9. Фазовые системы ближней дальнометрии

Проблема высокоточных измерений в системах ближней дальнометрии может быть решена за счет использования полупроводниковых квантовых генераторов с непрерывным излучением и использования фазовых методов дальнометрии, обладающих наилучшими потенциальными возможностями по снижению потенциала системы и дисперсии ошибки измерения дальности. Фазовые системы обладают наилучшими возможностями по реализации наименьших габаритных и весовых характеристик, как будет показано, имеют относительно не плохие решения по обеспечению высокой помехоустойчивости при действии аэрозольных помех естественного и искусственного происхождения. Однако отсутствие обоснованных решений и экспериментальных исследований препятствует широкому использованию их в практику проектирования таких систем. Из всего многообразия решений [166-151]остановимся лишь на наиболее оригинальных методах обработки сигнала и вопросах обеспечения помехозащиты.

9.1.Энергетический расчет и реализация потенциальных возможностей в фазовых системах дальнометрии

9.1.1. Энергетический расчет

Энергетический расчет является одним из основополагающих вопросов проектирования лазерных систем дальнометрии, использующих в качестве излучателя полупроводниковые лазеры с непрерывным излучением. При обосновании и проведении расчетов будем использовать следующие определения. За пороговую чувствительность принимается минимальная мощность, достаточная для регистрации объекта, расположенного на максимальной дальности при отношении сигнал/шум, определяемом заданной вероятностью ложных срабатываний системы.

За потенциал принимается отношение мощности излучения полупроводникового лазера к пороговой чувствительности дальномерной системы в логарифмическом масштабе (П = 10lg(Po/Pпор)), необходимой для достоверной регистрации дистанции до объекта. Вычисление требуемой мощности лазерного излучения будем рассматривать для случаев накопления (суммирования) отраженного сигнала и без него. Операция суммирования для фазометрических систем связана с оцифровкой принятой информации через определенный шаг дискретизации, например 10 нс и суммированием на i–тых интервалах при каждом цикле обзора пространства , равном периоду следованию гармонического сигнала, соответствующему циклу однозначного отсчета. Применение операции накопления (суммирования) позволяет улучшить отношение сигнал-шум в Ц N, где N-число накапливаемых импульсов. Это увеличение сопровождается суммированием сигнала в соответствующей пропорции. Это также приводит к уменьшению шумов, которые в силу того, что имеют разную полярность, появляются от опроса к опросу в каждой I-той выборке по случайному закону. Влияние процесса накопления будем учитывать при формировании пороговой чувствительности всей системы. В таких системах используется, как правило, фазовое цифровое фазовое детектирование, когда искомая фаза находится как временной интервал, фиксируемый между характерными точками оцифрованных и занесенных в память опорного и отраженного гармонических сигналов. Принятая мощность от объекта, расположенного на дистанции Н от дальномера при изотропном эквиваленте определяется зависимостью

, (9.1)

P0 - мощность излучателя; Sвх = pr2 - площадь входного зрачка приемного объектива ; - коэффициент отражения объекта; fc(Q) - коэффициент, учитывающий индикатрису рассеяния и поправку к изотропному эквиваленту рассеяния; ss - коэффициент объемного рассеяния; Н - дистанция до объекта.

Мощность излучения найдем, приравняв Рвх к пороговой чувствительности системы, за которую принимаем

, (9.2)

где - средне квадратичное значение теплового шума, приведенного ко входу; Uш[B/ЦГц] - плотность теплового шума малошумящего усилителя по паспорту (например, 4 нв/ЦГц); sдр - средне квадратичное значение дробового шума; g - превышение сигнала над шумами (отношение сигнал/шум), определяемое из требований по заданной вероятности ложных срабатываний системы по порогу квантования; S[A/Bt] - ампер-ваттовая характеристика фотодиода, как единица преобразования входной мощности в ток; RH - сопротивление нагрузки фотодиода в вентильном режиме включения; Мх - коэффициент лавинного умножения фотодиода; N -количество накапливаемых импульсов в каждом I-том интервале оцифровки. В свою очередь Цsдр = (2eDfPфS[А/Вт]MxRн2)1/2 - среднеквадратичное значение дробового шума; е- заряд электрона; Df = 0.25/tи - оптимальная полоса пропускания фотоприемника; tи - длительность импульса; х - показатель степени при коэффициенте М (для германиевого фотодиода х=3, для кремниевого х = 2,4); Pф = (E0WrSвхfc(Q)Dl)/(2p) – мощность солнечной фоновой засветки; Dl - оптическая полоса приема; Еф [Вт/ м3] - плотность прямого солнечного фона; W [рад] - телесный угол визирования приемного объектива; r - коэффициент отражения подстилающей поверхности; Sвх = pr2 - площадь входного зрачка приемного объектива. При вычислении пороговой мощности произведение корня из суммы дисперсий на отношение сигнал/шум, приравниваем к пороговому значению полезного сигнала, который линейно связан с коэффициентом умножения. Поэтому в знаменателе введена линейная вольт-ваттовая характеристика как функция от М: .

За условие обеспечения оценки местоположения цели в