Розробка методів компенсації похибок вимірювань оптичного далекомірного пристрою при динамічних змінах зовнішніх умов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МЕТОДІВ КОМПЕНСАЦІЇ ПОХИБОК ВИМІРЮВАНЬ ОПТИЧНОГО ДАЛЕКОМІРНОГО ПРИСТРОЮ ПРИ ДИНАМІЧНИХ ЗМІНАХ ЗОВНІШНІХ УМОВ

Тюрін Володимир Сергійович

Спеціальність 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Харків - 2012

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мачехін Юрій Павлович,

Харківський національний

університет радіоелектроніки,

завідуючий кафедрою фізичних основ

електронної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Копил Віталій Кирилович,

Національний науковий центр «Інститут метрології»,

Державного комітету України з питань технічного

регулювання та споживчої політики,

провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор

Квасніков Володимир Павлович,

Національний авіаційний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри інформаційних технологій.

Захист відбудеться «28» березня 2012 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61002, г. Харків, пр-т Леніна 14, ХНУРЕ.

З дисертацією можливо ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету за адресою: 61002, г. Харків, пр-т Леніна 14, ХНУРЕ.

Автореферат розісланий « » 2012 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з відмінних особливостей сучасного етапу розвитку оптичних далекомірних пристроїв є їх мініатюризація і широка інтеграція в різні роботизовані радіотехнічні системи та дистанційні системи автоматичного управління. До таких систем відносяться мобільні тривимірні сканери, роботизовані навігаційні платформи, бортові прилади картографування місцевості і багато інших багатофункціональних дистанційних вимірювачів.

У цих системах високошвидкісні вимірювання відстані здійснюються в умовах динамічної зміни просторового положення протяжних об'єктів з локально неоднорідною неплоскою поверхнею і значних коливань рівня фону, які зумовлюють суттєві флуктуації амплітуди і спотворення форми сигналів, що приймаються. Це призводить до зменшення відношення сигнал/шум і випадкового зміщення моменту спрацьовування часових дискримінаторів, що обумовлює появу значних похибок вимірювання часового інтервалу між випромінювальним та прийнятим від об'єкта імпульсом.

Існуючі методи зниження таких похибок засновані на використанні часових дискримінаторів, не чутливих до змін амплітуди прийнятого сигналу з фіксованою тривалістю. Але вони ефективні лише в лінійній області зміни сигналу і в досить обмеженому динамічному діапазоні, що обумовлює необхідність застосування засобів автоматичного регулювання посилення. При нелінійних спотвореннях сигналу, обумовлених динамічними змінами характеристик відбиття неоднорідних об'єктів при високошвидкісному скануванні заданого сектора і перевантаженням приймального каналу, ці методи стають непридатними. Крім цього, ситуація погіршується появою в цих умовах шумів і завад адитивного і мультиплікативного характеру, які призводять до значного зростання похибок вимірювань, а в деяких випадках до нестійкої роботи фотоприймального пристрою.

У зв'язку з цим актуальною науковою задачею є розробка методів компенсації похибок вимірювань і забезпечення стійкого функціонування оптичних далекомірних пристроїв в умовах динамічних змін параметрів сигналу і шуму.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційні дослідження пов'язані з плановими дослідними роботами Харківського Національного університету радіоелектроніки, зокрема теми № 222 «Фізичні основи формування частотних характеристик напівпровідникових і чіп-лазерів для нанотехнологій» (№ ДР0108U002217), № 225 «Розвиток вимірювальних систем та їх метрологічного забезпечення для електроенергетики Україна» (№ ДР0108U001965) і № 248 «Теоретичні основи мікроелектромеханічних систем, проектування та технології їх виготовлення для гнучких інтегрованих систем » ( № ДР0110U002594). У цих НДР здобувач був виконавцем.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методів компенсації похибок вимірювань та адаптивного управління параметрами приймального каналу в умовах флуктуацій амплітуди і спотворень форми сигналу, обумовлених динамічними змінами просторового положення протяжних об'єктів з локально неоднорідною неплоскою поверхнею і суттєвими коливаннями рівня фонового випромінювання. Для досягнення мети в роботі вирішувались наступні науково-технічні завдання:

- аналіз основних джерел похибок і способів обробки сигналів оптичного далекомірного пристрою при динамічних змінах зовнішніх умов;

- розробка математичної моделі процесу формування поправок для компенсації похибок вимірювання відстаней;

- створення імітаційної моделі імпульсного оптичного далекомірного пристрою з динамічною компенсацією похибок вимірювань;

- розробка практичних рекомендацій щодо побудови макету адаптивного оптичного далекомірного пристрою;

- проведення натурних досліджень та оцінка ефективності методів компенсації похибок вимірювань.

Об'єкт дослідження - процес формування вимірювального сигналу в умовах флуктуацій параметрів прийнятих імпульсів.

Предмет дослідження - методи компенсації похибок вимірювань, які забезпечують стійке функціонування оптичного далекомірного пристрою в умовах динамічних змін просторового положення неоднорідних об'єктів і рівня фона.

Методи дослідження - для розробки математичної моделі процесу формування поправок була використана теорія лазерної локації, а також методи математичного аналізу та статистики. Для створення імітаційної моделі оптичного далекомірного пристрою були використані методи математичного моделювання та основ теорії оптимального прийому і обробки оптичних сигналів. Для розробки рекомендацій щодо побудови адаптивного оптичного далекомірного пристрою були використані методи основ побудови оптоелектронних приладів та теорії формування оптичних сигналів. Для оцінки ефективності методів компенсації похибок вимірювань були використані методи теорії точності вимірювальних пристроїв і теорії випадкових процесів і флуктуацій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше запропоновано математичну модель процесу формування поправок, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує залежність похибок вимірювання від параметрів джерел спотворень сигналу на основі оцінки поточних значень амплітуди імпульсів або їх тривалості у режимі насичення посилення.

