CBRR1861 (Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем), страница 2

где V_min=0,02 — пороговая контрастная чувствительность глаза наблюдателя; lо=0,5 мкм.

Под м. д. в. Rм принято понимать предельную дальность видимости темных предметов с угловым размером 0,5° стандартным наблюдателем (V_min=0,02) в дневное время на фоне неба. Для определения R_M можно использовать Таблица 1.

Графики зависимости коэффициента полного ослабления лазерного излучения в атмосфере от метеорологической дальности видимости при различных значениях длины волны излучения s_l=f(R_M) для различных l приведены на Рисунок 3.

Ëàçåðíûå измерительные системы. Âûñîêèå ïîòåíöèàëüíûå âîçìîæíîñòè ЛИС³, обусловленные прежде всего высокими точностными õàðàêòåðèñòèêàìè, в значительной степени ограничиваются условиями распространения световых волн в реальных материальных средах, в частности в атмосфере (Рисунок 4).

Рисунок 4

Классификация возмущающих полей атмосферы, эффекты их взаимодействия с когерентными оптическими полями и характер возникающих при этом помех.

Íàèáîëüøåå âëèÿíèå íà îïòè÷åñêèé èçìåðèòåëüíûé êàíàë îêàçûâàåò экранирующее действие облачных неоднородностей, которые характеризуются коэффициентами ослабления в десятки и сотни децибел на километр и значительными пространственными и временными масштабами. Внутренний пространственный масштаб — размер облаков и облачных образований колеблется от 10 м до 10 км, а внешний, характеризующий размер поля, достигает сотен и даже тысяч километров. Время жизни полей облачных неоднородностей составляет от нескольких часов до нескольких суток, а отдельных облачных образований — от десятков до сотен минут. Значительно меньшими величинами ослабления, а также пространственных и временных масштабов характеризуются аэрозольные поля.

В условиях прозрачной атмосферы, когда облачные и аэрозольные поля отсутствуют, определяющим становится влияние мультипликативных помех, обусловленных рассеянием оптического сигнала на турбулентных неоднородностях различного масштаба. Внутренний lо и внешний Lо масштабы турбулентных неоднородностей составляют примерно 1 мм и 1 ...100 м, а время жизни неоднородностей, соизмеримых с lо, достигает единиц миллисекунд.

Наиболее сильно влияние атмосферы проявляется в протяженных оптических каналах, например, космос — Земля и Земля — космос, которые используются для траекторных и астрономических измерений, локации Луны, решения калибровочных и юстировочных задач. Использование ЛИС в этих каналах требует учета особенностей распространения световых волн, которые обеспечивают оптический контакт с ИСЗ⁴ в пределах пространства над горизонтом наблюдателя. Если к этому добавить малую продолжительность сеанса измерений из-за высокой скорости перемещения ИСЗ и низкую точность измерений из одного пункта, то вполне естественным окажется использование совокупности ЛИС, рассредоточенных на обширной территории и образующих измерительный комплекс.

Таким образом, в отличие от радиотехнических космических измерительных комплексов, в которых выбором диапазона длин волн удается существенно снизить мешающее действие атмосферных образований, эффективность применения ЛИС в значительной степени определяется как геометрией их расположения и динамикой движения ИСЗ (что сближает их с радиотехническими измерителями), так и статистическими характеристиками полей атмосферы. Эти характеристики играют основную роль при синтезе структуры измерительных комплексов, используемых при локации медленно перемещающихся объектов (Луна, стационарные ИЗО).

В зависимости от масштабов атмосферных неоднородностей и пространственно-временных характеристик их полей проблема повышения эффективности ЛИС должна решаться на разных иерархических уровнях.

Первый уровень предусматривает адаптацию структуры ЛИС к возмущениям атмосферы или целенаправленное изменение возмущений, выбор оптимальных параметров измерительной системы, комплексирование оптических и радиотехнических измерителей. Этот уровень несет в значительной степени отпечаток индивидуальных свойств ЛИС.

