Литература

Лазерная локация земли и леса

1.3. Импульсный и фазовый метод измерения дальности

В современной лазерной локации используются два основных метода измерения наклонной дальности – импульсный и фазовый. Сразу оговоримся, что в лидарах воздушного базирования в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных лидарах – и импульсный, и фазовый. Причины этого явления мы обсудим позднее, а пока рассмотрим эти два метода измерения дальности подробно.

pic_6.png
Рисунок 6. Рост производительности лазерных локаторов импульсного типа

Импульсный метод

Реализация импульсного метода измерения наклонной дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения электромагнитных колебаний в атмосфереformula_2.png, замеренная продолжительность распространения лазерного импульса Ti позволяет определить наклонную дальность Di  по простой формуле:

formula_3.png

На рисунке 7 представлена типовая форма зондирующего лазерного импульса в лидарах типа ALTM канадской компании Optech Inc., а на рисунке 8 показана принципиальная схема приемопередатчика при реализации данной схемы измерения.

pic_7.png
Рисунок 7. Типовая форма зондирующего импульса при импульсном методе локации

pic_8.png
Рисунок 8. Принципиальная схема приемопередатчика при импульсном методе

Как следует из описания, реализация импульсного метода измерения дальности сравнительно проста в функциональном отношении. Поэтому и аппаратная реализация этого метода не вызывает серьезных проблем, что в качестве положительного следствия имеет достижение устойчивости и достоверности получаемых данных.

Представим некоторые дополнительные соображения, характеризующие импульсный метод:

  1. По возможности, должна быть обеспечена минимальная длительность зондирующего импульса и его максимальная добротность (т.е. максимально крутой передний фронт). Это требование представляется вполне естественным.
  2. Совершенно аналогичные требования к форме зондирующего импульса предъявляются в радиолокации и других технологиях активного зондирования.
  3. Описанная схема измерений предполагает постоянство скорости и прямолинейно-сть распространения лазерного импульса в атмосфере. Строго говоря, это не совсем так с учетом явления рефракции, которое приводит к искривлению оптического пути импульса. Это явление проявляется тем сильней, чем больше высота съемки. Для последней разработки компании Optech Inc. лидара ALTM 3100 фактическая высота съемки может достигать больших значений – до 4000 м. На таких высотах влияние рефракции для лазерных точек, полученных на краях полосы съемки, уже сопоставимо с точностью метода. Это обстоятельство вынуждает принимать специальные меры для коррекции координат лазерных точек на этапе наземной обработки. Коррекция проводится с использованием аналитических зависимостей, описывающих величину рефракции в зависимости от текущих физических параметров атмосферы, таких как температура и давление на уровне земли.

Сводная таблица 3 содержит концептуальные достоинства и недостатки импульсного метода измерений наклонной дальности.

Таблица 3. Основные достоинства и недостатки импульсного метода измерения дальности
ДостоинстваНедостатки
– высокая устойчивость метода измерения;
– сравнительно простая схема оптико-электронного тракта;
– возможность регистрации множественного отражения.
– ограничения по достижимой точности и разрешающей способности;
– принципиальное ограничение производительности при использовании одиночного приемника по норме «высота съемки – частота импульсов».

Обсудим важнейшие недостатки импульсного метода измерения дальности.

1. Как и во всех других родственных технологиях, в лазерной локации принято считать, что импульсный метод проигрывает по точности фазовому. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

  • длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса;
  • отражательные характеристики объекта;
  • оптические свойства атмосферы;
  • текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования;
  • другие.

Влияние всех перечисленных выше параметров сводится к ослаблению «размыванию» формы отраженного импульса на входе оптической схемы приемника, т.е. к возрастанию неопределенности в измерении длительности задержки распространения зондирующего импульса до объекта и обратно. Повышение этой неопределенности на практике оборачивается снижением точности. Как будет показано ниже, фазовый метод во многом свободен от этого недостатка.

