности.

19. В чем состоит физическая сущность всех способов измерения расстояний с помощью электромагнитных волн?

20. Обрисуйте общую схему измерения расстояний при помощи электромагнитных волн. Какие устройства должен содержать прибор для измерения расстояний? Какие каналы передачи сигналов используются в таком приборе и как они называются?

21. Перечислите основные методы измерения расстояний. Чем определяется суть того или иного метода?

22. Раскройте суть импульсного или временного метода измерения расстояний.

23. Запишите основное уравнение импульсного метода измерения расстояний.

24. Что такое скважность импульсов? Раскройте суть понятия.

25. Какое условие должно соблюдаться, чтобы полученная величина измеряемого расстояния импульсным методом была однозначной?

26. Нарисуйте обобщенную схему построения импульсного дальномера. Дайте пояснение к устройству и принципу его работы.

27. Объясните, в чем состоит суть понятий активный и пассивный отражатель.

28. Нарисуйте схему импульсного дальномера с электронным счетчиком времени. Поясните принцип его работы.

29. Перечислите достоинства и недостатки импульсного метода измерения расстояний.