Материал: Лазеры в системах наведения и слежения за подвижными объектами

Лазеры в системах наведения и слежения за подвижными объектами

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Кафедра Лазерной техники и биомедицинской оптики

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Информационно-измерительные лазерные технологии»

«ЛАЗЕРЫ В СИСТЕМАХ НАВЕДЕНИЯ И СЛЕЖЕНИЯ ЗА ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ»

Выполнил

Студент гр. № 5222

Иванов М.О.

Проверил д.т.н., проф.

Тарлыков В.А.

Санкт-Петербург, 2014

Оглавление

Введение

Система определения координат движущихся объектов с лазерным сопровождением

Прецезионные дальномеры на основе двухволнового инжекционного лазера

.1 Двухволновой рециркуляционный дальномер

.2 Двухволновой импульсно-фазовый дальномер

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время в различных научно-технических областях имеется широкий класс задач, в которых информация о состоянии объекта (координаты в пространстве, скорость перемещения, изменение формы и т. д.) регистрируется теплопеленгатором (ТП), принцип работы которого основан на обработке инфракрасного излучения от объекта. ТП располагается на подвижном основании с системой стабилизации, удерживающей это основание с некоторой точностью. Движущийся объект отслеживается и удерживается в поле зрения ТП. Предлагаемая система состоит из ТП и засвечивающего объект лазера, закрепленного на ТП. Точность регистрации координат движущегося объекта зависит от точности системы слежения ТП и наведения лазерного луча, которая определяется точностью наложения светового пятна лазерного излучения на движущийся объект.

Целью работы является исследование систем наблюдения и слежения, в которых используются лазеры.

Задачи работы:

–  исследование оценки точности наведения лазерного луча на объект;

–       разработка системы определения координат (целеуказания) и наведения на объект лазерного пучка с заданной точностью, а именно построения возможного варианта системы целеуказания, в котором движущийся объект сопровождается лазерным лучом в поле зрения теплопеленгатора [1].

1 Система определения координат движущихся объектов c лазерным сопровождением

Облучение объекта лазерным лучом происходит с частотой, во много раз превышающей частоту сканирования поля зрения ТП, поэтому ошибки и требования к ошибкам можно определить следующим образом:

•  ошибка слежения не должна превышать половину поля зрения ТП;

•        ошибка, обусловленная уходом оси ТП за интервал сканирования из-за возмущающих воздействий, не должна превышать величин, равных половине угла раствора диаграммы направленности лазера.

В данной главе будет произведена оценка точности наведения лазерного луча на объект и разработка системы определения координат (целеуказания) и наведения на объект лазерного пучка с заданной точностью.

Задача рассматривается на примере построения возможного варианта системы целеуказания, в котором движущийся объект сопровождается лазерным лучом в поле зрения теплопеленгатора [1].

Как отмечалось выше, ТП расположен на подвижном стабилизируемом основании, а лазер, подсвечивающий объект, закреплен на ТП. При такой конструкции наведение лазерного луча на объект может рассматриваться как процесс перемещения поступающего со следящего ТП лазерного пучка в пространстве по целеуказанию. Для оценки точности наведения лазерного луча необходимо:

•  определить ошибки совмещения пучка лазерного излучения с объектом при наихудшей возможной тактической ситуации перемещения объекта относительно ТП и засвечивающего лазера;

•        рассчитать ошибки системы слежения ТП;

•        оценить ошибки, возникающие при определении ТП координат объекта с учетом точности системы стабилизации. Наихудшая тактическая ситуация возникает на предельных дальностях слежения, когда движущийся объект имеет точечные размеры. Для осуществления пеленгации необходимо, чтобы точечный объект попал в раствор диаграммы направленности лазерного излучения, т. е. вероятность захвата объекта лазерным пучком должна быть близка к 1. В этом случае ось лазерного пучка, облучающего объект, не должна отклоняться от центра отслеживаемого объекта больше, чем на угол α (рис. 1).

Рисунок 1 - раствор диаграммы направленности лазерного излучения

Для оценки ошибок используется среднеквадратичное отклонение оси пучка от координаты объекта. Считая, что пространственные ошибки наложения лазерного луча описываются нормальным (гауссовским) законом распределения, получим:

Рассчитаем ошибку θmax системы слежения ТП. Известно [2], что динамическая ошибка θmax импульсной системы слежения с астатизмом первого порядка определяется из выражения:

где T - интервал квантования по времени импульсной системы, который в рассматриваемом случае является периодом сканирования линейкой фотоприемников поля зрения ТП;

Ωmax- условная максимальная скорость изменения задающего воздействия, которая является максимальной угловой скоростью движения объекта относительно ТП;

ε - величина перерегулирования в системе слежения.

