Например, Бобцов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ДАЛЬНОМЕРА

68 В. Л. Козлов
УДК 621.373.8
В. Л. КОЗЛОВ
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ДАЛЬНОМЕРА
Рассматриваются вопросы повышения точности прецизионных лазерных дальномерных систем с двухволновым полупроводниковым лазером в качестве источника излучения. В системе реализуется режим оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта.
Ключевые слова: рециркуляционный дальномер, полупроводниковый лазер, компаратор.
В прецизионных лазерных дальномерных системах среднеквадратическая погрешность измерений, обусловленная дисперсионными свойствами атмосферы, может быть снижена до нескольких сантиметров путем расчета группового показателя преломления сигнала. Однако эта операция достаточно трудоемка и требует привлечения дополнительных средств. При излучении на длине волны 0,8 мкм и изменении температуры воздуха на 1°С показатель его преломления изменяется на 0,9⋅10–6. Поэтому относительная погрешность измерения расстояния до объекта одноволновым лазерным дальномером ограничена значениями порядка 10–6 из-за отсутствия информации о скорости распространения излучения вдоль линии наблюдения в конкретных метеоусловиях.
Учет состояний окружающей среды при распространении зондирующего излучения вдоль линии наблюдения можно осуществлять рециркуляционным методом измерения дальности [1], который основан на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн. Этот метод позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении расстояния до объекта. Основным источником погрешности при этом является зависимость точности измерений от амплитуды импульса.
Методика учета влияния амплитуды импульса и компенсации влияния различия амплитуд оптических импульсов на длинах волн λ1 и λ2 на точность измерений, осуществляемых двухволновым рециркуляционным лазерным дальномером, изложена в работе [2]. Функциональная схема дальномера, реализующего такую методику, представлена на рис. 1. В качестве излучателя дальномера используется лазерный диод на основе асимметричной квантоворазмерной гетероструктуры. Структура таких инжекционных лазеров описана в работах [3, 4]. Активная область излучения лазера сформирована двумя квантовыми ямами, образующими единый волновод для получения сигналов на двух длинах волн. Переключение длины волны излучения с λ1 на λ2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки с I1 до I2. Длительность импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть достаточно малой, вплоть до 1 нс. Разность длин волн ∆λ = λ1 – λ2 для асимметричных квантово-размерных лазерных диодов достигает значений 20—90 нм. Если использовать терморегулятор на основе эффекта Пельтье и стабилизировать импульсы тока инжекции, то относительная нестабильность разности ∆λ может быть меньше 10–3.
Дальномер работает следующим образом. В начальный момент времени блок „Таймер“ формирует два импульса, разнесенные во времени на интервал T. Блок „Генератор накачки“ формирует соответствующие амплитуды импульсов тока для запуска лазера на длинах волн λ1 и λ2. В рециркуляционных дальномерах измеряемое расстояние до объекта выполняет функцию оптической линии задержки в цепи обратной связи. При замыкании оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции с частотой, которая определя-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

Повышение точности рециркуляционного дальномера

69

ется задержкой излучения на трассе и постоянной электрической задержкой, обусловленной

прохождением сигнала через функциональные блоки системы. Так как оптические импульсы

посылаются поочередно на различных длинах волн λ1 и λ2, то в системе реализуется режим оптико-электронной рециркуляции.

λ2 λ1

Т Генератор накачки

Лазер

λ1, λ2

Таймер

Компаратор

Усилитель

Фото- λ1, λ2
приемник

Процессор

Рис. 1

Период рециркуляции на длинах волн λ1, λ2 определяется следующим образом:

τ = topt + tе + tk,

(1)

где topt=2Ln/с — время задержки излучения при прохождении трассы оптическим сигналом;

L — расстояние до объекта (длина трассы); n — показатель преломления воздуха; с — ско-

рость света в вакууме, tе — время электрической задержки; tk — время задержки импульса в компараторе.

