Оперативный анализ рельефа поверхности при моноимпульсной оптической локации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Нгуен Ву Тунг

• Нгуен Ву Тунг
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Ву Тунг

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

О ВОЗМОЖНОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПО ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЕ СИГНАЛА.

1.1. Отражательные характеристики в импульсной оптической локации.

1.2.Импульсные характеристики элементарных поверхностей.

1.3. Сигналы отраженны от элементарных поверхностей [9].

1.4. Системные отражательные характеристики поверхностей. Эффективная длительность импульсной характеристики поверхности.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2.

ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ ОТ ПОВЕРХНОСТЕЙ

СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ.

2.1. Влияние пространственной протяженности облучаемой поверхности и временного формирования излучения на условия обнаружения.

2.2 Влияние инерционности приемной системы на энергетические характеристики при нестационарном облучении поверхности.

2.3 Влияние отступлений от оптимальной фильтрации на условия обнаружения сигналов, отраженных от протяженных поверхностей.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3.

АНАЛИЗ СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ

ПРОТЯЖЕННОСТИ ОБЛУЧАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

3.1. Анализ шумовой погрешности оценки длительности сигнала.

3.2 Анализ шумовой погрешности при измерении радиальной протяженности облучаемой поверхности.

3.3 Влияние отступлений от условий оптимальной фильтрации на погрешности фиксации сигнала.

3.4 Аномальная погрешность определения временной протяженности поверхности.

3.5. Анализ погрешности, обусловленной уровнем фиксации в условиях априорной неопределенности облучаемой поверхности.

3.6 Суммарная случайная погрешность определения радиальной протяженности облучаемой поверхности.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРЕНИЯ МОНОИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО АНАЛИЗАТОРА РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.

4.1. Структурная схема лазерного оперативного анализатора рельефа поверхности.

4.2. Схема измерения с пропорциональным растягиванием времен-ного интервала.

4.3. Интерполяционный измеритель временного интервала с оптико-электронной линией задержки.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оперативный анализ рельефа поверхности при моноимпульсной оптической локации»

Бурное развитие космической техники, направленное на решение разнообразных задач, в том числе, и исследование планет и астероидов солнечной системы выдвигает жесткие требования к созданию навигационной аппаратуры. В том числе и к системам обеспечения посадки космических аппаратов.

При исследовании планет и астероидов солнечной системы с использованием беспилотных аппаратов и автоматических транспортных средств, которые могут спускаться на платформах с борта космических аппаратов, при их посадке для избежания опрокидывания возникает необходимость определения структуры рельефа посадочной поверхности. Особенно важно знать перепад высот посадочной поверхности. Ввиду этого необходимо проводить оперативную оценку рельефа поверхности с достаточно больших высот, чтобы осуществить необходимости коррекцию траектории посадки.

Такой оперативный анализ рельефа посадочной поверхности должен осуществляться с достаточно больших высот с погрешностями изменения перепада высот, составляющими десятые доли метра. При этом технические средства анализа рельефа поверхности должны иметь минимально возможные габариты, массу и, главное, низкое энергопотребление.

Определенные перспективы для таких навигационных систем открывает использование оптико-электронных систем, которые по сравнению с радиотехническими обладают рядом преимуществ:

• малые веса и габариты,

• низкое энергопотребление,

• более высокие точностные характеристики.

Применение для этих целей стереоскопических телевизионных систем не представляется возможным из-за необходимости использования достаточно большой базы, чтобы обеспечить требуемые погрешности оценки перепада высот. Кроме этого использования их ограничено состоянием освещенности поверхности. Применение систем со сканированием импульсного лазерного излучения по исследуемой поверхности и измерением расстояния может решить поставленную задачу, но связано с необходимостью формирования узко направленных полей излучения, созданием оптико-механических сканирующих систем и существенными энергетическими затратами.