2. Вперше запропоновано імітаційну модель імпульсного оптичного далекомірного пристрою, яка відрізняється від існуючих тим, що реалізує процеси перетворення сигналу в умовах флуктуацій його параметрів з урахуванням методів динамічної компенсації похибок вимірювань.

3. Отримала подальший розвиток структура побудови оптичного далекомірного пристрою, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує розроблені методи і технічні засоби вимірювання параметрів спотвореного сигналу та формування поправок для компенсації похибок вимірювань.

4. Отримали подальший розвиток методи оцінки похибки вимірювання відстані, які відрізняються від існуючих тим, що враховують домінуючий вплив похибок фіксації часового положення прийнятих імпульсів в умовах суттєвих флуктуацій амплітуди і спотворень форми сигналу.

Практична значимість отриманих результатів визначається тим, що:

1. Розроблено методи і пристрої компенсації похибок вимірювань в умовах флуктуацій параметрів сигналу можуть бути використані в самих різноманітних сучасних радіотехнічних вимірювальних системах, таких як мобільні тривимірні сканери, роботизовані навігаційні платформи, пристрої зближення і стикування об'єктів, дистанційні прилади картографування місцевості і багато інших.

2. Розроблена імітаційна модель дозволяє оперативно оцінювати ступінь впливу різних факторів на результати вимірів і приймати ефективні комплексні заходи щодо збільшення точності вимірювань в умовах змінювання фону і флуктуацій параметрів сигналу.

3. Розроблена імітаційна модель може виступати в якості готової підсистеми при розробці та оптимізації структури багатофункціональних радіотехнічних систем різного призначення.

Отримані результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконані автором, впроваджені в Національному науковому центрі "Інститут метрології» м. Харків.

Результати дисертаційних досліджень використовуються в навчальному процесі Харківського національного технічного університету радіоелектроніки на кафедрі фізичних основ електронної техніки для проведення лабораторних, практичних і науково-дослідних робіт студентів.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором отримані такі нові наукові результати: отримано аналітичний вираз для оцінки похибки вимірювання, зумовленої флуктуаціями моменту фіксації часового положення імпульсу при змінах параметрів вимірювального каналу [1]; розроблена математична модель процесу формування та корекції вимірювального сигналу [2]; розроблено імітаційну модель імпульсного оптичного далекомірного пристрою [3]; запропоновано метод формування адаптивного порога спрацьовування часового дискримінатора [4]; проведено експериментальні дослідження макета імпульсного оптичного далекомірного пристрою [5]; розроблено практичні рекомендації щодо побудови малогабаритного високоточного вимірювача відстані [6]; досліджено методи підвищення точності вимірювань [7]; обґрунтовано ефективність застосування адаптивного порога [8]; проведено моделювання дистанційних вимірювань [9]; досліджена модель оптичного далекомірного пристрою [10]; проведена оцінка величини адаптивного порога [11]; представлена ??структура блоків моделі [12].

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на наступних наукових конференціях: 9-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка та молодь у 21 столітті» (м. Харків, 2005 р.); 2-а міжнародна конференція «Передова оптоелектроніка та лазери», CAOL 2005, (м. Ялта, 2005 р.); 10-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка та молодь у 21 столітті» (м. Харків, 2006 р.); 8-а міжнародна конференція «Моделювання лазерних та оптоволоконних мереж», LFNM 2006 (м. Харків, 2006 р.); 7-а міжнародна Харківська конференція молодих вчених «Радіофізика та електроніка» (м. Харків, 2007 р.); 1-а міжнародна наукова конференція «Електронна компонентна база. Стан та перспективи розвитку», МРФ-2008 (м. Харків - м. Судак, 2008 р.); 9-а міжнародна конференція «Моделювання лазерних та оптоволоконних мереж», LFNM 2008 (м. Алушта, 2008).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані в 12 друкованих роботах. З них 5 статей - у фахових виданнях, які входять до затвердженого переліку фахових видань України, 7 статей і тез доповідей - на міжнародних наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 118 найменувань. Робота містить 171 машинописних сторінок основного тексту, 35 ілюстрацій, 13 таблиць, список використаних джерел на 12 сторінках та додатки на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

похибка вимірювання оптичний далекомірний

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначено мету і основні завдання досліджень, наведені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів роботи, її зв'язок з науковими програмами і планами НДР, проведено огляд методів досліджень та особистий внесок здобувача, наведено інформацію про апробацію та публікації результатів досліджень, наведені результати реалізації та впровадження основних положень роботи.

У першому розділі проведено аналітичний огляд існуючих методів і пристроїв високоточного вимірювання відстані. Показано, що в умовах динамічних змін просторового положення об'єкта із локально неоднорідною поверхнею і варіацій рівня фону спостерігаються значні флуктуації амплітуди, спотворення форми і збільшення тривалості прийнятих імпульсів, які призводять до суттєвих похибок вимірювань. При цьому варіації шуму в широкому діапазоні можуть приводити до нестійкої роботи фотоприймального пристрою.

Показано, що існуючі методи зниження похибок вимірювань ефективні тільки в лінійній області зміни сигналу і припускають застосування засобів автоматичного регулювання посилення (АРП). У разі високошвидкісних вимірювань (неможливості застосування АРП) необхідно розробляти нові методи компенсації похибок в умовах нелінійних спотворень сигналу. Встановлено, що характер спотворень сигналу в режимі насичення посилення залежить від потужності прийнятого сигналу, яка є функцією відстані до об'єкта.