Так как скорость распространения излучения в воздухе зависит от длины волны, причем

λ2 < λ1, то время задержки излучения на длине волны λ2 будет больше, чем на λ1. Разность оптических задержек за один период рециркуляции составляет

∆t

=

2L c

(n2



n1

)

,

где n1, n2 — показатели преломления воздуха на длинах волн λ1 и λ2 соответственно. Следовательно, рециркулирующие импульсы на длине волны λ1 будут сдвигаться во
времени относительно импульсов на длине волны λ2 в течение каждого периода рециркуляции на величину ∆t. При ∆λ = 20 нм и L = 1 км ∆t ≈ 1 пс. Очевидно, что измерение таких ко-

ротких временных интервалов вызывает большие сложности. Однако в режиме рециркуляции

происходит накопление временных задержек и в течение нескольких периодов рециркуляции

N = 104...105 суммарная разность задержек становится равной Т = N∆t и достигает десятков

или сотен наносекунд. В разработанной системе для измерения ∆t определяется число перио-

дов рециркуляции N, за которое разность задержек станет равной Т = 100 нс. После определе-

ния величины ∆t = T/N заканчивается первый этап измерений. При этом, как показано в рабо-

те [5], расстояние до объекта вычисляется по формуле

L

=

c 2n1

topt

=

c 2

⎡⎢topt ⎣



(n0 −1) ∆n0

T N

⎤ ⎥ ⎦

,

здесь topt — время задержки излучения на длине волны λ1; n0 — показатель преломления воздуха на длине волны λ1 в стандартных условиях (θ = 0, p = 760 мм рт. ст.), ∆n0 — разность показателей преломления на длинах волн λ2 и λ1 в стандартных условиях.
Как следует из формулы (1), значение периода рециркуляции τ зависит, в том числе, от задержки срабатывания компаратора, т.е. от амплитуды импульса. Учет влияния задержки срабатывания компаратора на погрешность измерений производится на втором этапе следующим образом. Время задержки импульса в компараторе

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

70 В. Л. Козлов



=

Up Us

tфр ,

(2)

где Up — порог срабатывания компаратора, Us — амплитуда импульсов, tфр — длительность фронта импульса.

После определения числа N лазер работает только на длине волны λ2. Так же как и на
первом этапе измерений блок запуска формирует два импульса на длине волны λ2, разнесенные во времени на интервал T. Первый импульс регистрируется при пороге Up, второй — при уменьшенном в два раза пороге: Up2=0,5Up. Порог компаратора управляется сигналом с процессора и изменяется после регистрации каждого импульса. При замкнутой цепи обратной

связи в системе устанавливаются два процесса рециркуляции при разных порогах компарато-

ра. Так как задержки в компараторе при разных порогах будут не равны, то будут не равны

соответствующие периоды рециркуляции. Разность периодов рециркуляции ∆t1 в соответствии с формулой (2) будет равна

∆t1

=

Up Us

tфр



U p2 Us

tфр

=

0,5U p Us

tфр .

За число периодов рециркуляции N1 разность задержек станет равной Т = N1∆t1, откуда



=

∆t1 0, 5

=

T 0, 5 N1

.

Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точ-

ностью, чем короткий временной интервал, то значение topt определяется по частоте рециркуляции f2 при пороге Up2. С учетом этого формула для расчета дальности приобретает следующий вид:

L=

c⎡ 1

2

⎢ ⎢⎣

f2



te



T 0, 5N1



T N ∆n0

( n0

− 1)⎥⎤
⎥⎦

.

Время электрической задержки tе определяется при калибровке системы при L = 0. Отметим, что на втором этапе измерений принципиально не обязательно уменьшать порог ком-

паратора именно в два раза.

Хотя излучение на обеих длинах волн λ1 и λ2 генерируется в одном лазере, для генерации требуются разные амплитуды токов накачки, поэтому и амплитуды оптических импуль-

сов в общем случае могут различаться, что может привести к дополнительной погрешности

при измерении дальности. Влияние этой погрешности может быть устранено при калибровке

системы на нулевом расстоянии соответствующим изменением порогов регистрации для ка-

ждой длины волны.

