eng
Выпуск #5/2025
М. В. Останин, Д. Г. Откупман, М. В. Шахматов
Методики выбора параметров датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики
Методики выбора параметров датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики
Просмотры: 1713
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.5.390.399
Рассматриваются методики выбора параметров бортовых автоматических активных оптических датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики. Приведены зависимости и влияние величины базы, фокусного расстояния и величины кружка рассеяния на относительную погрешность срабатывания датчиков дальности, а также выбор указанных параметров при заданной относительной погрешности и дистанции срабатывания. Показаны модели и оптические схемы датчиков на основе фото- и лазерного диода, созданных по разработанной методике.
Рассматриваются методики выбора параметров бортовых автоматических активных оптических датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики. Приведены зависимости и влияние величины базы, фокусного расстояния и величины кружка рассеяния на относительную погрешность срабатывания датчиков дальности, а также выбор указанных параметров при заданной относительной погрешности и дистанции срабатывания. Показаны модели и оптические схемы датчиков на основе фото- и лазерного диода, созданных по разработанной методике.
Теги: energy efficiency function laser range sensors range characteristic reference distance базовое расстояние дистанционная характеристика лазерные датчики дальности функция энергетической эффективности
Методики выбора параметров датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики
М. В. Останин, Д. Г. Откупман, М. В. Шахматов
ПАО «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Россия
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК), Москва, Россия
Рассматриваются методики выбора параметров бортовых автоматических активных оптических датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики. Приведены зависимости и влияние величины базы, фокусного расстояния и величины кружка рассеяния на относительную погрешность срабатывания датчиков дальности, а также выбор указанных параметров при заданной относительной погрешности и дистанции срабатывания. Показаны модели и оптические схемы датчиков на основе фото- и лазерного диода, созданных по разработанной методике.
Ключевые слова: лазерные датчики дальности, базовое расстояние, дистанционная характеристика, функция энергетической эффективности
Статья получена: 01.12.2024
Статья принята: 02.02.2025
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в области ближней дальнометрии применяются активные оптические датчики дальности базового типа [1].
Датчики дальности базового типа в процессе своей многолетней эксплуатации зарекомендовали себя как надежные приборы. Благодаря простоте конструкции и алгоритма обработки сигналов, отсутствию подвижных деталей, высокой надежности и помехозащищенности они остаются востребованными до настоящего времени.
В литературных источниках приведены примеры следующих характеристик автоматических датчиков дальности базового типа:
пределы измерения высоты от 1 до 30 м; размер базы 1 м; длительность импульсов 200 нс, частота следования около 1 кГц; точность измерения высоты не хуже 0,5 м [2];
предел измерения высоты от 2 до 4 м; размер базы 50 мм; относительная погрешность измерения 10% [3, 4].
Основной характеристикой бортовых автоматических датчиков дальности является дистанционная характеристика, которая представляет собой зависимость величины электрического сигнала на выходе приемника излучения от расстояния до исследуемого объекта.
Разработка датчиков дальности базового типа ведется с 60‑х годов прошлого столетия, однако не существовало обобщенной методики выбора параметров таких систем. Подбор параметров осуществлялся экспериментально, исходя из заданных габаритов прибора и ограниченной элементной базы.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДАТЧИКОВ ДАЛЬНОСТИ БАЗОВОГО ТИПА
Датчики дальности базового типа представляют собой оптико-электронные системы активного типа. Они являются аналогами геометрических дальномеров и получили широкое распространение в ближней дальнометрии благодаря простоте конструкции и относительно высокой точности, позволяющей решать задачи дистанционного контроля.
На рис. 1 представлена обобщенная схема функционирования датчика дальности базового типа. Такие системы содержат два канала: передающий и приемный. Каналы разнесены на фиксированное (базовое) расстояние и расположены под фиксированным (базовым) углом друг к другу. Величина базового угла при известном базовом расстоянии определяет дальность срабатывания (контролируемую дистанцию).