Для создания таких технических средств можно использовать трансформацию пространственных признаков во временные в отраженном сигнале при моноимпульсной локации исследуемой поверхности. В этом случае в параметрах отраженного сигнала содержится информация о пространственной структуре облученной поверхности и ее радиальной протяженности при однократном зондировании поверхности. При этом будет использоваться аппаратура с существенно низким энергопотреблением

Параметры отраженного сигнала определяются отражательными характеристиками поверхностей в направлении приема, к которым относятся [31]:

• энергетические отражательные характеристики, связывающие интенсивности отраженного и зондирующего излучения и зависящие от параметров поверхности и условий их облучения и наблюдения;

• пространственно-частотные отражательные характеристики - двумерная функция эффективных коэффициентов яркости облучаемых и наблюдаемых точек поверхности, перпендикулярной направлению наблюдения;

• временные отражательные характеристики, обусловленные пространственной протяженностью и формой облучаемой поверхности;

• поляризационные отражательные характеристики, которые при заданном ракурсе описываются 16-элементной матрицей рассеяния, являющейся аналогом матрицы Мюллера [На основание этих матриц могут быть определены отраженные потоки при любом состоянии поляризации зондирующего излучения и поляризационной аппаратной функции приемника].

Естественно, что в основе трансформации пространственных признаков во временные лежат энергетическо-временные отражательные характеристики поверхностей. При этом требуется, прежде всего, дать теоретическое обоснование возможности идентификации поверхностей по временной структуре отраженного сигнала.

Второй задачей, которая возникает при создании прибора, анализирующего временную структуру отраженного сигнала, является определение рационального временного формирования излучения и выбор характеристик приемно-усилительного тракта по условию наименьших энергетических затрат и минимальных точностных потерь.

Имеется достаточно большое количество работы, посвященных обнаружению и оценке параметров оптических сигналов, в том числе и с учетом специфических особенностей приема, например [6,7,14,15,16] и др. Однако нигде не рассматриваются задачи оценки длительности и дисперсии этих оценок. Недостаточно исследованы и вопросы выбора временных параметров излучения и характеристик приемно-усилительного тракта, при которых обеспечивались наименьшие энергетические и точностные потери, возникающие при облучении радиально протяженных поверхностей.

Таким образом, разработка теоретических положений, позволяющих обосновать выбор основных параметров, характеристик и принципов построения моноимпульсных систем оперативного анализа рельефа поверхности по временной структуре отраженного импульса, является актуальной задачей.

Цель диссертации и задачи исследований: на основе теоретических исследований сформулировать требования, к выбору основных характеристик и принципа построения бортового моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности.

Для достижения этой цели поставлены задачи:

• исследование возможности идентификации элементарных ламбертовых поверхностей по временной структуре отраженных сигналов;

• анализ обнаружительной способности при идентификации поверхностей;

• анализ случайных погрешностей определения информационного параметра;

• обоснование структурной схемы моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности.

В первой главе диссертационной работы рассматривается возможность идентификации формы облучаемой поверхности в моноимпульсной локации при ее однократном зондировании путем анализа амплитудно-временной структуры принимаемого сигнала. Исходя из предположения, что посадочные поверхности имеют также размеры, при которых они могут быть аппроксимированы элементарными поверхностями, получены импульсные характеристики этих поверхностей; которые являются энергетически-временными отражательными характеристиками. При этом форма импульсных характеристик, определяются пространственной структурой поверхности, а временная протяженность импульсной характеристики пропорциональна радиальной протяженности облучаемой поверхности. Форма импульсной характеристики поверхности и ее временная протяженность являются первичными информационными параметрами для идентификации поверхностей. Рассмотрены отраженные сигналы от этих поверхностей для двух форм зондирующих импульсов. Рассмотрены изменения первичных информационных параметров для случая гауссовых полей излучения и приема. Вводится аппроксимации системной импульсной характеристики поверхности с эквивалентной ее длительностью. Такая аппроксимация позволяет упростить описание отраженного сигнала при анализе обнаружительных и точностных характеристик системы. Рассмотрены отраженные сигналы при полях излучения и приема, отличных от идеальных, в условиях облучения зондирующими импульсами различной длительности и формы. Сформулированы требования к характеристикам и параметрам излучения для идентификации поверхности.

Во второй главе проведен анализ энергетических потерь обусловленных изменением радиальной протяженности облучаемой поверхности. Рассмотрена эффективность временного формирования зондирующего сигнала заданной энергии в гипотетически оптимальных системах, а также степень влияния инерционности фотоприемой цепи (фотоприемного контура) на обнаружение сигналов, отраженных от поверхностей с изменяющейся радиальной протяженностью. Проведен анализ влияния отступлений от условий оптимальной фильтрации при постоянных параметрах и характеристиках приемно-усилительного тракта. Даются рекомендации к выбору ширины полосы пропускания приемно-усилительного тракта при априорно неизвестной облучаемой поверхности с позиции минимальных энергетических потерь.