N На рис. 2 приведен график зави-

2,4•104

симости числа периодов рециркуляции

2,2•104

N, необходимого для измерения дальности с учетом дисперсии на трассе, от

2,0•104

температуры θ окружающей среды при L = 3000 м и ∆λ = 50 нм. Величина N

1,9•104

показывает число периодов рециркуляции, при котором разность задержек на

1,6•104 –30 –20

–10

0

длинах волн λ1 = 837 нм и λ2 = 787 нм 10 20 30 θ, °С достигнет Т = 100 нс. На рис. 3 пред-

Рис. 2

ставлен график зависимости ∆t(L) при

различных температурах θ и ∆λ = 70 нм (λ1 = 837 нм): при L ≈ 3000...5000 м значение ∆t изменяется в пределах 1...15 пс, при этом время определения дальности составляет менее 1 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

Повышение точности рециркуляционного дальномера

71

На основе сравнения результатов измерения дальности одноволновым дальномером (λ =

=837 нм) и разработанным двухволновым рециркуляционным дальномером (λ1 = 837 нм, λ2 =

=787 нм) построена зависимость разности ∆L показаний двух дальномеров от измеряемого

расстояния L при различных температурах θ окружающей среды и давлении p = 760 мм рт. ст.

(рис. 4). Очевидно, показания дальномеров будут совпадать лишь при θ = 0, при других тем-

пературах одноволновой дальномер дает погрешность до 15 см, что связано с отсутствием

информации о скорости распространения излучения на трассе.

∆t, c

2•10–11

θ=–20°С

1,5•10–11

0 +20

1•10–11

+40

5•10–12

0
∆L, м 0,2

1000

2000

3000

Рис. 3

4000

L, м

θ=–20°С

0,1

0 0

–0,1

+20 +30

–0,2 0

1000

2000 3000 4000 Рис. 4

5000

6000 L, м

Таким образом, благодаря использованию в качестве источника излучения полупроводникового лазера с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой удается сформировать в дальномере зондирующий сигнал на двух различных оптических длинах волн. Реализация режима оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности, а использование динамического порога компаратора позволяет скомпенсировать влияние амплитуды дистанционного импульса и различия амплитуд зондирующих импульсов на точность измерений. По сравнению с известными двухволновыми дальномерами разработанная система имеет преимущество, заключающееся в том, что оба зондирующих сигнала на разных длинах волн генерируются в одном оптическом резонаторе: это обеспечивает стабильность разностной длины волны в результате синхронизации электронно-оптических процессов в активной области излучения лазера. Лазеры на основе асимметричных квантово-размерных гетероструктур [4] также способны излучать когерентные оптические сигналы со стабильной амплитудой и частотой повторения в гигагерцовом диапазоне. Это обеспечивает дополнительные возможности для создания новых высокоэффективных импульсных систем лазерной дальнометрии.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9

72 В. Л. Козлов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. 1810753 СССР. Рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов, С. Д. Жарников, И. А. Малевич // 1993. Бюл. № 15.

2. Пат. 8172 РБ. Прецизионный рециркуляционный дальномер / В. Л. Козлов. 2006.

3. Ikeda S., Shimizu A. Evidence of the wavelength switching caused by a blocked carrier transport in an asymmetric dual quantum well laser // Appl. Phys. Lett. 1991. Vol. 59, N 5. P. 504—506.

4. Пат. 1385 РБ. Полупроводниковый лазер / А. А. Афоненко, В. К. Кононенко, И. С. Манак. 1996.

5. Козлов В. Л., Кононенко В. К., Кузьмин К. Г., Манак И. С. Рециркуляционный дальномер на основе двухволнового инжекционного лазера // Датчики и системы. 2001. № 7. С. 32—35.

Владимир Леонидович Козлов

Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Белорусский государственный университет,
кафедра квантовой радиофизики и оптоэлектроники, Минск; E-mail: KozlovVL@bsu.by

Рекомендована кафедрой квантовой радиофизики и оптоэлектороники

Поступила в редакцию 28.02.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 9