Литература

Лазерная локация земли и леса

2.3. Функциональная схема типового лазерного локатора на примере системы ALTM Optech

Функциональную схему типового лазерного локатора рассмотрим на примере приборов класса Airborne Laser Terrain Mapper (ALTM) производства компании Optech Inc., мирового лидера в этой области.

Основные функциональные компоненты типового воздушного лидара обсуждались выше. Повторим полученные выводы теперь уже применительно к прибору класса ALTM. Основные функциональные компоненты схемы, реализующей лазерно-локационный метод измерения, сведены в таблице 7.

Таблица 7. Основные структурные компоненты схемы, реализующей лазерно-локационный метод измерения

КомпонентФункции
Сканирующий блокГенерация лазерных импульсов, прием отраженного сигнала и определение наклонной дальности до точки отражения,  управление разверткой.
Бортовой навигационный комплекс (БНК)Обеспечение каждого первичного измерения  полным набором элементов внешнего ориентирования.
Сеть наземных базовых GPS станцийПроведения дифференциальной коррекции траекторных данных бортового GPS приемника.

При этом сканирующий блок и бортовой навигационный комплекс относятся к воздушному сегменту схемы, а сеть наземных базовых GPS станций – к наземному сегменту.

Функциональная схема бортовой части лазерного локатора изображена на рисунке 17.

pic_17.png
Рисунок 17. Функциональная схема бортовой части лазерного локатора

Рассмотрим схему инфо-рмационного взаимодействия основных структурных компо-нентов.

Бортовой навигационный комплекс (БНК) вырабатывает последовательность навигаци-онных данных по траектории движения носителя X,Y,Z и углам ориентации H,R,P в СК WGS-84. Эти данные, как правило, генерируются с частотой 50–200 Гц. Навигационные данные так же, как и дальномерные данные, вырабатываемые сканерным блоком, через SCSI или Ethernet интерфейс поступают на бортовой магнитный регистратор. Здесь необходимо сделать два замечания касательно режима работы БНК:

  1. указанные на схеме навигационные данные X, Y, Z и R, P, H являются окончательным результатом навигационного решения, полученного в реальном времени. Кроме них, регистрируется множество другой вспомогательной информации, отражающей внутреннюю работу навигационного комплекса. Впоследствии в ходе наземной постобработки эта информация используется для получения уточненного навигационного решения;
  2. часто GPS приемник, входящий в состав навигационного комплекса, выполняет самостоятельную регистрацию своих данных на собственный носитель.

Другой функцией навигационного комплекса является временнaя синхронизация работы всех компонентов локатора. Синхронизация выполняется за счет выработки БНК импульса синхронизации, который подается на все внутренние устройства локатора. Для этой цели используется стандартный PPS импульс, вырабатываемый GPS приемником, который, таким образом, является источником бортового GPS времени. Важно, что секундные импульсы вырабатываются GPS приемником с достаточной точностью в реальном времени (Шануров, Мельников, 2001), т.е. без дифференциальной коррекции. Описанный режим синхронизации имеет большое значение для всего бортового информационно-измерительного комплекса в целом. Он позволяет отказаться от выполнения аппаратной синхронизации всех источников информации, как это делалось ранее при создании летающих лабораторий. Вместо этого любая порция данных снабжается временнoй меткой, согласованной с источником абсолютного GPS времени, в результате чего любая порция данных, записываемая на регистратор, оказывается полностью определенной во временнoм отношении, а фактическая синхронизация потоков данных осуществляется в результате наземной постобработки. Это обстоятельство имеет два главных практических последствия:

  1. значительно разгружается электронный блок локатора, точнее, та его часть, которая отвечает за формирование единого кадра системы;
  2.  возможности бортового информационно-измерительного комплекса могут быть существенно расширены за счет комплексирования ЛЛ с другими (внешними по отношению к локатору) источниками данных. При этом нет необходимости аппаратно включать новый поток данных в кадр локатора. Достаточно синхронизировать его с абсолютным GPS временем. Примером подобного подхода является совместное использование ЛЛ и цифровых аэрофотоаппаратов. Другим возможным практически значимым примером может явиться комплексирование с тепловизионной или спектрозональной аэросъемочной аппаратурой.

Перейдем к рассмотрению сканирующего блока. Сканирующий блок использует концепцию приемопередатчика, характерную для многих оптико-элек-тронных активных систем, используемых в авиационном дистанционном зондировании. В структуре сканирующего блока можно выделить следующие компоненты:

  1. излучатель;
  2. приемник;
  3. оптическая система;
  4. дискретизатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), совместно выполняющие функции модуля измерения дальности.

В качестве излучателя используется твердотельный лазер типа YLF, работающий в импульсном режиме. Рассматриваемая модель лазера использовалась в первых моделях лидаров типа ALTM. В таблице 8 приведены основные технические параметры лазера типа Q-switched, серия 7960.