Третья глава посвящена анализу случайных составляющих погрешностей определения радиальной протяженностей облучаемой поверхности.

Впервые определена дисперсия оценки длительности сигнала и ее зависимость от уровня отсчета. Показано, что основной вклад в эту погрешность вносят дисперсии оценок времени фиксации фронта и спада принимаемого сигнала. Корреляция оценок фиксации по фронту и спаду сигнала имеет существенное значение только при высоких уровнях отсчета.

Проводится анализ дисперсии оценки времени фиксации по фронту при безынерционном и инерционном приеме в зависимости от радиальной протяженности облучаемой поверхности при различном временном формировании излучаемого сигнала заданной энергии.

В условиях априорно неизвестной облучаемой поверхности определена оптимальная ширина полосы пропускания приемно-усилительного тракта, обеспечивающая минимальные точностные потери.

Рассмотрена аномальная погрешность определения длительности сигнала, которая возникает вследствие принятия шумового выброса за сигнальный. Исходя из аппроксимации поведения дифференцируемого случайного процесса над отсчетом уровнем параболой определена дисперсия длительности выброса на этом уровне. Показано, что в ряде случаев пренебрегать аномальной погрешностью опасно, так как она может оказаться сопоставимой с шумовой погрешностью.

Анализируется погрешность, обусловленная выбранным уровнем отсчета в условиях априорной неопределенности появления отражающих поверхностей. Показано, что эта погрешность может достигать 40% от измеряемой радиальной протяженности облучаемой поверхности и является наиболее существенной составляющей случайной ошибки определения радиальной протяженности облучаемой поверхности. Анализ этой погрешности показал, что при разрушении первичных информационных параметров из-за полей излучения и приема, параметров и характеристик зондирующего сигнала и передаточной функции приемно-усилительного тракта эта погрешность существенно уменьшается. При достаточно больших по величине сигналах эта погрешность окажется сопоставимой с остальными составляющими случайной ошибки.

В условиях различных законов распределения составляющих ошибок определения радиальной протяженности поверхности предложено суммарную погрешность определять с учетом доверительной вероятности.

В четверной главе диссертации приводится структурная схема моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности. Можно этот анализатор назвать моноимпульсным определителем радиальной протяженности поверхности. Схема анализатора включает в себя также устройство измерения величины сигнала и схему АРУ. Первое из них позволяет исключить погрешность, связанную с изменением величины сигнала при заданном уровне отсчета (фиксации). Второе - исключить грубую погрешность, обусловленную насыщением усилителя по мере сближения с поверхностью. При этом, чтобы приемно-усилительный тракт, передаточная функция которого может изменяться при регулировках, не вносил дополнительные ошибки, осуществлять регулировку уровня сигнала предлагается в оптическом тракте посредством изменения апертуры приемного объектива. Даются выражения для расчетов временной протяженности импульсной характеристики в контроллере.

Рассмотрены две схемы косвенного измерения длительности сигнала: • схема пропорционального растягивания временного интервала,

• интерполяционная схема с рециркуляторами.

В первой схеме предложено зарядно-разрядное устройство с изменяющейся постоянной времени. Это дает возможность уменьшить погрешность измерения временного интервала за счет снижения разброса срабатывания компаратора.

Во второй схеме предлагается в рециркуляторах в качестве линии задержки использовать оптико-электронную волоконную линию задержки. Теоретически это дает возможность проводить измерения с точностью до 1 мм.

В заключении даются основные выводы по диссертационной работе.

11

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Нгуен Ву Тунг

Выводы по четвертой главе.

1. Предложена структурная схема моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности, позволяющая исключить грубую погрешность определения радиальной протяженности облучаемой поверхности, обусловленную изменением величины принимаемого сигнала.