Второй уровень, являющийся определяющим, связан с синтезом, пространственно-временной структуры комплекса ЛИС, оптимально согласованной со стохастической структурой облачных полей и динамикой движения ИСЗ. Комплекс ЛИС обладает всеми признаками больших систем: целенаправленностью и вероятностным характером функционирования, иерархичностью структуры, сложными переплетающимися связями и возможностью адаптации к внешним условиям.

Эффективность применения ЛИС в реальных условиях в значительной степени определяется свойствами тех случайно-неоднородных сред, которые, как правило, разделяют измерительную систему и исследуемый материальный объект. Примером случайно-неоднородной, или турбулентной, среды является прозрачная атмосфера Земли, диэлектрическая проницаемость которой случайным образом изменяется в пространстве и во времени.

Турбулентные флуктуации показателя преломления существенно ухудшают тактико-технические характеристики ЛИС (дальность действия, точность измерений и др.) как из-за искажения непосредственно измеряемых параметров световой волны (например, угла прихода), так и за счет действия значительной мультипликативной помехи.

Одним из эффективных путей уменьшения возмущающего действия полей турбулентных неоднородностей на качество функционирования ЛИС является применение быстро развивающихся в последние годы адаптивных методов компенсации искажений оптического сигнала. Сущность адаптивных методов заключается в автоматической коррекции амплитуды и фазы поля волны в плоскости передающей (приемной) апертуры лазерной системы на основании данных о турбулентных искажениях оптической волны с целью получения максимальной интенсивности излучения в плоскости исследуемого материального объекта (получения наилучшего изображения объекта).

Технические трудности реализации амплитудно-фазовой коррекции, а также то, что в ряде случаев основные ограничения на работу лазерных систем накладывают фазовые флуктуации, привели к преимущественному развитию методов фазовой компенсации. Впервые возможность преддетекторной компенсации атмосферных искажений волнового фронта в астрономических телескопах рассмотрел в 1953 г. Бэбкок. В начале 70-х годов с созданием широкополосных устройств управления волновым фронтом оптических полей (активной оптики) были созданы когерентные оптические системы с адаптацией к атмосферным искажениям сигнала. В ЛИС эти методы целесообразно использовать в системах с гетеродинными приемниками или с дифракционно-ограниченными приемниками прямого фотодетектирования.

Наибольшее распространение в измерительных системах получили методы адаптации, которые предполагают управление фазовым фронтом излучаемой волны с целью максимизации мощности лазерного излучения, распространяющегося через турбулентную среду, в плоскости исследуемого объекта. Когерентные адаптивные оптические системы с управлением волновым фронтом излучаемого поля получили название систем СОАТ (от английских слов Coherent Optical Adaptive Techniques).

Рисунок 5

Фазовый фронт оп­тической волны до и после прохождения турбулентной среды

Адаптивные методы компенсации с управляющим воздействием на волновой фронт излучаемого поля основываются на свойствах линейности, взаимности и квазистационарности атмосферы. Для выполнения условия квазистационарности необходимо, чтобы временной отклик адаптивной системы и время распространения сигнала не превышали времени «замороженности» турбулентной среды, которое составляет 10^-3...10^-2с. Принципы адаптивной компенсации фазовых искажений волнового фронта можно проиллюстрировать с помощью Рисунок 5, где в плоскости а-а изображен фронт зондирующей волны до входа в случайно-неоднородную среду, а в плоскости б-б — искаженный фазовый фронт после прохождения турбулентного участка среды. Если теперь измерить распределение фаз в плоскости б-б, сформировать фазосопряженный принятому фронт волны и излучить его с помощью апертуры, расположенной в плоскости б‑б, то в плоскости а-а благодаря взаимности атмосферы будет принята плоская волна. Информацию о турбулентных искажениях волнового фронта в плоскости б-б можно получить и с помощью косвенных измерений, например, путем анализа интенсивности излученного сигнала в плоскости а-а

Существенное влияние на точность измерения дальности оказывают условия распространения излучения, связанные с влиянием регулярных неоднородностей тропосферы. Групповой показатель преломления в атмосфере может быть рассчитан с относительной погрешностью порядка 10^-8, если известны длина волны, давление, температура и влажность. Для учета условий распространения используют модель слоистой атмосферы с постоянным групповым показателем n в каждом слое. Первое приближение получают, используя параметры стандартной атмосферы. В этом случае ошибка измерения дальности вследствие отличия реальной атмосферы от стандартной не превышает 2... 3 м.

