Функціональна схема типового лазерного локатора на прикладі системи ALTM компанії Optech

Функціональну схему типового лазерного локатора розглянемо на прикладі приладів класу Airborne Laser Terrain Mapper (ALTM) виробництва компанії Optech Inc., світового лідера в цій області.

Основні функціональні компоненти типового повітряного лідара обговорювалися вище. Повторимо отримані висновки тепер вже для к приладу класу ALTM. Основні функціональні компоненти схеми, яка реалізує лазерно-локаційний метод вимірювання, зведені в таблиці 6.5.

Таблиця 6.5

Основні структурні компоненти схеми, в якій реалізується

лазерно-локаційний метод вимірювання

Компонент	Функції
Сканерний блок	Генерація лазерних імпульсів, приймання відбитого сигналу і визначення нахиленої дальності до точки відбивання, керування розгорткою.
Бортовий навіга-ційний комплекс (БНК)	Забезпечення кожного первинного вимірювання повним набором елементів зовнішнього орієнтування.
Мережа наземних базових GPS станцій	Проведення диференціальної корекції траєкторних даних бортового GPS приймача.

При цьому сканерний блок і бортовий навігаційний комплекс відносяться до повітряного сегменту схеми, а мережі наземних базових GPS станцій – до наземного сегменту.

Функціональна схема бортової частини лазерного локатора зображена на рисунку 6.14.

Розглянемо схему інформаційної взаємодії основних структурних компонентів.

Бортовий навігаційний комплекс (БНК) створює послідовність навігаційних даних по траєкторії руху носія X,Y,Z і кутам орієнтації H,R,P в СК WGS-84. Ці дані, як правило, генеруються з частотою 50-200 Гц. Навігаційні дані так само, як і далекомірні дані, які створюються сканерним блоком, через SCSI або Ethernet інтерфейс поступають на бортовий магнітний реєстратор. Тут треба зробити два зауваження відносно режиму роботи БНК:

1. Вказані на схемі навігаційні дані X,Y,Z і R,P,H є остаточним результатом навігаційного розв’язку, отриманому в реальному часі. Окрім них, реєструється багато іншої додаткової інформації, яка відбиває внутрішню роботу навігаційного комплексу. Вподальшому в ході наземної обробки ця інформація використовується для отримання уточненого навігаційного розв’язку;

2. Часто GPS приймач, який входить до складу навігаційного комплексу, виконує самостійну реєстрацію своїх даних на власний носій.

Рис. 6.13. Функціональна схема бортової частини лазерного локатора

Іншою функцією навігаційного комплексу є часова синхронізація роботи всіх компонентів локатора. Синхронізація виконується за рахунок створення БНК імпульсу синхронізації, який подається на всі внутрішні пристрої локатора. Для цієї мети використовується стандартний PPS імпульс, що створюється GPS-приймачем, який, таким чином, є джерелом бортового GPS часу. Важливим є те, що секундні імпульси створюються
GPS-приймачем з достатньою точністю в реальному часі, тобто без диференціальної корекції. Описаний режим синхронізації має велике значення для всього бортового інформаційно-вимірювального комплексу в цілому. Він дозволяє відмовиться від виконання апаратної синхронізації всіх джерел інформації, як це робилося раніше при створенні літаючих лабораторій. Замість цього до будь-якої порції даних додається часова мітка, яка узгоджена з джерелом абсолютного GPS-часу, в результаті чого будь-яка порція даних, що записується до реєстратору, повністю визначена в часі, а фактична синхронізація потоків даних здійснюється в результаті наземної постобробки. Ця обставина має два головних практичних наслідки:

1. Значно розвантажується електронний блок локатора, точніше, та його частина, яка відповідає за формування єдиного кадру системи;

2. Можливості бортового інформаційно-вимірювального комплексу можуть бути суттєво розширені за рахунок комплексування ЛЛ з іншими (зовнішніми по відношенні до локатора) джерелами даних. При цьому немає необхідності апаратно включати новий потік даних в кадр локатора. Достатньо синхронізувати його з абсолютним GPS часом. Прикладом подібного підходу є сумісне використання ЛЛ і цифрових аерофотоапаратів. Іншими можливим практично значущим прикладом може бути комплексування з тепловізійною або спектрозональною аерознімальною апаратурою.