2. Предложена схема измерителя временного интервала с пропорциональным растягиванием временного интервала, которая основана на изменении постоянной времени заряда емкости, позволяющая повысить точность преобразования временного интервала. 3. Предложена интерполяционная схема измерения временного интервала с использованием рециркуляторов и оптико-электронной линии задержки, позволяющая теоретически проводить измерения с погрешностью « мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Приведенный анализ отражательных характеристик элементарных ламбертовых поверхностей показал, что идентификация их может быть успешно осуществлена при выполнении следующих условий:

• диаграмма направленности излучения должна быть близка к прямоугольной,

• длительность импульса излучения должна быть значительно меньше временной протяженности облучаемой поверхности.

2. Определения радиальной протяженности облучаемой поверхности может осуществляться практически при любых зондирующих импульсных и полях излучения при соответствующей обработке в измерительном устройстве анализатора рельефа поверхности.

3. В условиях априорной неопределенности величины радиальной протяженности облучаемой поверхности энергетически выгоднее использовать приемно-усилительный тракт с узкой полосой, оптимальной для сигналов, отраженных от наиболее протяженных поверхностей.

4. Отступление от условий оптимальной фильтрации увеличение радиальной протяженности облучаемой поверхности приводит и существенным точностным потерям. Однако в условиях равновероятного появления величин радиальной протяженности облучаемой поверхности можно выбрать такую фиксированную ширину полосы пропускания приемно-усилительного тракта, при которой будут минимальные средние точностные потери.

5. Анализ аномальной погрешности изменений показывает, что не всегда можно пренебрегать этой составляющей погрешности, так как она в ряде случае может оказаться сопоставимой с шумовой погрешностью определения радиальной протяженности облучаемой поверхности.

6. Разрушение информационных параметров в принимаемом сигнале, обусловленное полями излучения и приема, параметрами зондирующего импульса и передаточной функции приемно-усилительного тракта, приводит к существенному уменьшению случайной погрешности, вызванной уровнем отсчета, которая в идеальных условиях (без указанных разрушений) для рассматриваемых в работе поверхностей может достигать 40% от величины временной протяженности облучаемой поверхности.

7. Предложена структурная схема моноимпульсного лазерного анализатора рельефа поверхности, позволяющая исключить грубую погрешность определения радиальной протяженности облучаемой поверхности, обусловленную изменением величины принимаемого сигнала. Получены в работе формулы и графики могут быть использованы при проектировании импульсных лазерных локационных систем, работающих в условиях нестационарного облучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Ву Тунг, 2007 год

1. Аверьянов Г.А. Лебедько Е.Г, Цифровой интерполяционный измеритель интервалов времени, Приборы и техника эксперимента, 1968, №4.

2. Гуткин Л.С, Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах, Гое энерго издат, М., Л., 1961 г, 388с.

3. Клюев Н.И, Информационные основы передачи сообщений, Сов.радио, М., 1966г, 360с.

4. Кузнецов П.И., Стратонович Р.Л., Тихонов В.И., О длительности выбросов случайной функции, ЖТФ 24, в.1 (1954).

5. Лебедько Е.Г, Оценка точности временной фиксации сигнала при квазиоптимальной фильтрации в системах оптической связи, ОМП, № 7,1971г.

6. Лебедько Е.Г, Обнаружение сложных импульсных сигналов, Труды ЛИТМО, Современная электроника в оптическом приборостроении, Л., 1981г.

7. Лебедько Е.Г, Выбор длительности излучающего импулсьса при оптической локации воздушных объектов, Оптический журнал, №8,1995г.

8. Лебедько Е.Г, Оценка параметров сигналов в ОЭС, ИТМО, С-П„ 2001г,38с.

9. Лебедько Е.Г., Нгуен By Тунг, Определение парметров отраженных сигналов в моноимпульсной лазерной системе анализа рельефа поверхности.// Известия ВУЗОВ Приборостроение, Том 50, № 5, с.68-73.

10. Лебедько Е.Г, Нгуен By Тунг, Влияние инерционности на оценку длительности сигналов, Сборник трудов ИТМО (в печати).

11. Лебедько Е.Г, Нгуен By Тунг. Анализ рельефа поверхности при моноимпульсной лазерной локации.//Сб. трудов конференции " Лазеры, измерения, информация 2005"СПб, СПбГТУ. 2005.