Показано, що в умовах суттєвих спотворень сигналу домінуючою стає похибка фіксації часового положення імпульсу. При цьому, обґрунтована можливість компенсації похибок для методу фіксації по передньому фронту з використанням поправок, сформованих на основі вимірювання поточних значень амплітуди імпульсу або тривалості обмеженого по амплітуді імпульсу в режимі насичення посилення. З урахуванням лінійної апроксимації переднього фронту для значних амплітуд імпульсів було отримано аналітичний вираз для оцінки похибки вимірювання відстані (у):

, (1)

де Р0 - потужність зондувального сигналу; Дf - смуга пропускання приймального тракту; ел - спектральна чутливість лавинного фотодіода; Та - коефіцієнт пропускання атмосфери; Тос - коефіцієнт пропускання оптичного модуля; D - діаметр приймального об'єктива; с - коефіцієнт відбиття об'єкта; б - кут між напрямком випромінювання і нормаллю до поверхні об'єкта; R - відстань до об'єкта; q - відношення сигнал/шум, що забезпечує необхідні значення ймовірностей правильного виявлення і помилкової тривоги; е - заряд електрона; M - коефіцієнт множення лавинного фотодіода; F(M) - фактор шуму; IТ - темновий струм лавинного фотодіода; Рпр - потужність прийнятого оптичного сигналу; Рф - потужність фону; Робр - потужність зворотного розсіювання; Т - абсолютна температура; Rн - опір навантаження; n - кількість циклів вимірювання.

На основі отриманого виразу були обґрунтовані основні шляхи зниження похибок вимірювання та забезпечення стійкої роботи при динамічних змінах умов вимірювання, та сформульовані напрямки дисертаційних досліджень. При цьому показано, що в таких умовах доцільне комплексне використання наступних заходів: адаптивного управління коефіцієнтом посилення лавинного фотодіода; формування адаптивного порога спрацьовування компаратора; вибору методу фіксації положення імпульсу, не чутливого до змін його тривалості; динамічної корекції результатів вимірювання за допомогою поправок, які формуються на основі інформації про спотворення прийнятих імпульсів.

У другому розділі розроблена математична модель процесу формування поправок для компенсації похибок вимірювань в умовах спотворень сигналів. Показано, що процес формування поправок заснований на отриманні інформації про амплітуду прийнятого імпульсу або про тривалість обмеженого по амплітуді імпульсу в режимі насичення посилення. Такі поправки використовуються для динамічної корекції результатів вимірювань дальності у реальному часі. У цьому випадку скориговане значення дальності при компенсації похибок (Дtамп), обумовлених флуктуаціями амплітуди прийнятих імпульсів, оцінюється наступним виразом:

. (2)

При компенсації похибок (Дtи), обумовлених спотвореннями імпульсів в режимі насичення посилення, скориговане значення дальності буде оцінюватися наступним співвідношенням:

. (3)

Такі методи корекції забезпечують ефективну компенсацію похибок вимірів практично в необмеженому динамічному діапазоні, що усуває необхідність застосування засобів АРП.

Були отримані оцінки поправок для Гаусового і невідомої форми сигналів. Математична модель поправок для Гаусового сигналу заснована на описі процесу оцінки поточних значень амплітуди імпульсу і рівня порогу детектування в усьому допустимому діапазоні їх змін. При цьому величина кожної поправки відповідає значенню поточної оцінки похибки вимірювання. З урахуванням погодження імпульсної характеристики приймального тракту з вхідним Гаусовим сигналом було отримано аналітичний вираз для оцінки похибки, зумовленої флуктуаціями амплітуди прийнятих імпульсів:

, (4)

де mt - математичне очікування величини тривалості; уt - середньоквадратичне відхилення величини тривалості; Дс - флуктуації коефіцієнта відбиття об'єкта; Дб - флуктуації кута між напрямком випромінювання і нормаллю до поверхні об'єкта; бп - коефіцієнт поглинання випромінювання атмосферою; бр - коефіцієнт розсіювання випромінювання атмосферою; у0 - середньоквадратичне відхилення логарифма інтенсивності випромінювання; K(Uiш) - коефіцієнт управління посиленням, що залежить від амплітуди шумової напруги; z - імпеданс трансімпедансного підсилювача; k2 - коефіцієнт посилення другого каскаду; h12 - імпульсна характеристика підсилювального каскаду; hd - імпульсна характеристика пікового детектора; - операція згортки.

Дана модель враховує функціональну залежність амплітуди сигналу від параметрів приймально-передавального тракту, стану атмосферної траси, відбивних характеристик об'єкта і вимірювальної дистанції. Оцінка рівня порогу детектування заснована на моделі дробових шумів фотоприймального пристрою з лавинним фотодіодом і шуму електронного тракту з урахуванням забезпечення необхідних значень ймовірностей правильного виявлення і помилкової тривоги.

Показано, що при відсутності апріорної інформації про форму сигналу модель оцінки поправок будується на основі реальних функціональних залежностей похибок вимірювань від амплітуди прийнятого імпульсу (Дtамп = f (U2у)) і від тривалості обмеженого по амплітуді імпульсу в режимі насичення посилення (Дtи = f (фи)), отриманих на етапі макетування пристрою. При цьому такі залежності апроксимуються кусково-лінійними функціями. Для цього випадку було отримано вираз для оцінки поправок на кожній лінійній ділянці такої залежності при компенсації похибок, обумовлених флуктуаціями амплітуди імпульсу:

, (5)

де Дt1; Дt2 - граничні значення часової затримки для обраної лінійної ділянки залежності; U1; U2 - значення амплітуди імпульсу, які відповідають граничним значенням обраної лінійної ділянки залежності.

Ця поправка оцінюється для фіксованого (відомого) значення порога детектування. У разі використання адаптивного порога поправки оцінюються для всього діапазону його змін. При цьому оцінка адаптивного порога здійснюється згідно наступного виразу:

, (6)

де Sш(t) - потужність зовнішніх і внутрішніх шумів, приведених до входу фотоприймального пристрою.