2) Принципиальное ограничение производительности по норме «высота съемки – частота импульсов» состоит в следующем. Из представленной выше функциональной схемы лидара импульсного типа видно, что каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий отраженный импульс. С учетом конечной скорости распространения электромагнитных колебаний можно определить простое соотношение, которое определяет теоретический предел частоты зондирующих импульсов fmax в зависимости от высоты съемки H, а именно:

formula_4.png

Значения fmax , рассчитанные в соответствии с данной формулой, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Максимально возможные значения частоты зондирующих импульсов в зависимости от высоты съемки при импульсном методе
Высота съемки (H), мМаксимально возможная частота зондирующих импульсов (fmax), КГц
300 500
1500 100
3000 50

Представленные в таблице 4 значения частот являются теоретически максимально возможными. На практике они несколько меньше.

Отметим также, что данное принципиальное ограничение в той или иной степени относится и ко всем другим методам активного дистанционного зондирования. Здесь оно упомянуто потому, что, как было сказано выше, в авиационной лазерной локации в настоящее время используются исключительно импульсные методы. Поэтому это ограничение существенно на практике, принимая во внимание значительные высоты съемки.

Дальнейшим развитием импульсного метода является так называемый метод регистрации формы отраженной волны (wave form registration). Практическую реализацию данного метода обеспечивают, например, лидары  ALTM 30/70 и ALTM 3100 в качестве опции к базовому импульсному методу измерения.

Технология регистрации формы отраженной волны предполагает запись в цифровом виде полной формы отклика на каждый зондирующий импульс с частотой дискретизации 1 ГГц и выше. Зарегистрированная таким образом волна дает «историю» отражения зондирующего импульса от всех препятствий, встретившихся на его пути (рис. 9).

pic_9.png
Рисунок 9. К определению метода регистрации фо-рмы отраженной волны

pic_10.png
Рисунок 10. К определению фазового метода определения наклонной дальности

Наибольший интерес такая информация может представлять для использования в специализированном программном обеспечении обработки лазерно-локационных данных для более достоверного распознавания и геопозиционирования объектов различных классов.

Другим возможным приложением может явиться использование данных такого рода для нормализации изображений распределения интенсивности с учетом высоты полета и угла падения зондирующего луча.

Перейдем к рассмотрению фазового метода.

Рисунок 10 представляет принцип определения наклонной дальности при использовании фазового метода. Этот принцип состоит в определении количества целых длин волн между локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания. Ширина полосы моду-ляции до 10 ГГц при исполь-зовании современных лазерных диодов (semiconductor laser diodes). Отметим, что в этом случае зондирующее излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом.

Напомним, что фазовый метод измерения дальности пока применяется то-лько в лидарах наземного базирования.

Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров. Вообще фазовые измерения в оптической и радиодальнометрии (в том числе в GPS и ГЛОНААС методах) считаются самыми точными. Для того чтобы пояснить это положение рассмотрим фазовый метод измерения несколько более подробно.

Для того, чтобы определить расстояние между источником и объектом, необходимо:

  1. Определить целое количество длин волн модуляции K, приходящихся на это расстояние.
  2. Определить разность фаз simbol_7.png между принятой и опорной волной и тем самым оценить дополнительное расстояние, соответствующее «последней» неполной волне.

Если значения и simbol_7.png удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле:

formula_5.png

где simbol_8.gif - длина волны модуляции.

Приведенной простой формулы достаточно, чтобы в принципе дать объяснение высокой точности фазового метода дальномерных измерений. Точность величины simbol_8.gifопределяется стабильностью частоты генератора модулирующего колебания. В современных условиях возможно достичь очень высокой точности этого параметра. Т.е. если значение Kопределено правильно, то член simbol_8.png практически не вносит никакого своего вклада в результирующую ошибку измерения дальности.