Перейдемо до розгляду скануючго блока. Сканерний блок використовує концепцію прийомопередавача, характерну для багатьох оптико-електронних активних систем, що використовують в авіаційному дистанційному зондуванні. В структурі сканерного блока можна виділити такі компоненти:

· випромінювач;

· приймач;

· оптична система;

· дискретизатор і аналогоцифровий перетворювач (АЦП), які сумісно виконують функції модуля вимірювання дальності.

В якості випромінювача використовується твердотільний лазер типу YLF, (Неодим, мкм), який працює в імпульсному режимі. В таблиці 6.6 наведені основні технічні параметри лазера типа Q-switched, серія 7960.

Таблиця 6.6

Основні технічні параметри лазера

Параметр	Значение
Потужність накачування, мВт
Активне середовище	YLF
Модель лазера	7960-L4-E
Робоча довжина хвилі, нм
Енергія імпульсу, мкДж
Ширина імпульсу, нс	<10
Діаметр пучка, мм	0,51
Розбіжність пучка, мрад	1,3
Частота генерації імпульсів, кГц	0-50
Поляризація	Вертикальна > 100:1
Тип просторової моди випромінювання	TEM00

Рис. 6.14. Діаграма залежності енергії та ширини імпульсу

від частоти генерації

На рисунку 6.14 наведена типова діаграма повної енергії імпульсу в залежності від от частоти генерації.

Робоча довжина хвилі лазерного випромінювання складає 1047 нм. В результаті чого:

1. Лазерний локатор виявляється надчутливим до метеорологічного стану атмосфери і наявності механічних домішок, які значно ослабляють сигнал, а в деяких випадках роблять знімання неможливим. Проте така залежність лідарів типу ALTM від стану атмосфери суттєво менше, ніж у приладів, які використовують лазери, що працюють на довжині хвилі 1.5 мкм (наприклад систем FSO);

2. Лазерне випромінювання на цій довжині хвилі є особливо небезпечним для зору, так як може викликати опік сітківки. В силу цього вводиться обмеження на мінімальну висоту польоту, яка в залежності від моделі лідара при максимальній потужності випромінювача складає 300-500 м. Ця обставина є додатковим обмеженням при плануванні аерознімальних робіт.

Значення повної енергії імпульсу і середньої потужності (яке визначається як відношення повної енергії до тривалості) не прямо але визначає такий важливий параметр як максимально можлива висота знімання. Для моделі ALTM-3100 паспортне значення складає 3500 м, проте на практиці в умовах ясної атмосфери можливе знімання і з більших висот із втратою не більше 10% імпульсів.

Ефективний діаметр пучка збільшується після виходу з лазера за допомогою коліматора до декількох міліметрів, що дозволяє знизити його розбіжність близько до 0.3 мрад. Кінцеве значення розбіжності відіграє важливу роль, так як визначає розміри плями за формулою де
H – робоча висота польоту. Зрозуміло, що це значення лімітує точність і роздільну здатність ЛЛ методу знімання. З рисунка 6.14 видно, що, починаючи з деякого значення, збільшення частоти генерації імпульсів призводить до швидкого падіння повної енергії імпульсу та збільшенню його ширини. Ясно, що це має наслідком падіння співвідношення сигнал/шум і негативно сказується на імовірності реєстрації відбитого імпульсу. Ця обставина враховується при виборі робочого значення частоти генерації.

Що стосується типової форми лазерного імпульсу, то треба відзначити таке:

1. З точки зору точності визначення нахиленої дальності, як показано нижче, переважне значення має крутизна переднього фронту імпульсу та його стабільність. Це, безумовно, так при реєстрації першого відбитого імпульсу;

2. Тривалість імпульсу впливає на роздільну здатність лідара по дальності. Так, при нормативній ширині імпульсу в 15 нс довжина “мертвої зони” складає . Всі відбивання на інтервалі цієї довжини, які слідують за першим відбиванням, будуть втрачені.