12. Лебедько Е.Г, Нгуен By Тунг, Чжау Сяоган. Потенциальная точность изменения наклонной дальности.// Сб. трудов конференции "Лазеры, измерения, информация" 7-8 июня 2006г, СПб СПбГТУ. с.45.

13. Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И., Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем, Л.: Машиностроение, 1984г, 187с.

14. Лебедько Е.Г, Тимофеев О.П., Оценка влияния инерционности фотоприемников на условия обнаружения сложных сигналов, Известия Вузов -Приборостроение, Том 21, №5, 1978г.

15. Лебедько Е.Г, Тимофеев О.П., Квазиоптимальная фильтрация сложных сигналов, Труды ЛИТМО, Оптико-электронные приборы в контрольно-измерительной технике, Л., 1979г.

16. Лебедько Е.Г, Тимофеев О.П., Эффективность обнаружения отраженных сигналов, Оптико-механическая промышленность, № 6, 1979г.

17. Лебедько Е.Г, Хайтун Ф.И, Дисперсия оценок времни прихода сигналов в системах оптической связи с инерционными фотоприемниками, ОМП, № 3, 1970г.

18. Лебедько Е.Г, Брызгалов В.А., Расширитель временных интервалов, А.С. №748834 от 21.03.1980.

19. Лебедько Е.Г, Хайтун Ф.И., Квазиоптимальная фильтрация в системах с инерционными приемниками, Радиотехника и электроника, Т. 15, № 9,1970г.

20. Левин Б.Р., Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике, Сов.радио, М. 1960г. 663 с.

21. Левин Б.Р, Теоритические основы статистической радиотехники, Т1, Сов.радио, Б., 1966г, 728с.

22. Лезин Ю.С, О некритичности структуры согласованного фильтра кизменению формы сигнала ТГПИ, 1964г, Т.20, № 2, с.59-62.

23. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б., Основы проектирования лазерных локационных систем, М.: Высшая школа, 1983г, 207с.

24. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи, Т2, Сов.радио, М., 1961г.

25. Мирский Г.Я. Измерение временных интервалов, Госэнерго. Издат. М., 1964г.

26. Моручин Л.А, Г.В.Глебович, Наносекундная импульсная техника, Сов.радио, М.,1964г, 624с.

27. Непогодин И.А, Основные виды отражательных характеристик тел в направлении приема и методы их измерения в оптике, Импульсная фотометрия, Вып.7, Машиностроение, Л., 1982г, с. 124-131.

28. Самсоненко С.В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов, Воениздат, М., 1968г, 309с.

29. Сифоров В.И, Дробов С.А, Ширман А.Д, Железнов Н.А, Теория импульсной радиосвязи, изд-во ЛКВВИАим, А.Ф. Мажайского, 1951г.

30. Сифоров В.И, О влиянии помех на прием импульсных радиосигналов, Радиотехника, 1946г, № 5.

31. Справочник по специальным функциям, под ред. М. Абрамовича и И.

32. Стигана, М.Наука, 1979г, 830с.

33. Стратонович Р. Л., Избранные вопросы теории флуктуаций в радиотехнике, «Светское радио», 1961.

34. Фалькович С.Е, Оценка параметров сигналов, Сов.радио, М.

35. Фалькович С.Е, Прием радиолакоционных сигналов на фоне флюктуационных помех. «Советское радио», М., 1961 г, 311 с.

36. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, Сов.радио, М., 1966г.

37. Тихонов В.И., Выбросы случайных процессов, М., Наука., 1970,392с.

38. Хайтун Ф.И., О влиянии формы световых импульсных сигналов заданной энергии на дальность передачи.- ОМП,№ 6, 1963, с. 12-14.

39. Хайтун Ф.И., Лебедько Е.Г. О влиянии формы лучистых импульсных сигналов на пороговые соотношения в системах с инерционными фотоприемниками. ОМП, № 7,1969,с.79.

40. Хайтун Ф.И., Лебедько Е.Г, Об эффективности преобразования энергетического подобия в системах с инерционными фотоприемниками, ОМП, № 3,1969г.

41. Rice S.O, Mathematical Analysis of Random Noise, Bell System Tech. J., vol.23, pp.282-332, July 1944: vol.24, pp.46-156, January 1945.