Коефіцієнт управління посиленням лавинного фотодіода розраховувався у відповідності з виразом:

, (7)

де Uiш - поточне значення амплітуди шумової напруги;

Uгр - граничне значення шумової напруги:

, (8)

де уш - середньоквадратичне відхилення шуму:

. (9)

Для оцінки поправок при компенсації похибок, обумовлених розширенням імпульсів в режимі насичення посилення, було отримано наступний вираз:

, (10)

де фи1; фи2 - значення тривалості імпульсу, які відповідають граничним значенням обраної лінійної ділянки залежності; Т0 - період тактових імпульсів вимірювача часових інтервалів; nкз - кількість періодів тактових імпульсів при зупинці вимірювача заднім фронтом; nкп - кількість періодів тактових імпульсів при зупинці вимірювача переднім фронтом.

Таким чином, отримані моделі оцінок поправок свідчать про можливість компенсації у реальному часі похибок вимірювань у разі реалізації процесів отримання поточних значень амплітуд прийнятих імпульсів або тривалості обмежених по амплітуді імпульсів в режимі насичення посилення.

У третьому розділі на основі розробленої математичної моделі процесу формування поправок була синтезована імітаційна модель імпульсного далекомірного пристрою з динамічною компенсацією похибок вимірювання. Структура імітаційної моделі розроблена на базі пакету MATLAB і містить блоки, які характеризуються високим рівнем інтеграції елементів і реалізують процес формування та корекції вимірювального сигналу.

Динамічна компенсація похибок вимірювання, обумовлених флуктуаціями амплітуди і спотвореннями сигналу, здійснюється моделлю відповідно до алгоритму (2 - 10). Для забезпечення стійкої роботи в умовах динамічного зростання рівня шуму в моделі було реалізовано адаптивне управління посиленням лавинного фотодіода згідно виразів (7 - 9). Для забезпечення максимальної дальності дії в умовах помірного і слабкого фону в моделі формується адаптивний поріг згідно виразу (6).

Були проведені дослідження роботи моделі в різних умовах вимірювань. Завданнями дослідження були моделювання флуктуацій параметрів сигналу і шуму, що призводять до похибок вимірювання, і оцінка ефективності динамічної корекції результатів вимірювання дальності. Флуктуації амплітуди моделювалися випадковими змінами значень спектрального коефіцієнта відбиття об'єкта (0.1...0.7) і кута між напрямком лазерного пучка та нормаллю до локальної ділянки поверхні об'єкта (00…700). Спотворення моделювалися змінами форми імпульсу і збільшенням тривалості обмеженого по амплітуді імпульсу у режимі насичення посилення в діапазоні 30 нс…121 нс, а варіації рівня фону були реалізовані в діапазоні 0,025…0,15 Вт/см2·мкм.

Були отримані залежності похибок вимірювань від амплітуди прийнятих імпульсів для Гаусового сигналу тривалістю 30 нс (по рівню 0,5) та від тривалості обмежених по амплітуді імпульсів у режимі насичення посилення для різних значень порогів детектування (50 мВ…216,4 мВ). Ці залежності представлені на рис.1 і рис.2 відповідно.

Рис.1 Залежність похибки від Рис.2 Залежність похибки від тривалості амплітуди імпульсу імпульсу при насиченні посилення

На основі цих залежностей формуються поправки для компенсації похибок вимірювань у всьому діапазоні змін амплітуди або тривалості обмежених по амплітуді імпульсів у режимі насичення посилення та змін рівня порога детектування.

Показано, що використання таких поправок в умовах спотворень сигналу призводить до суттєвого підвищення точності вимірювань. Для цього була проведена оцінка похибок вимірювання відстані для адаптивного порогу з корекцією результатів вимірювань і без корекції. Результати оцінки вимірювання відстані при використанні методів корекції і без неї представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Оцінки виміру відстані без корекції і з корекцією результатів

Дійсна відстань до об'єкту, м	Оцінка відстані без корекції, м	Оцінка відстані з корекцією, м
25	24,93±0,04	24,99±0,01
75	75,01±0,03	74,99±0,01
125	125,03±0,04	125,01±0,01
175	175,04±0,04	174,99±0,01
225	225,06±0,04	225,00±0,01
275	275,08±0,04	275,01±0,01
325	325,10±0,04	325,99±0,01
375	375,12±0,05	375,01±0,01
425	425,17±0,06	425,01±0,01

Показано, що за відсутності корекції похибки вимірювань є відносно великими. Зростання похибок спостерігається в області коротких дистанцій внаслідок спотворення форми сигналу в режимі насичення посилення, а також на граничній дальності внаслідок випадкових зміщень моменту перевищення слабким сигналом рівня порогу. У разі використання методів динамічної корекції результатів вимірювань похибки не перевищують величину ± 1 см у всьому діапазоні зміни дальності.

Було показано, що застосування адаптивного порога дозволяє підвищити чутливість приймального каналу та забезпечити збільшення дальності дії пристрою в умовах помірного і слабкого фону. Результати оцінки максимальної дальності дії вимірювача з постійним і адаптивним порогами для різних значень рівня фону представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

Максимальна дальність дії пристрою з постійним і адаптивним порогами для різних значень рівня фону

Спектральна щільність потужності фона, Вт/(см2мкм)	Максимальна дальність (постійний поріг 216,4 мВ), м	Максимальна дальність (адаптивний поріг), м
0.025	291.67	426.03
0.050	291.67	377.82
0.075	291.67	344.28
0.100	291.67	319.04
0.125	291.67	304.79
0.150	291.67	292.56

Аналіз результатів дослідження показав, що в умовах значного рівня фону значення максимальної дальності дії оптичного вимірювача відстані для постійного та адаптивного порогів практично збігаються. В умовах помірного і слабкого фону максимальна дальність дії вимірювача з адаптивним порогом суттєво зростає.