Величина базового расстояния (базы) B влияет на точность работы прибора и на его габариты. При малом расстоянии между излучателем и приемником разрешение по дальности может оказаться недостаточным [5]. Поэтому при разработке датчика дальности выбирается минимально возможное значение базы В, при котором будет обеспечиваться заданная погрешность срабатывания.
Появление отражающего объекта вблизи контролируемой дальности приводит к формированию в плоскости чувствительных элементов приемника излучения (ПИ) изображения пятна источника излучения (ИИ). Положение изображения зависит от перемещения объекта по дальности. Соответствующее перемещению объекта перемещение изображения в плоскости чувствительных элементов приводит к изменению степени перекрытия приемных площадок и изображения и, соответственно, к изменению сигнала на выходе ПИ. То есть сигнал на выходе ПИ несет информацию о соответствии текущей дальности до объекта и контролируемой дальности [6, 7].
ПОСТРОЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для оценки возможности создания автоматических датчиков дальности базового типа на первых этапах проектирования применяется методика построения основной выходной дистанционной характеристики для идеальной оптической системы (ОС) с ИИ точечного и площадного типа. При этом учитывается, что ОС представляет собой идеальную систему, а чувствительный элемент ПИ – прямоугольную площадку.
В первом случае, принимая во внимание, что ИИ является точечным и изображение его пятна на объекте тоже является точечным, дистанционная характеристика для идеальной ОС представляет собой прямоугольную функцию. При этом ширина прямоугольника соответствует размеру зоны чувствительности (протяженности зоны по дальности), зависит от размера чувствительного элемента ПИ и определяется системой неравенств:
K =
где K – коэффициент использования изображения излучающей области точечного источника на ПИ; l(y) – текущая дальность, соответствующая координате y изображения источника излучения на чувствительном элементе ПИ; l – ближняя граница зоны чувствительности; l′ – дальняя граница зоны чувствительности; l – l′ – ширина зоны чувствительности.
Более сложным является построение дистанционной характеристики датчика дальности, в котором ИИ представляет собой площадку прямоугольной формы, как у полупроводникового лазерного диода (ПЛД). Соответственно и изображение пятна ИИ в плоскости ПИ при идеальной ОС является прямоугольником. Проблемой является то, что необходимо обеспечить высокую точность срабатывания при априори неопределенном соотношении между энергией, принимаемой ПИ, и положением объекта относительно контролируемой дальности. Идеальной является ситуация, когда сигнал срабатывания вырабатывается при касании края изображения и приемника излучения. Однако количество принимаемой энергии при этом очень мало и может быть ниже уровня внутренних шумов и сторонних засветок. Поэтому устанавливается некоторое пороговое значение принимаемой энергии, исходя из данных источника излучения, контролируемой дальности и коэффициентов отражения типовых поверхностей. Пороговому значению соответствует ситуация, когда изображение пятна ИИ и чувствительная площадка приемника в какой-то степени перекрываются (рис. 2). На этом же рисунке показано, как для построения дистанционной характеристики выбирается система координат на плоскости приемника излучения, начало системы координат совпадает с центром изображения пятна ИИ в момент достижения порогового уровня энергии.
Из рис. 2 видно, что коэффициент использования изображения излучающей области ПЛД на ПИ определяется следующей системой неравенств:
K =
где yи – размер изображения излучающей области ПЛД в плоскости ПИ; y0 – расстояние от начала системы координат до границы чувствительного элемента (соответствует пороговому уровню энергии); yПИ – размер чувствительной площадки ПИ по координате y; y(l) – координата центра изображения пятна излучения ПЛД в плоскости ПИ относительно начала координат; Δy(l) – протяженность области перекрытия изображения пятна ИИ и чувствительной площадки по координате y.
Вид дистанционной характеристики для идеальной ОС с площадным ИИ представлен на рис. 3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСТАНЦИИ СРАБАТЫВАНИЯ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ДАЛЬНОСТИ БАЗОВОГО ТИПА
В общем виде энергетически дистанционная характеристика для автоматических датчиков дальности базового типа описывается уравнением:
Фh, B, f ' = ρ · gh − l, B, f ' · sl, B, f ' dl,
где sl, B, f ' – импульсная характеристика,
gl, B, f ' – величина изображения источника излучения на ПИ,
l – дальность,
B – база,
h – расстояния до датчика дальности,
f ' – фокусное расстояние приемного объектива, ρ – коэффициент отражения объекта.