На рисунке 18 показана типовая диаграмма полной энергии импульса в зависимости от частоты генерации.

pic_18.png
Рисунок 18. Диаграмма зависимости энергии импульса от частоты генерации

Рабочая длина волны лазерного излучения составляет 1047 нм, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону. В результате этого:

  1. лазерный локатор оказывается чрезвычайно чувствительным к метеорологическому состоянию атмосферы и наличию механических примесей, которые значительно ослабляют сигнал, а в некоторых случаях делают съемку невозможной. Однако еще раз заметим, что зависимость лидаров типа ALTM от состояния атмосферы существенно меньше, чем у приборов, использующих лазеры, работающих на длине волны около 1.5 мкм;
  2. лазерное излучение на этой длине волны является наиболее опасным
Таблица 8. Основные технические параметры лазера
xxx.png

для зрения, т.к. может вызвать ожог сетчатки. В силу этого вводятся ограничения на минимальную высоту полета, которая в зависимости от модели лидара  при максимальной мощности излучения составляет 300–500 м. Это обстоятельство является дополнительным ограничением при планировании аэросъемочных работ.

Значение полной энергии импульса и средней мощности (определяемое как отношение полной энергии к длительности) косвенно определяют такой ва-жный параметр как максимально возможная высота съемки. Для модели ALTM-3100 паспортное значение составляет 3500 м, однако на практике в условиях ясной атмосферы возможна съемка и с больших высот с потерей не более 10% импульсов.

Эффективный диаметр луча увеличивается после выхода из лазера с помощью коллиматора до нескольких миллиметров, что позволяет снизить его расходимость до примерно 0.3 мрад. Окончательное значение расходимости играет важную роль, так как определяет размер пятна по формуле dxH, где H – рабочая высота полета. Понятно, что это значение лимитирует точность и разрешающую способность ЛЛ метода съемки. Из рисунка 18 видно, что, начиная с некоторого значения, увеличение частоты генерации импульсов приводит к быстрому падению полной энергии импульса и увеличению его ширины. Ясно, что это имеет следствием падение соотношения сигнал-шум и негативно сказывается на вероятности регистрации отраженного импульса. Это обстоятельство учитывается при выборе рабочего значения частоты генерации.

Что касается типовой формы лазерного импульса, то здесь следует отметить следующее:

  1. с точки зрения точности определения наклонной дальности, как показано ниже, решающее значение имеет крутизна переднего фронта импульса и его стабильность. Это, безусловно, верно при регистрации первого отраженного импульса;
  2. длительность импульса сказывается на разрешающей способности по дальности. Так, при нормативной ширине импульса в 15 нс длина «мертвой зоны» составляет 15x10-9 с x 3x108 м/с = 0.45 м. Все отражения на интервале этой длине, следующим за первым отражением, будут потеряны.

Временнaя диаграмма процесса измерения наклонной дальности изображена на рисунке 19.

pic_19.png
Рисунок 19. Временная диаграмма процесса измерения наклонной дальности

По переднему фронту исходящего импульса запускается счетчик блока измерения дальности TIM. На рисунке 19 ось TIM для наглядности размечена в единицах дальности, а не времени. Понятно, что переход от одной шкалы к другой осуществляется по формуле D = cxt, где c – скорость света в вакууме. Для режима работы TIM блока, изображенного на рисунке 19, блок TIM ожидает прихода отраженных импульсов  до момента времени, соответствующего 5000 м, т.е. максимально возможная замеренная наклонная дальность составляет 2500 м. Механизм регистрации задержки времени распространения несколько отличается для первого (FIRST) и последнего (LAST) импульсов. Время задержки (а значит и дальность) импульса FIRST определяется по накопленному значению счетчика TIMfirst канала с момента запуска до момента прихода первого отраженного импульса, т.е. в этом случае дальность до объекта, вызвавшего отражение, определяется по формуле: D = Dfirst.

Одновременно каждый новый входящий импульс вызывает запуск счетчика канала LAST, который накапливает значение дальности до момента окончания работы счетчика канала FIRST. В результате фактическая дальность до объекта, вызвавшего отражение, в этом случае будет определяться по формуле D = 2500-Dlast.

Излученный импульс, не вызвавший ответного сигнала в течение интервала, соответствующего дальности 2500 м, считается потерянным. Общее количество потерянных импульсов регистрируется локатором. Информация об этом доступна оператору и при наземной обработке для определения статистики.

Первые модели лидаров, выпускаемые компанией Optech, позволяли регистрировать только FIRST или только LAST импульсы. В последующем появились приборы, способные регистрировать и FIRST и LAST импульсы одновременно. В настоящее время лидары типа ALTM 3100 фирмы Optech и приборы  других производителей позволяют регистрировать до 5 отраженных импульсов, что имеет большое значение в таких приложениях, как съемка лесных массивов.

