Анализ основных параметров современных оптических дальномерных устройств

Одной из актуальных задач современной оптической дальнометрии является создание компактных мобильных измерительных устройств, способных с прецизионной точностью определять профиль поверхности и пространственное положение движущихся объектов в условиях изменяющегося фона. С этой целью разрабатываются оптические дальномеры, которые осуществляют высокоточные измерения расстояний до каждой точки поверхности объекта с учетом изменения освещенности и флуктуаций параметров отраженных сигналов. Процесс создания таких устройств представляет собой сложную научно-техническую задачу и требует от разработчиков использования нестандартных подходов и эффективных методов исследования получаемых результатов.

Анализ современных тенденций развития импульсных оптических дальномерных устройств свидетельствует, что основные усилия разработчиков направлены на существенное снижение массогабаритных параметров устройств при одновременном увеличении (или сохранении) энергии излучаемых сигналов; на уменьшение пороговой чувствительности приемных каналов путем использования малошумящей интегральной схемотехники и оптимизации коэффициента усиления; на повышение точности измерения расстояний за счет применения цифровых устройств с высоким разрешением и новых оптимальных алгоритмов обработки сигналов [8]. При этом основными компонентами таких систем продолжают оставаться: передающее устройство, включающее в себя лазерный излучатель, схему управления и коллимирующую оптическую систему; приемное устройство, включающее в себя фотодетектор, усилительный канал, временной дискриминатор и приемную оптическую систему; измеритель временных интервалов (ИВИ); вычислительное устройство [9]. На рисунке 1.1 представлена типичная структура оптического дальномера.

Рис.1.1. Структура оптического измерителя расстояния

Результаты исследования конструкционных особенностей и анализ принципов функционирования зарубежных аналогов подобных дальномерных систем показывают, что передающее устройство для малогабаритных оптических измерительных систем построено на базе полупроводниковых лазерных излучателей с использованием быстродействующих электронных схем управления, обеспечивающих достаточно высокий уровень и стабильность выходной мощности (от единиц до нескольких сотен милливатт), высокую частоту повторения зондирующих импульсов (до нескольких десятков килогерц), малую длительность импульсов (единицы наносекунд и менее), большую амплитуду запускающих импульсов тока (до 100 А) [10]. Фотоприемное устройство обычно строится на основе лавинных фотодиодов (ЛФД), обеспечивающих высокую чувствительность (несколько нановатт) и, соответственно, большую дальность действия измерительных систем [11]. Измерители временных интервалов строятся на основе современных интегральных микросхем, которые имеют предельное временное разрешение порядка десятков пикосекунд [12]. Вычислительное устройство на базе микропроцессора осуществляет формирование выходных данных и управляет работой всех узлов оптического дальномера.

Области применения малогабаритных импульсных оптических дальномерных устройств самые разнообразные. Это топогеодезические радиотехнические измерительные системы, устройства измерения высоты объекта и профиля его поверхности, дальномеры для промышленных применений, системы обеспечения дорожной безопасности и многие другие [13]. В данных применениях дистанция изменяется в диапазоне от единиц метров до нескольких километров, а требуемые точности – от единиц сантиметров до нескольких десятков сантиметров для пассивных отражающих объектов [14]. Существуют области применений, например, в строительстве сооружений при определении пространственного положения элементов конструкции и робототехнике, где требуются даже миллиметровые уровни точности [15]. С другой стороны, в системах оповещения и для относительно больших расстояний требуемая точность составляет несколько сантиметров, а для военных применений – даже несколько метров [16]. Для проведения 3-х мерных дистанционных измерений в одних случаях требуется короткое время измерений порядка нескольких десятков микросекунд, а в других случаях - до одной секунды [17].

Оптические дальномеры стали использоваться для измерения профиля различных типов поверхности на расстоянии 1,5...10 м с точностью ±3 см и временем измерения 10 мс [18]. В индустриальных применениях была достигнута точность ±3,5 мм на дистанции 3...7 метров при времени измерения 20мсек [19]. 3-х мерные измерения впервые были проведены с импульсным полупроводниковым лазером с частотой повторения 10 кГц со световой камерой, которая воспроизводила 64×64 пиксельную картинку за 4 сек с точностью ±2,5 мм на дистанции 4 метра [20]. Позднее в 3D-датчике использовался полупроводниковый лазер с лавинным фотодиодом и формировалась 128×128 пиксельная картинка за 2,5 сек на дистанции 4 метра с точностью ±7 мм [21]. В современных 3D-датчиках точности измерения составляют около ±0.3 мм (в вертикальном и горизонтальном направлениях) на дистанции до 15 метров [22].

Однако следует отметить, что высокие точности для всех устройств были достигнуты только на фиксированных дистанциях, обеспечивающих линейный режим работы усилительного тракта ОДУ. Сведений о работе этих устройств в режиме насыщения усиления нет.

Основные характеристики современных зарубежных полупроводниковых оптических дальномеров представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Дата добавления: 2015-06-27