Значение Ωmax рассчитаем, используя тактическую ситуацию перемещения объекта относительно ТП, которая иллюстрируется на рисунке 2, где П - пролет; D0 - начальное расстояние от объекта до ТП; Dk - конечная дистанция между объектом и ТП; O1 - начальное положение объекта; O2 - конечное положение объекта; R - расстояние от объекта до ТП; V0 - вектор скорости объекта; V0n, V0τ- нормальная и тангенциальная составляющие скорости V0; α - угол визирования объекта, α1 - угол между направлениями скоростей V0 и V0τ.

Рисунок 2 - тактическая ситуация перемещения объекта относительно ТП [3]

При больших R можно считать, что α1 = α. Угловая скорость ω0 движения объекта относительно ТП определяется из выражения:

Для определения ошибок, возникающих из-за конечной точности удержания подвижного основания системой стабилизации, зададимся видом возмущающего воздействия и численными значениями величин (параметров) этого воздействия. Подвижное основание, на котором устанавливается ТП с лазером, подвергается механическому воздействию, направленному по осям x, y, z в виде поворотов этого основания вокруг указанных осей. Аналитические выражения возмущающего воздействия, например вокруг оси х, могут быть записаны в виде: х(t) = хmax*sin(2πft). Значения величин xmax и f известны.

При ослаблении возмущающего воздействия системой стабилизации в К раз значение амплитуды xП(t) колебаний подвижного основания определяется из выражения:

Максимальный сдвиг φεmax подвижного основания за время Т, равное периоду сканирования (интервалу дискретизации) ТП, рассчитывается по формуле:

где ωПmax - максимальная угловая скорость движения подвижного основания на интервале дискретизации Т.

Величину ωПmax можно определить, учитывая, что текущая угловая скорость подвижного основания ωП(t) рассчитывается по формуле:

Отсюда следует, что ωПmax = (2πf)xПmax.

Тогда величина φεmax = (2πf)xПmax. Суммарная ошибка θεmax в измерении координат объекта теплопеленгатором определяется по формуле:

Если расчетная величина ошибки значительно превысит требуемую, равную σα, то для более точного наведения луча лазера на объект необходимо ввести в систему определения координат объекта ТП дополнительную информацию о движении объекта относительно ТП на интервале дискретизации Т. Указанную информацию можно получить, установив на корпусе ТП датчики угловой скорости (ДУС). Структурная схема системы, обеспечивающая определение координат объекта в одной плоскости для наведения на него лазерного луча, изображена на рисунке 3, где введены следующие обозначения:

•  X0, XТ П - координаты цели и ТП (соответственно);

•        XТП - угловая скорость движения оси ТП;

•        XТП - угловая скорость движения оси ТП, измеренная ДУС;

•        ∆XТП - приращение координаты движения оси ТП на интервале квантования Т;

•        XП - угловая скорость движения подвижного основания (платформа), на котором установлен ТП;

•        К - ключ, замыкающийся с периодом дискретизации Т;

•        Wэ(р) - передаточная функция экстраполятора;

•        Wk(p) - передаточная функция корректирующего звена;

•        Кум, Кмд - коэффициенты передачи усилителя мощности и моментального датчи-ка соответственно;

•        J - момент инерции ТП, вращающегося вокруг оси x.

Рисунок 3 - структурная схема системы, обеспечивающая определение координат объекта в одной плоскости для наведения на него лазерного луча [3]

После ДУС в структурной схеме помещен интегратор, обнуляемый в моменты времени t = nT, кратные периоду сканирования Т. Координата Хλ для наведения лазерного луча на объект вычисляется по формуле:

Такой вариант вычисления координаты позволяет минимизировать ошибку при ее определении, так как:

•  разностная координата Х0 - ХТП, определяющая положение движущегося объекта в координатных осях ТП, определяется после экстраполятора, что позволяет учитывать движение объекта в пределах интервала дискретизации Т;

•        поправка ∆XТП к разностной координате Х0 - ХТП, вычисляемая как интеграл от оценки скорости движения оси ТП в пределах интервала дискретизации, позволяет учитывать движение оси ТП, обусловленное как экстраполированным движением объекта, так и возмущающим воздействием на подвижное основание. В качестве примера определим численные значения требуемой ошибки σα и получаемых ошибок наведения лазерного луча при заданных значениях:

при β=60'', откуда σα=20"

Ошибка системы слежения ТП

при наихудшей тактической ситуации:

П=3*103 м; V0=7*102 м/с; Dk=7*103 м

V0τ=2,8*102 м/с

ω0=0,36*10-1 1/с = 124 угл. мин/с

при ε = 0,2; Т = 0,1 с величина

θmax = 10 угл. мин

Определим ошибки, возникающие при определении координат объекта из-за конечной точности системы стабилизации при Xmax = 20°, f = 0,4 Гц, K = 100:

XПmax = Xmax/K = (20*60)/100 = 12 угл. мин

ωПmax = 30 угл. мин/с

φεmax = 3 угл. мин

Тогда суммарная ошибка в измерении координаты цели:

θεmax = 11 угл. мин

Таким образом, вычисленная суммарная ошибка оказалась меньше половины зрения ТП. Ошибка φmax, вычисленная без учета поправки ∆XТП, оказалась значительно больше требуемой ошибки σα.

Введение поправки к координате объекта, вычисленной как оценка к уходу оси ТП на интервале дискретизации, позволит определить координату объекта с ошибкой, определяемой ошибками ДУС.

При ошибках ДУС порядка 20 угл. с/с ошибка в вычислении поправки на интервале дискретизации T = 0,1 c составит 2 угл. с, что значительно меньше требуемой ошибки σα.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о возможности построения системы определения координат движущихся объектов с лазерным сопровождением, удовлетворяющей требованиям по точности.

2 Прецензионные дальномеры на основе двухволнового инжекционного лазера

Относительная погрешность измерения расстояний одноволновыми лазерными дальномерами по величине оптической задержки сигнала на дистанции ограничена значениями порядка 10-6 из-за отсутствия информации о скорости распространения излучения вдоль линии наблюдения в конкретных метеоусловиях. Так, например, для излучения на длине волны 0,8 мкм при изменении температуры на один градус коэффициент преломления воздуха изменяется на 0,9×10-6. Для прецизионных лазерных дальномерных систем среднеквадратичная погрешность измерений, обусловленная дисперсионными свойствами атмосферы, может быть снижена до единиц сантиметров путем расчета группового показателя преломления, если известны давление, температура и влажность. Однако эта операция достаточно трудоемка и требует привлечения дополнительных метеорологических средств и вычислительной техники.

Для учета состояний среды при распространении зондирующего излучения вдоль линии наблюдения предлагаются рециркуляционный метод измерения дальности [12], основанный на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн, и импульсно-фазовый метод [13], реализующий режим автоматической подстройки частоты зондирующих импульсов, при которой на дистанции будет укладываться целое число периодов на одной из оптических длин волн. Системы позволяют получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности.

2.1 Двухволновой рециркуляционный дальномер

Функциональная схема двухволнового рециркуляционного лазерного дальномера показана на рисунке 4. В качестве излучателя дальномера предлагается использовать лазерный диод на основе асимметричной квантоворазмерной гетероструктуры. Структура таких инжекционных лазеров описана в [14]. Активная область лазерного диода содержит две квантовые ямы разной ширины. Одна квантовая яма шириной 8 нм изготовлена на GаАЅ, а другая квантовая яма шириной 6 нм - на Al0,12Ga0,88Аs. Квантовые ямы, барьерный и обкладочные слои лазера образуют единый оптический волновод для генерируемого излучения на двух различных длинах волн. При увеличении тока инжекции генерация начинается на большей длине волны λ1. В режиме генерации концентрация неравновесных носителей тока в более широкой квантовой яме практически не изменяется, так как в ней усиливается длинноволновое излучение. Дальнейшее увеличение тока приводит к возникновению генерации на более короткой длине волны λ2, которая усиливается в обеих квантовых ямах. Возрастание интенсивности когерентного излучения на этой длине волны сопровождается падением интенсивности длинноволнового излучения. Переключение длины волны генерации от λ1 = 837 нм на λ2 = 787 нм происходит при изменении тока инжекции от 34 до 36 мА. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть достаточно малой, вплоть до 2 нс. Разность длин волн генерации ∆λ = λ1 - λ2 для асимметричных квантоворазмерных лазерных диодов достигает значений 20-70 нм. Если использовать терморегулятор на эффекте Пельтье и стабилизировать импульсы тока инжекции, то относительная нестабильность разности длин волн генерации может быть меньше 10-3.