Отметим также, что отраженный сигнал после приема и усиления подвергается дискретизации. Дискретизация является аналоговой процедурой, в результате которой входной импульс преобразуется к стандартному виду прямоугольных импульсов фиксированной длины. Это значительно повышает точность фиксации временного интервала.

Однако в ЛЛ серии ALTM длина импульса на выходе дискретизатора составляет 80 нс, в результате чего канал приемника оказывается блокированным для приема импульсов от объектов, отстоящих от первого зарегистрированного импульса на расстояние 80x10_9.gifс ? 3x108.gif м/с = 2.4 м.

Принципиальная схема оптической системы изображена на рисунке 20.

pic_20.png
Рисунок 20. Принципиальная схема оптической системы лидара типа ALTM

Лазерный луч от излучателя И через призму П и два вспомогательных зеркала попадает на сканирующее зеркало З. Сканирующее зеркало З совершает колебательные движения. Сканирующее зеркало обеспечивает зигзагообразную развертку в направлении, перпендикулярном направлению полета. Продольная развертка обеспечивается за счет движения носителя. Призма Пр обеспечивает направление отраженного потока на собирающую линзу О, выполняющую функции объектива. Перед тем как попасть на приемник П, поток проходит через интерференционный фильтр Ф. Фильтр пропускает на приемник только излучение в узком диапазоне длин волн, с центром в рабочей длине волны излучателя simbol_8.gif = 1047 нм.

Мгновенное поле зрения (МПЗ) приемника юстировано с направлением распространения луча. При выборе ширины мгновенного поля зрения принимаются во внимание следующие факторы:

  1. МПЗ приемника не может быть слишком широким по следующим причинам. Во-первых, расширение МПЗ приводит к падению соотношения сигнал-шум за счет того, что приемник облучается фоновым излучением, мощность которого, естественно, пропорциональна угловой ширине МПЗ. Второе ограничение носит принципиальный характер. Широкое МПЗ позволяет достоверно фиксировать только первый отраженный импульс, т.к. по определению оптическая длина (и следовательно время распространения) до точки первого отражения всегда минимальна. Поэтому первый отраженный импульс всегда соответствует точке, лежащей на линии распространения зондирующего луча. Однако первое и все последующие отражения луча вызывают диффузное переотражение во всех направлениях, в результате чего возникает масса новых переотражений,  часть энергии которых может быть переотражена в сторону приемника. В этом случае точка, вызвавшая отражение, не может быть зафиксирована в координатном пространстве, т.к. при широком МПЗ приемника принципиально отсутствует возможность определить направление падающего излучения. Таким образом, можно сделать вывод, что для всех импульсов, кроме первого, результирующую точность определения координат в большей степени лимитирует ширина МПЗ приемника, чем эффективная ширина зондирующего луча.
  2. Вместе с тем ширина мгновенного поля зрения не может быть уменьшена до величины эффективной ширины зондирующего луча. Во-первых, это тру-днее реализовать с чисто технической точки зрения, так как необходима очень точная юстировка излучателя и приемника. Имеется также и другое более серьезное ограничение. Для надежной регистрации отраженного сигнала необходимо, чтобы отраженное излучение осталось в пределах мгновенного поля зрения приемника, несмотря на его смещение, вызванное непрерывным вращением сканирующего зеркала. Это смещение может быть значительно по сравнению с эффективной шириной зондирующего луча. Обратимся к примеру. Пусть выполняется съемка с высоты H = 1000 м, с частотой сканирования F = 100 Гц и амплитудой сканирования ± 20°. Тогда угловая скорость вращения зеркала составляет simbol_177.gif = 80°x100 Гц=8x103 град./с, а время распространения луча до объекта и обратно составит t = 2000 м/3x108 м/c. За это время МПЗ изменит свое положение в пространстве на величину  simbol_177.gifxsimbol_10.png = 0,94 мрад, что почти в четыре раза больше значения эффективной ширины луча. Из этого простого рассуждения видно, что при данном методе сканирования значение МПЗ приемника должно выбираться с запасом, исходя из предполагаемых условий эксплуатации. Этот запас должен быть тем больше, чем выше максимально допустимая высота съемки, амплитуда и частота сканирования.

Выходными значениями сканирующего блока являются для каждого первичного дальномерного измерения замеренные значения наклонной дальности simbol_11.png и фазы сканирования simbol_12.png. Последнее значение численно равно углу наклона сканирующего зеркала в СК сканерного блока. В предыдущем разделе показано, как по этим значениям и по навигационным данным перейти к координатам точек отражения.