Лекция Временной (импульсный) метод. Достоинства импульсного метода. Недостатки импульсного метода. Недостатки импульсного метода

    Скачать с Depositfiles 

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 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.

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 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 4·1010. 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.

Отражатели могут быть пассивными — в оптическом диапазоне (в виде зеркал или призм), либо активными (в радиодиапазоне), которые представляют собой приборы, принимающие излучение, усиливающие его и направляющие усиленные сигналы обратно к началу измеряемой линии.

Рис. 4.4 – Обобщенная схема построения импульсного дальномера

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

 

    Скачать с Depositfiles