Лазерные приборы и методы измерения дальности

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

ЛАЗЕРНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Под редакцией В.Е. Карасика

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсам «Проектирование лазерных оптико-электронных
преобразователей» и «Оптико-электронные приборы»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.375(075.8)
ББК 32.86-5
Л17

Л17

Рецензенты: В.И.Алехнович, А.А. Резунов

Лазерные приборы и методы измерения дальности : учеб.
пособие / В.Б. Бокшанский, Д.А. Бондаренко, М.В. Вязовых,
И.В. Животовский, А.А. Сахаров, В.П. Семенков ; под ред.
В.Е. Карасика. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. —
92, [4] с. : ил.

Изложены принципы построения импульсных и фазовых дальномерных устройств. Приведены методики определения предельной измеряемой дальности и расчет точностных параметров дальномеров.
Рассмотрены методы цифровой обработки сигналов, улучшающие характеристики приборов измерения дальности. Дано описание современной элементной базы.
Для студентов, изучающих курсы «Проектирование лазерных
оптико-электронных приборов», «Приемники излучения» и другие
курсы аналогичной направленности.

УДК 621.375(075.8)
ББК 32.86-5

Учебное издание

Бокшанский Василий Болеславович, Бондаренко Дмитрий Анатольевич,
Вязовых Максим Вячеславович, Животовский Илья Вадимович,
Сахаров Алексей Александрович, Семенков Виктор Прович

ЛАЗЕРНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Учебное пособие

Редактор С.А. Серебрякова
Корректор
Е.В. Авалова
Компьютерная верстка В.И. Товстоног

Подписано в печать 27.11.2012. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 5,58. Тираж 100 экз. Изд. № 33.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП — аналого-цифровой преобразователь
БИХ — бесконечная импульсная характеристика
ИВИ — измеритель временных интервалов
ЛИ — лазерный излучатель
ЛФД — лавинный фотодиод
МПУ — модуль питания и управления
ПКД — приемный канал дальномера
ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема
ППЛ — полупроводниковые лазеры
ПСВ — показатель световозвращения
СКЗ — среднее квадратичное значение
ТЛДН — твердотельный лазер с непрерывной диодной накачкой
ФПУ — фотоприемное устройство
ФЭУ — фотоэлектронный умножитель
ЦСП — цифровой сигнальный процессор

ВВЕДЕНИЕ

Задача измерения расстояния между двумя объектами была актуальной всегда, однако в настоящее время ее значимость в технике особенно возросла, что обусловлено необходимостью высокоточного позиционирования объектов в строительстве, геодезии,
военном деле, навигации и т. п. При этом в различных областях
использования дальномеров постоянно ужесточаются требования
к точности, предельной измеряемой дальности, темпу измерений,
массе и габаритам аппаратуры. Так, на рынке гражданских дальномеров появились приборы, способные измерять расстояния до
200 м с погрешностью ±1,5 мм. В военной области уже внедрены
и используются дальномеры авиационного базирования с предельной измеряемой дальностью более 50 км. Появились приборы нового класса — сканирующие дальномеры, позволяющие формировать матрицу дальностей с последующим синтезом компьютерной
3D-модели зондируемого объекта.
Несмотря на широкий ассортимент разработанных дальномеров, техническая литература, посвященная лазерной дальнометрии, представлена в основном специализированными научными
статьями. Достаточно сказать, что основное учебное пособие [1]
по этой теме издано более 15 лет назад.
Цель настоящего пособия — восполнить указанный пробел и
ознакомить студентов, обучающихся по направлению «Оптотехника», с новыми методами и аппаратурой лазерной дальнометрии.
Все дальномеры можно разбить на две группы:
1) активные дальномеры, использующие в процессе измерения дальности подсвет объекта с помощью излучения лазера или
светодиода;

4

2) пассивные дальномеры, принцип действия которых основан
на триангуляционном (параллаксном) методе. Дальномеры данной
группы широко использовались в фототехнике «доцифровой» эры,
но не обеспечивали ни высокой точности, ни большой дальности.
По этой причине в настоящем пособии пассивные дальномеры не
рассматриваются.
В свою очередь, активные дальномеры по функциональному
признаку можно разбить на три типа:
1) лазерные импульсные дальномеры, определяющие дальность
по времени распространения лазерного импульса до объекта и
обратно;
2) лазерные фазовые дальномеры, измеряющие дальность путем определения сдвига фазы гармонически модулированного
оптического излучения лазера или светодиода по отношению к
опорному колебанию;
3) интерференционные лазерные дальномеры, принцип действия которых основан на подсчете интерференционных полос при
перемещении реперного световозвращающего элемента от нулевого положения до требуемого. Такие приборы имеют ограниченную
область применения вследствие необходимости использования репера, а также малой измеряемой дальности, хотя и обладают очень
высокой точностью (более 1 мкм). Дальномеры такого типа применяют при высокоточном технологическом контроле различных
объектов. Интерференционные дальномеры в данном пособии также не рассматриваются.
Таким образом, в предлагаемом учебном пособии рассмотрены
дальномеры двух классических типов — импульсные и фазовые,
наиболее распространенные в различных областях деятельности
человека.

1. ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ

1.1. Принцип действия импульсных дальномеров

Принцип
действия
лазерных
импульсных
дальномеров
(рис. 1.1) основан на измерении интервала времени между моментом излучения зондирующего лазерного моноимпульса (стартимпульс) и моментом приема излучения, отраженного от объекта
(стоп-импульс). Источником излучения в таких приборах является
импульсный лазер (обычно твердотельный или полупроводниковый), излучение которого коллимируется с помощью оптической
формирующей системы. При формировании лазерного импульса часть лазерного излучения отводится (например, с помощью
светоделителя) на фотоприемное устройство ФПУ1. Отраженное
от объекта излучение попадает в приемный канал, состоящий из
приемного объектива, ФПУ2 (приемника излучения) и усилителя
сигнала. Измеритель временных интервалов (ИВИ) начинает работу в момент излучения лазерного импульса по сигналу ФПУ1
и завершает ее в момент приема отраженного излучения по сигналу ФПУ2, выдавая цифровой код полученного результата. Блок
синхронизации и управления осуществляет интерпретацию и повышение точности полученных результатов, формирует сигнал на
индикаторе, а также принимает команды органов управления.
При постоянной скорости распространения электромагнитного излучения в слое среды (атмосфере, космосе, воде) дальность
до объекта можно рассчитать с помощью следующего выражения
(при этом учитывается, что лазерное излучение проходит двойное
расстояние):

L = cΔt
2n ,
(1..1)

6

Рис. 1.1. Функциональная схема лазерного импульсного дальномера

где с — скорость света в вакууме; Δt — интервал времени между
моментами посылки и приема излучения зондирующего импульса;
n — показатель преломления среды распространения для используемой длины волны излучения.
Как следует из выражения (1.1), для уменьшения погрешности
измерения дальности до объекта необходимо обеспечить постоянство скорости распространения излучения в слое среды и его прямолинейность. Эти условия не всегда выполнимы: например, при
расположении дальномера на воздушном судне и сканировании
им объектов на Земле необходимо учитывать явление рефракции,
приводящее к искривлению оптического пути лазерного излучения. При лазерной локации в турбулентных средах оптический
путь лазерного излучения также искажается (отличается от прямолинейного).
Основной вклад в погрешность измерения дальности до объекта вносят погрешности, возникающие при измерении временного
интервала между моментами посылки и приема излучения зондирующего импульса. Среди них можно выделить:
— систематическую погрешность, обусловленную различным
временем задержки сигнала в каналах фиксации излучаемого
(старт-) и принимаемого (стоп-) импульсов;
— погрешность, обусловленную конечной дискретностью измерителя временных интервалов;
— погрешность временной фиксации импульсов излучения.
Систематическую погрешность, обусловленную различным
временем задержки сигнала в каналах фиксации излучаемого
(старт-) и принимаемого (стоп-) импульсов, можно либо минимизировать, либо, вследствие систематичности ее характера,
учесть при измерении временного интервала. Минимизация данной погрешности возможна при схемной компенсации, а при схеме совмещенного старта, когда старт- и стоп-импульсы подаются
на один приемник излучения, она компенсируется полностью.
В системах без совмещенного старта эту систематическую погрешность можно учесть с помощью многократного измерения
калиброванной дистанции.
Влияние дискретности измерителя временных интервалов при
несинхронности его внутренней тактовой частоты с моментами

8

излучения зондирующего импульса можно оценить по дисперсии
связанной с ней погрешности:

D = △d2

6 ,
(1..2)

где Δd — дискретность измерителя временных интервалов в единицах дальности. Тогда среднее квадратичное отклонение оценки дальности составит δ = 0,408△d. При использовании тактового генератора для измерителя временных интервалов с частотой
150. . .300 МГц погрешность, вызванная дискретностью, составит
0,1. . .0,2 м.
Погрешность временной фиксации импульсов излучения в
основном связана с приемом отраженного от объекта лазерного
импульса — мощность сигнала может изменяться на несколько
порядков в зависимости от дальности до объекта и его коэффициента отражения, состояния слоя среды распространения излучения.
Кроме того, на сигнал накладываются шумы и помехи приемного
канала и канала распространения. Все это приводит к сильным
искажениям формы принятого сигнала и, как следствие, к погрешности фиксации момента прихода данного импульса пороговым
устройством (рис. 1.2).
Наиболее распространен метод временной привязки принятого
импульса излучения путем фиксации его по уровню пороговым
устройством (например, быстродействующим компаратором). В
этом случае момент прихода импульса излучения фиксируется
при пересечении порога срабатывания и зависит как от длительности фронта импульса, так и от всех параметров (отражающих
свойств объекта, состояния атмосферы и т. д.), искажающих форму принятого сигнала. При сохранении формы сигнала разброс
момента фиксации равен длительности фронта импульса, поэтому
к лазерному источнику в высокоточных дальномерах предъявляют
требования минимальности длительности импульса и максимизации добротности. Чаще всего используют импульсные лазеры
с длительностью импульса 10 нс и менее. Если требования к
точности фиксации импульса очень высоки, применяют методы
фиксации максимума импульса и точки пересечения нуля производной. Эти методы сравнительно легко реализуются и дают

9

Рис. 1.2. Временная фиксация импульса по уровню:
t1, t2 — моменты фиксации отраженных импульсов; Uпор — порог срабатывания