Величина simbol_7.png также может быть определена достаточно точно. Сразу отметим, что в зависимости от типа лидара может использоваться либо аппаратный метод определения значения simbol_7.png с помощью т.н. фазиметров, либо принятый сигнал в цифровой форме записывается на магнитный носитель, а все последующие процедуры анализа фазы осуществляются программно. В любом случае удается достичь высокой точности определения simbol_7.png по следующим причинам:

  • за счет использования синусоидального закона модуляции ширина спектра входного и выходного сигнала чрезвычайно мала. Теоретически можно говорить о бесконечно узком спектре, т.е. о единственной дискретной частоте -
formula_6.png

Важно, что входное и выходное излучение может отличаться по интенсивности (т.е. по амплитуде волны модуляции), но не по частоте simbol_3.gif. Это обстоятельство обусловливает высокую эффективность и точность корреляционных методов, которые используются при поиске значения simbol_7.png

  • фазовый метод, в отличие от импульсного, позволяет получить численные значения и оценить достоверность и точность произведенного дальномерного измерения за счет анализа взаимной корреляционной функции излученного и принятого излучения. Достоверное (и как следствие точное) измерение будет характеризоваться наличием отчетливо выраженного максимума взаимной корреляционной функции, а у недостоверного измерения соответствующая функция будет иметь размытый вид и значения максимума будут определяться не столь точно. Наличие возможности численной оценки достоверности измерения позволяет, если необходимо, отвергать некоторые измерения, точность которых находится ниже допустимого порога.

В таблице 5 сведены основные достоинства и недостатки фазового метода измерения дальности.

Упомянутая в таблице в качестве достоинства более высокая производительность, т.е. количество дальномерных измерений в секунду, которая сегодня

Таблица 5. Основные достоинства и недостатки фазового метода измерения дальности
Достоинства Недостатки
- наивысшая возможная точность измерения;
- более высокая производительность
- ограниченная дальность действия; 
- возможность неоднозначности при определении целого количества длин волн;
- высокая потребная мощность излучателя;
- невозможность регистрации множественного отражения

для некоторых моделей наземных лазерных сканеров приближается к 1 ГГц, объясняется следующими двумя обстоятельствами:

  • во-первых, по описанным ниже причинам рабочие дальности действия фазовых лидаров невелики, не более 200 м. Поэтому эти приборы по норме "высота (дальность) съемки - частота импульсов" ограничены по частоте импульсов в меньшей степени;
  • во-вторых, за счет использования модулирования несущего колебания некоторые из фазовых приборов вообще свободны от этого ограничения. При изменении закона модулирования во времени появляется возможность преодолеть смешение сигналов, отраженных от различных компонентов сцены и пришедших на входной зрачок приемника одновременно. Так как закон моделирования и функция его изменения известны точно, это позволяет надежно детектировать оба сигнала раздельно.

Теперь обсудим недостатки фазового метода измерения. В основном они сводятся к проблеме неоднозначности решения по целым длинам волн и необходимости принятия дополнительных мер по разрешению этой неоднозначности. Действительно, фазовый метод в том виде, как он описан выше, не содержит никаких механизмов определения значения K. Более того, при использовании единственной частоты модуляции определение дальности Dпри использовании исключительно фазового метода принципиально невозможно. Для разрешения задачи неопределенности по целым длинам волн применяют различные методы, которые, однако, могут быть объединены в две большие группы:

  1. использование дополнительных источников информации по измеряемой дальности;
  2. многочастотные методы.

В первом случае необходимо иметь некоторую априорную информацию о значении величины D с точностью не хуже 0.5·simbol_9.png. Применительно к лазерно-локационному методу измерения это можно сделать, например, выполнив измерение наклонной дальности импульсным методом, а потом уточнив его фазовым.

Во втором случае используют модуляцию несущей двумя или более синусоидальными колебаниями. Это позволяет однозначно разрешить неопределенность по целым длинам волн в диапазоне от 0 до некоторого максимального значения Dmax. Если измеряемые дальности превосходят Dmax, то разрешение однозначности не гарантируется. Как уже было отмечено выше, на практике значение Dmax пока не превосходит 300 м. Исчерпывающую информацию по применению фазового метода измерения дальности можно получить в источнике (Шануров, 1991).