Анализ погрешностей измерения дальности показывает, что при одиночном измерении среднеквадратическая погрешность 5 ... 10 м может быть обеспечена типовой структурной схемой лазерного дальномера, если лазерный источник излучения позволяет получить на заданном расстоянии отношение сигнал-помеха около 10. Такую типовую структурную схему имеют дальномеры тактического назначения.

Для прецизионных лазерных дальномерных систем среднеквадратическая погрешность может быть снижена до единиц сантиметров. Это достигается повышением точности прогноза условий распространения излучения, применением методов статистической обработки серии измерений, совершенствованием аппаратуры.

Для формирования модели атмосферы, более близкой к реальной, используют данные наземных и радиозондовых измерений давления, температуры и влажности. Еще более точная модель может быть получена по данным нескольких метеостанций, образующих сетку в районе размещения ОЛС⁵. Эти меры позволяют довести атмосферную среднеквадратическую погрешность до единиц сантиметров при малых зенитных углах. Погрешность снижается до 0,5 см при работе в зенит.

Повышение временнуго разрешения счетчика дальности до 0,1 нс, достигнутое в настоящее время, обеспечивает погрешность цифрового измерителя дальности менее 1 см.

Технически наиболее сложной является проблема уменьшения погрешностей, обусловленных неопределенностью структуры поля на выходе лазера и флуктуациями интенсивности при отражении. Рассмотрим детальнее погрешности измерения, обусловленные этими причинами, и пути их уменьшения.

В типовой структуре дальномера моментом прихода отраженного импульса считается момент срабатывания порогового устройства, когда отношение правдоподобия достигнет порогового значения. Измеренный таким образом временной интервал не является оценкой максимального правдоподобия. Имеет место некоторая систематическая погрешность, значение которой зависит от уровня отраженного сигнала. Флуктуации интенсивности в импульсе вызывают появление случайной ошибки, которая ограничивает точность всей системы.

Первой причиной возникновения флуктуаций являет­ся неупорядоченное изменение модового состава излуче­ния лазера в течение импульса и от импульса к импуль­су. Фактически поле на выходе лазера и у объекта явля­ется неопределенным. Вторая причина — интерференция излучения отраженного различными участками объекта (в частности, несколькими уголковыми отражателями по ИСЗ). В результате поле в раскрыве приемной антенны имеет зернистую структуру (specle). Третья причина флуктуаций - статистический характер потока фотоэлектронов. Расчеты показывают, что при большом количестве фотоэлектронов флуктуации сигнала на выходе фотоприемника невелики. С уменьшением числа фотоэлектронов флуктуации сильно возрастают.

Кардинальным методом повышения точности является уменьшение длительности импульса. В частности, при длительности импульса менее 1 нс ошибка, обусловленная наличием помех и флуктуациями отраженного импульса, при одиночном измерении не будет превышать 10 см.

Использование статистических методов обработки серии измерений позволяет обеспечить дальнейшее повышение точности измерения.

В качестве итога проведенного анализа отметим, что такие меры, как применение центрированного приема, укорочение длительности зондирующего импульса непосредственно отражаются на структуре приемной и передающей частей ОЛС. Повышение точности считывания временного интервала связано со структурными изменениями в блоке дальности. Более точный учет условий распространения излучения в импульсных системах обычно не отражается на структуре системы, а влияет лишь на процесс вторичной обработки данных.

Рассмотренные методы повышения точности не исключают, конечно, такого фактора, как увеличение энергетического потенциала ОЛС, который обеспечивается рациональным выбором типа и режима лазерного источника излучения.

Список литературы:

1. “Лазерные измерительные системы” Батраков А.С., Бутусов М.М. и др. под ред. Лукьянова Д.П. - Радио и связь, 1981

2. “Основы проектирования лазерных локационных систем” Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. - Высшая школа, 1983

1 Радиолокационная станция

2 Лазерная локационная система

3 ëàçåðíàÿ измерительная система

4 Искусственный спутник Земли

5 Оптическая локационная система