Результати дослідження моделі з використанням методів динамічної компенсації похибок вимірювань свідчать, що в умовах флуктуацій амплітуд і спотворень прийнятих імпульсів похибки виміру дальності не перевищують ±1см, практично досягаючи граничного значення роздільності вимірювача часових інтервалів, який використовується. При цьому забезпечуються стійкі вимірювання в умовах варіацій рівня фону (0.025… 0.15 Вт/см2мкм) та підвищення максимальної дальності дії від 291,67 м до 426,03 м в умовах помірного і слабкого фону при використанні адаптивного порога.

У четвертому розділі розроблені вимоги до параметрів оптичного далекомірного пристрою. Оцінка потужності лазерного випромінювання здійснювалася з умов забезпечення заданої дальності дії вимірювача при відомих значеннях основних параметрів і характеристик атмосферної траси. При цьому розглядався тільки інтервал малих відстаней, для якого діаметр лазерного пучка не перевищував поперечного розміру відбиваючого об'єкту. Результати оцінок необхідної потужності лазерного випромінювання і потужності фону на фотодетекторі представлені на рис.3 і рис.4 відповідно.

Рис.3. Залежність необхідної Рис.4.Залежність потужності фона потужності випромінювання від дальності від спектральної щільності до об'єкта потужності сонячного випромінювання

Отримані результати свідчать, що для забезпечення дальності дії до 400 м в нормальних атмосферних умовах і Pпор = 4 нВт необхідне значення потужності випромінювання складає 75 Вт. З погіршенням порогової чутливості фотоприймального пристрою вимоги до величини потужності лазерного випромінювання значно зростають. Потужність фону істотно знижується при зменшенні поля зору і величини спектральної щільності потужності сонячного випромінювання.

Були проведені оцінки порогової потужності фотоприймального пристрою та точності вимірювання, результати яких представлені на рис.5 і рис.6 відповідно.



Рис.5. Залежність порогової потужності Рис.6. Залежність точності від спектральної чутливості вимірювань від відношення лавинного фотодіода сигнал/шум

Аналіз отриманих результатів показав, що зі зростанням спектральної чутливості лавинного фотодіода і зменшенням смуги пропускання фотоприймального пристрою значення порогової потужності знижується. При спектральній чутливості ел = 50 А/Вт і смузі пропускання Дf = 150 МГц порогова потужність для типових умов вимірювань склала Рпор = 4 нВт. Відзначено, що зменшення смуги пропускання може призвести до спотворення корисного сигналу і, відповідно, до погіршення точності вимірювань і дальності дії. Із збільшенням відношення сигнал/шум похибка вимірювання відстані суттєво знижується і прагне до свого граничного значення, зумовленого роздільною здатністю вимірювача часових інтервалів. При величині часової роздільної здатності ДТдиск = 50 пс і відношенні сигнал/шум q= 50 похибка вимірювання відстані становить уУ = 1,1 см.

Було показано, що основними методами зниження порогової потужності є: зменшення рівня фонового випромінювання за рахунок застосування елементів спектральної (оптичний інтерференційний фільтр) і просторової (звуження поля зору) фільтрації оптичного сигналу; зменшення впливу внутрішніх джерел шуму за рахунок застосування електронних компонентів з малим рівнем шуму; оптимізація посилення лавинного фотодіода; оптимізація смуги пропускання приймального тракту.

У п'ятому розділі розроблені практичні рекомендації щодо побудови макета оптичного далекомірного пристрою з адаптацією до динамічних змін зовнішніх умов. Показано, що в його структуру поряд з типовими елементами введені додаткові блоки, що реалізують методи оцінки поточних параметрів сигналу і компенсації похибок вимірювання, а також методи управління посиленням лавинного фотодіода і формування адаптивного порога.

Представлена структура та алгоритм роботи вимірювача амплітуди сигналу та рівня шуму на основі цифрових пристроїв (АЦП AD9480ASUZ-250 і ПЛІС XILINX XC3S200-5VQ100). Виміри відбуваються на різних часових інтервалах. Спочатку вимірюється амплітуда сигналу в межах інтервалу, відповідному максимальній можливій відстані до об'єкта. Після цього вимірюється рівень шуму на часовому інтервалі у відсутності сигналу, на підставі якого розраховується величина порога. Виміряні значення амплітуди і порога надходять в мікропроцесор для формування поправок при компенсації відповідних похибок (рис.1). Крім цього, поточне значення шуму використовується в якості адаптивного порога для часового дискримінатора.

Представлена структура та алгоритм роботи вимірювача тривалості імпульсу (TDC GP-2 з часовою роздільністю 50 пс) в режимі насичення підсилювача. Для цього використовується 2-х канальний режим вимірювання часових інтервалів. При цьому в одному каналі рахунок зупиняється переднім фронтом Стоп-імпульсу, а в іншому каналі - заднім фронтом Стоп-імпульсу. Різниця значень двох виміряних інтервалів відповідає тривалості імпульсу. Ці дані надходять в мікропроцесор для формування поправок при компенсації похибок вимірювань у режимі насичення посилення (рис.2).

Представлена модель і алгоритм роботи пристрою управління посиленням лавинного фотодіода. Цей пристрій забезпечує стійкість роботи фотоприймального тракту в умовах значних варіацій рівня шуму. При цьому процес управління заснований на зміні напруги зміщення лавинного фотодіода при безперервному вимірі поточного значення рівня шуму на заданому часовому інтервалі.