Часова діаграма процесу вимірювання нахиленої дальності наведена на рисунку 6.14.

Рис. 6.14. Часова діаграма процесу вимірювання нахиленої дальності

По передньому фронту імпульсу, який випромінюється лідаром запускається лічильник блока вимірювання дальності TIM. На рисунку 6.14 ось TIM для наочності розмічена в одиницях дальності, а не часу. Зрозуміло, що перехід від однієї шкали до другої здійснюється за формулою , де c – швидкість світла в вакуумі. Для режиму роботи TIM блока, зображеного на рисунку 6.14, блок TIM очікує приходу відбитих імпульсів до моменту часу, що відповідає 5000 м, тобто максимально можлива величина виміряної нахиленої дальності складає 2500 м. Механізм реєстрації затримки часу розповсюдження першого (FIRST) і останнього (LAST) імпульсів дещо відрізняється. Час затримки (а відповідно і дальність) імпульсу FIRST визначається за накопиченим значенням лічильника TIM FIRST каналу з моменту запуску до моменту приходу першого відбитого імпульсу, тобто в цьому випадку дальність до об’єкту, який викликав відбивання, визначається за формулою .

Одночасно кожний новий імпульс, який надходить до лідара викликає запуск лічильника каналу LAST, який накопичує значення дальності до моменту закінчення роботи лічильника каналу FIRST. В результаті фактична дальність до об’єкта, що викликав відбивання, в цьому випадку буде визначатися за формулою .

Імпульс який випромінюється лідаром та не викликає відбивання на протязі часу, що відповідає дальності 2500 м, вважається втраченим. Загальна кількість втрачених імпульсів реєструється локатором. Інформація про це доступна оператору і при наземній обробці для формування статистики.

Перші моделі лідарів, які випускалися компанією Optech, дозволяли реєструвати лише FIRST або лише LAST імпульси. Потім з’явилися прилади, які спроможні реєструвати і FIRST і LAST імпульси одночасно. Сьогодні лідари типу ALTM 3100 фірми Optech і прилади інших виробників дозволяють реєструвати до 5 відбитих імпульсів, що має велике значення в багатьох застосуваннях, зокрема таких, як знімання лісних масивів.

Відзначимо також, що відбитий сигнал після приймання і підсилення дискретизується. Дискретизація є аналоговою процедурою, в результаті якої вхідний імпульс перетворюється до стандартного вигляду прямокутних імпульсів фіксованої довжини. Це значно підвищує точність фіксації часового інтервалу.

Проте в ЛЛ серії ALTM довжина імпульсу на виході дискретизатора складає 80 нс, в результаті чого канал приймача виявляється блокованим для приймання імпульсів від об’єктів, які знаходяться від першого зареєстрованого імпульсу на відстані .

Принципова схема оптичної системи лідара типу ALTM наведена на рисунку 6.15.

Рис. 6.15. Принципова схема оптичної системи лідара типу ALTM.

Лазерний пучок від випромінювача В через призму Пр і два додаткових дзеркала попадає на скануюче дзеркало Дз. Сканиуюче дзеркало Дз здійснює коливні рухи. Скануюче дзеркало забезпечує зигзагоподібну розгортку в напрямку, перпендикулярному напрямку польоту носія. Повздовжня розгортка забезпечується за рахунок руху носія. Призма Пр забезпечує потрапляння відбитого потоку на збираючу лінзу О, яка виконує функції об’єктива. Перед тим як потрапити на приймач П, потік проходить через інтерференційний фільтр Ф. Фільтр пропускає на приймач лише випромінювання в вузькому діапазоні довжин хвиль, з центром на робочій довжині хвилі випромінювача λ = 1047 нм.

Вихідними значеннями для кожного первинного далекомірного вимірювання є заміряні значення нахиленої дальності D_i і фази сканування α_i. Значення величини α_i. чисельно рівно куту нахилу скануючего дзеркала.

Дата добавления: 2015-11-14