Були обґрунтовані характеристики і елементна база макета. У якості передавача використовувався лазерний діод SPL PL90-3 з довжиною хвилі 905нм та вихідною потужністю 75Вт, а у якості фотодетектора - лавинний фотодіод SAE230S3 з максимальною спектральною чутливістю для цієї довжини хвилі. В якості комутуючого елемента використовувався лавинний транзистор FMMT417CT, а канал посилення будувався на основі ОП OPA2468. Блок управління був побудований на основі мікроконтроллера PIC18F258. Габаритні розміри макету визначались характеристиками електронних компонентів і розмірами оптичних модулів для забезпечення необхідної розбіжності вихідного випромінювання і поля зору приймального пристрою.

У шостому розділі представлені результати експериментальних досліджень макета оптичного далекомірного пристрою. Дослідження складалися з двох етапів. На першому етапі проводилися вимірювання в лабораторних умовах відстані до імітатора об'єкта, що обертається. На другому етапі проводилися натурні випробування експериментального зразка на реальній каліброваної трасі в умовах турбулентної атмосфери і мінливого фону.

Методика лабораторних досліджень полягала у проведенні вимірювань каліброваної відстані до локальних областей з різними коефіцієнтами відбиття і кутами нахилу профілю поверхні протяжного об'єкта при різних рівнях фонового випромінювання і порівнянні отриманих даних з результатами роботи моделі при ідентичних вихідних параметрах. При цьому імітація динамічних змін просторового положення здійснювалася обертанням об'єкта з локально неоднорідною ребристою поверхнею, а імітація змін величини фонового випромінювання була реалізована за допомогою управління рівнем яскравості потужних освітлювальних ламп. Локальні відмінності коефіцієнтів відбиття різних областей поверхні об'єкта були реалізовані застосуванням каліброваних відбивних плівок і дозволили імітувати флуктуації амплітуди прийнятих сигналів, а використання коротких дистанцій між джерелом випромінювання і об'єктом дало можливість імітувати ефект розширення імпульсів в режимі амплітудного обмеження підсилювального каскаду.

Аналіз результатів лабораторних досліджень макета і моделі показав, що автоматична корекція значень дальності дозволяє забезпечити компенсацію похибок і стійкість вимірювань в умовах динамічних змін коефіцієнта відбиття локальної області поверхні об'єкту в діапазоні 0,2…0,7, рівня фону в діапазоні 5000 лк…30000 лк і швидкості обертання об'єкта в діапазоні 50 град/с…580 град/с. При цьому похибки вимірювань у разі корекції даних не перевищує ±1см, а в разі відсутності корекції похибки вимірювань змінюються від -7 см до +5 см. Порівняння результатів експериментальних досліджень і результатів моделювання показало їх достатньо хорошу відповідність.

Метою натурних випробувань макета були встановлення максимальної дальності дії і порівняльна оцінка точності визначення дистанції до об'єктів в умовах турбулентної атмосфери і варіаціях освітленості. Для реалізації цих випробувань використовувалася стандартна калібрована траса на території ННЦ «Інститут метрології» м. Харкова.

На рис.7 і рис.8 представлені результати лабораторних та натурних випробувань макета і результати роботи моделі для ідентичних умов вимірювань.

Показано, що застосування методів компенсації похибок вимірювань дозволяє істотно підвищити точність вимірювань в умовах флуктуацій амплітуди прийнятого сигналу і спотворень його форми в режимі насичення посилення. При цьому похибки вимірювання макета і моделі з використанням корекції не перевищують ± 1 см у всьому діапазоні змін параметрів зовнішніх впливів. Похибки вимірів моделі без корекції суттєво вище.



Рис.7. Лабораторні вимірювання Рис.8. Натурні випробування

На рис.9 і рис.10 представлені результати оцінки похибок вимірів моделі в умовах зростання рівня шуму та оцінки максимальної дальності дії для постійного та адаптивного порогів.

Рис.9. Похибки вимірювань в умовах Рис.10. Максимальна дальність для зростання рівня шуму адаптивного и постійного порогів

Аналіз отриманих результатів показав, що при використанні методів управління посиленням лавинного фотодіода в умовах зростання рівня шуму похибки вимірювання дальності не перевищують ± 1 см у всьому діапазоні змін амплітуди шуму. При відсутності управління посиленням похибки вимірювань істотно зростають у разі незначного перевищення встановленого значення порога. Подальше неконтрольоване зростання рівня шуму призводить до зриву процесу вимірювань. При значному рівні фону значення максимальної дальності вимірювань для адаптивного і постійного порогів практично збігаються. У разі помірного й слабкого фону максимальна дальність вимірювань істотно зростає.

Таким чином, результати лабораторних та натурних досліджень макета показали, що застосування розроблених методів компенсації похибок вимірювань в умовах динамічних змін просторового положення протяжних об'єктів з локально неоднорідною і неплоскою поверхнею і суттєвими варіаціями рівня фону забезпечує стійкі вимірювання відстаней з точністю ±1см, яка практично обмежується граничним значенням роздільності вимірювача часових інтервалів, який використовується (TDC GP2). При цьому максимальна дальність вимірів досягає 419, 69 м.

У додатках до дисертації представлені результати досліджень і характеристики моделі, протокол випробувань, а також акти впровадження.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача розробки методів компенсації похибок вимірювання і забезпечення стійкої роботи оптичного далекомірного пристрою в умовах флуктуацій параметрів сигналу і шуму, обумовлених динамічними змінами просторового положення протяжних об'єктів з неоднорідною неплоскою поверхнею і суттєвими варіаціями рівня фону. При цьому отримано такі наукові та практичні результати.

1. Розроблено методи компенсації похибок вимірювань в умовах нелінійних спотворень сигналу в режимі насичення посилення, які дозволяють забезпечити високу точність вимірювань практично в необмеженому динамічному діапазоні, що усуває необхідність застосування засобів АРП. Похибки вимірювань обмежені фактично лише часовою роздільною здатністю вимірювача часових інтервалів.

2. Здійснено адаптація оптичного далекомірного пристрою до суттєвих коливань рівня фону за рахунок управління посиленням лавинного фотодіода і забезпечена максимальна дальність дії в умовах помірного і слабкого фону за рахунок формування адаптивного порога.

3. Удосконалено метод оцінки похибок вимірювання відстані, який враховує домінуючий вплив похибок фіксації часового положення прийнятих імпульсів в умовах суттєвих флуктуацій амплітуди і спотворень форми сигналу.

4. Розроблено математичну модель процесу формування поправок до результатів вимірювань дальності, яка враховує залежність похибок вимірювання від параметрів джерел спотворень сигналу на основі оцінки поточних значень амплітуди або тривалості імпульсів у режимі насичення посилення.

5. Розроблено імітаційну модель імпульсного оптичного далекомірного пристрою, яка здійснює компенсацію похибок вимірювань у реальному масштабі часу в умовах флуктуацій амплітуди і нелінійних спотворень сигналу при істотних варіаціях рівня фона.

6. Представлено рекомендації щодо побудови макета оптичного далекомірного пристрою з адаптацією до динамічних змін умов вимірювань, які дозволяють реалізувати методи компенсації похибок вимірювань і забезпечити стійку роботу в умовах зростання фону.

7. Отримані результати експериментальних досліджень макета з достатньою точністю відповідають даним функціонування моделі при ідентичних вихідних параметрах і свідчать про адекватність розробленої моделі реальним фізичним процесам формування та корекції вимірювального сигналу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Биков М.М. Оцінка точності вимірювання відстаней напівпровідниковим лазерним далекоміром / М.М. Биков, Л.В. Грищенко, В.С. Тюрін, С.В. Тюрін // Український метрологічний журнал, 2007. - №1. - С. - 26-29.

2. Биков М.М. Моделювання процесу формування сигналів в імпульсному напівпровідниковому лазерному далекомірі / М.М. Биков, В.С. Тюрін, С.В. Тюрін // Радіоелектроніка та інформатика, 2006. - №4(35). - С. 11-15.

3. Тюрін В.С. Модель імпульсного напівпровідникового лазерного далекоміра / В.С. Тюрін, Ю.П. Мачехін // Автоматизовані системи управління і прилади автоматики, 2008. - №142. - С. 22-29.

4. Тюрін В.С. Формування адаптивного порога напівпровідникового лазерного далекоміра в умовах фонового випромінювання, що змінюється / В.С. Тюрін, Ю.П. Мачехін // Прикладна радіоелектроніка, 2009. - №1. - С. 86-89.

5. Тюрін В.С. Експериментальні дослідження лазерного далекоміра у динамічно змінюваних умовах вимірювань / В.С. Тюрін, Ю.П. Мачехін // Метрологія та прилади, 2010. - №3. - С. 35-40.

6. Тюрін В.С. Малогабаритний високоточний лазерний вимірювач відстаней / В. С. Тюрін // Радіоелектроніка та молодь в ХХІ столітті: матеріали 9-го міжнародного молодіжного форуму, 19-21 квітня 2005 р. : тези доп. - Х.: ХНУРЕ, 2005. - С. 145.

7. Bykov М.М. Increase of measurement accuracy of distances by laser rangefinder with adaptive threshold / M. M. Bykov, V. S. Tyurin // 2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, Yalta, 12-17 September 2005: materials of conf. - Proceedings CAOL 2005.- C. 297-299.

8. Тюрін В.С. Адаптивний поріг в лазерних вимірювачах відстаней / В. С. Тюрін // Радіоелектроніка та молодь в ХХІ столітті: матеріали 10-го міжнародного молодіжного форуму, 10-12 квітня 2006 р. : тези доп. - Х.: ХНУРЕ, 2006. - С. 157.

9. Bykov М.М. Signals modeling in laser distance measurements / M. M. Bykov, V. S. Tyurin, S.V. Tyurin // 8th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Kharkiv, 29 June - 01 July 2006: materials of conf. - Proceedings LFNM 2006. - C. 297-300.

10. Тюрін В.С. Модель лазерного вимірювача відстані / В. С. Тюрін // Радіофізика та електроніка: матеріали 7-ї Харківської конференції молодих вчених, 12-14 грудня 2007 р. : тези доп. -Х.: 2007. - С. 101.

11. Тюрін В.С. Формування адаптивного порога лазерного далекоміра в умовах фонового випромінювання, що змінюється / В. С. Тюрін, Ю.П. Мачехін // Електрона компонентна база. Стан та перспективи розвитку: збірник наукових праць 1-ї Міжнародної наукової конференції, 30 вересня - 3 жовтня, Харків-Судак 2008 р. : тези доп. -Х.: МРФ, 2008. - Том 3. - С. 334-337.

12. Tyurin V.S. Laser distance meter model /V. S. Tyurin, Y.P Machehin // 9th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, Alushta, 2 - 4 October 2008: materials of conf. - Proceedings LFNM 2008.- C. 155-157.

АНОТАЦІЯ

Тюрін В.С. Розробка методів компенсації похибок вимірювань оптичного далекомірного пристрою при динамічних змінах зовнішніх умов. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2012.

Дисертація присвячена розробці методів компенсації похибок вимірювань в умовах флуктуацій амплітуди та нелінійних спотворень сигналу, обумовлених динамічними змінами просторового положення протяжного об'єкту з неоднорідною поверхнею та суттєвими коливаннями рівня фону. Показано, що методи компенсації похибок вимірювань базуються на корекції у реальному часі результатів вимірювань при отриманні поточної інформації про амплітуду імпульса або його тривалість у режимі насичення посилення фактично для практично необмеженного динамічного діапазону.

Розроблено математичну модель процесу формування поправок до результатів вимірювань для реалізації методів компенсації похибок вимірювання відстані. Розроблено імітаційну модель імпульсного оптичного далекомірного пристрою з імітацією флуктуацій параметрів сигналу і шуму та динамічною компенсацією похибок вимірювання відстані при забезпеченні стабільної роботи в умовах суттєвого зростання фону. Представлені рекомендації щодо структури побудови макета такого пристрою. Проведені експериментальні дослідження макета. Результати дослідження показали, що застосування методів компенсації похибок вимірювання при динамічних змінах зовнішних умов забезпечує високу точність вімірювання, яка обмежена тільки роздільною здатністю вимірювача часових інтервалів.

Ключові слова: компенсація похибок, нелінійні спотворення, амплітуда імпульсу, насичення посилення, динамічний діапазон, математична модель, імітаційна модель, експериментальні дослідження.

АННОТАЦИЯ

Тюрин В.С. Разработка методов компенсации ошибок измерений оптического дальномерного устройства при динамических изменениях внешних условий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2012.

Диссертационная работа посвящена разработке методов компенсации ошибок измерений и обеспечения устойчивой работы оптического дальномерного устройства в условиях флуктуаций амплитуды и нелинейных искажений сигнала, обусловленных динамическими изменениями пространственного положения протяженных объектов с неоднородной неплоской поверхностью и существенными колебаниями уровня фона.

Показано, что существующие методы снижения ошибок в таких условиях эффективны только в линейной области изменения сигнала и предполагают использование средств АРУ. При нелинейных искажениях сигнала, обусловленных динамическими изменениями условий измерений и перегрузками приемного тракта, эти методы становятся непригодными. Кроме этого, ситуация ухудшается появлением в этих условиях шумов и помех аддитивного и мультипликативного характера, которые приводят к значительному возрастанию ошибок измерений, а в некоторых случаях к неустойчивой работе фотоприемного устройства.

Предложено для компенсации ошибок измерений в таких условиях формировать поправки, учитывающие амплитудные изменения сигнала и характерные для нелинейных искажений признаки. Такими признаками являются изменения амплитуды импульса или длительности импульса в режиме насыщения усиления. При этом установлено, что характер искажений импульсов в режиме насыщения усиления зависит от мощности принятого сигнала, которая является функцией расстояния до объекта. Поэтому поправки для компенсации амплитудных ошибок формируются на основе измерений текущего значения амплитуды импульса, а в случае искажений импульса в режиме насыщения усиления поправки формируются на основе измерений длительности ограниченного по амплитуде импульса.

Разработана математическая модель процесса формирования поправок, которая описывает зависимость ошибок измерений от текущих параметров принятого импульса и характеристик измерительного тракта. При этом были получены оценки поправок для Гауссовой и неизвестной формы сигнала. Для Гауссовой формы сигнала модель формирования поправок для компенсации амплитудных ошибок основана на описании процесса оценки текущих значений амплитуды импульса и уровня порогового напряжения во всем допустимом диапазоне их изменений. При этом оценка уровня порогового напряжения основана на моделе дробовых шумов фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и шума электронного тракта с учетом обеспечения требуемых значений вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги. В случае неизвестной формы (искажений) сигнала модель оценки коррекционных поправок строится на основе реальных функциональных зависимостей ошибок измерений от амплитуды принятого импульса и от длительности ограниченного по амплитуде импульса в режиме насыщения усиления, полученных на этапе макетирования устройства. При этом такие зависимости аппроксимируются кусочно-линейными функциями.

Разработана имитационная модель импульсного оптического дальномерного устройства с имитацией флуктуаций параметров сигнала и шума и динамической компенсацией ошибок измерений при обеспечении устойчивой работы в условиях существенных колебаний уровня фона. Представлены рекомендации по построению макета такого устройства и оценены его основные параметры. Проведены экспериментальные исследования макета.

Показано, что применение разработанных методов компенсации ошибок измерений в условиях флуктуаций амплитуды и искажений принимаемых сигналов обеспечивает высокую точность, ограниченную только временным разрешением используемого типа измерителя временных интервалов. При этом устойчивость измерений в условиях существенных колебаний уровня фона обеспечивается управлением усиления лавинного фотодиода, а максимальная дальность действия в условиях умеренного и слабого фона достигается за счет формирования адаптивного порога.

Ключевые слова: компенсация ошибок, нелинейные искажения, амплитуда импульса, насыщение усиления, динамический диапазон, математическая модель, имитационная модель, экспериментальные исследования.

ABSTRACT

Tyurin V.S. Development of compensate error measurements methods for optical range unit at dynamic changes of outside conditions - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical science degree on speciality 05.12.17 - radio technical and television systems - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2012.

Dissertation is devoted to development of the measurement error compensation methods for the conditions of amplitude fluctuations and nonlinear distortions of signal conditioned by the dynamic changes of spatial position of large objects with a heterogeneous surface and substantial fluctuations of background level. It is showed that the measurement error compensation methods are based on a real-time correction of measuring results at the receipt of current information about pulses amplitude or pulses duration in the amplifier saturation mode actually for unlimited dynamic range.

The mathematical model of process to form the amendments to the measuring results for realization of measurement error compensation methods is developed. The simulation model of pulsed optical range-finder device is developed with the imitation of signal fluctuations and noise parameters and dynamic compensation of distance measurement errors to provide the stable operation in the conditions of substantial background increase. The recommendations to construction structure of such device are presented. Experimental researches of model are conducted. Research results showed that application of measurement error compensation methods at the dynamic changes of external conditions provided the high measuring accuracy which is limited only by resolution of time interval meter.

Key words: error compensation, unlined distortions, pulse amplitude, amplifier saturation, dynamic range, mathematical model, simulation model, experimental research.

Размещено на Allbest.ru

...