Решив уравнение (3) относительно величины h и задавшись величиной порога Фh, B, f ', можно найти значение дальности срабатывания датчика. При этом, из (3) можно получить формулу для дистанции срабатывания при работе по объекту с минимальным коэффициентом отражения:
lcp =.
где B – базовое расстояние; l' – дистанция срабатывания для максимального коэффициента отражения исследуемого объекта; Kср – коэффициент использования источника излучения в момент срабатывания; Kρ – отношение минимального коэффициента отражения к максимальному для исследуемых объектов.
Касаемо погрешности Δl определения дистанции срабатывания, можно отметить, что эта погрешность обусловлена работой датчика дальности по объектам с различными коэффициентами отражения:
Δl = lρmax − lρmin ,
где lρmax – дальность срабатывания при максимальном коэффициенте отражения; lρmin – дальность срабатывания при минимальном коэффициенте отражения.
При этом, относительная погрешность σ датчика дальности определяется по формуле:
σ =,
где lср.зад – заданная дальность срабатывания.
Задавшись величиной относительной погрешности σ, можно построить пространственный график, показывающий характер зависимости yи, В, f ' [7]. Множество точек, соответствующих значениям yи, В, f ' полученной поверхности, позволяет определить параметры изделия для заданной относительной погрешности.
ПРИМЕНЕНИЕ ФУНКЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИСТАНЦИИ СРАБАТЫВАНИЯ
Рассмотренные методы построения дистанционной характеристики для датчиков дальности базового типа позволяют выбрать такие параметры ОС как база, фокусное расстояние, угловое поле и диаметр входного зрачка приемного объектива, а также задать требования к величине кружка рассеяния приемного объектива и определить потенциальные возможности полученной системы (рис. 4). Однако необходимо отметить, что приведенные методы основаны на простейших геометрических соотношениях и не учитывают различные специфические особенности реальных ОС.
Как было упомянуто выше, дистанционная характеристика – это зависимость величины отраженного сигнала, воспринимаемого ПИ от расстояния до него, т. е. расчет дистанционной характеристики представляет собой энергетический расчет. В таком случае наиболее просто и действенно дистанционную характеристику описывает функция энергетической эффективности:
Ф(l) =·, где Ф0 – мощность потока излучения, падающая на исследуемый объект (предмет);
ρ – коэффициент отражения исследуемого объекта (предмета);
D – диаметр входного зрачка приемного объектива;
l – расстояние до исследуемого объекта (предмета);
Sгеом(l) – эффективная площадь входного зрачка на расстоянии l;
Sгеом.max – максимальное значение эффективной площади входного зрачка.
АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ
Для проверки автоматических датчиков дальности базового типа в ПАО «НПП «Импульс» был разработан специальный стенд, при этом получены результаты, подтверждающие работоспособность и адекватность данной методики.
Разработанная методика успешно апробирована при разработке автоматических датчиков дальности базового типа. Пример 3D-модели приемо-передающего блока и внешний вид макета датчика представлены на рис. 5, 6. Упрощенная структурная схема – на рис. 7.
ВЫВОДЫ
В результате выполнения проекта разработана обобщенная методика выбора параметров систем автоматических датчиков дальности базового типа. Были получены соотношения между параметрами системы, позволяющие вычислять дистанционную характеристику для различных моделей датчиков. Предложена функция, определяющая дистанцию срабатывания как зависимость от рабочих параметров прибора (фокусного расстояния, базового расстояния и размера излучающей области источника (ПЛД). На ее основании была исследована связь величины относительной погрешности измерения дальности с рабочими параметрами прибора. Это дало возможность разработать процедуру выбора параметров датчиков дальности базового типа. Методика расчета дистанционной характеристики датчиков дальности опирается на функцию энергетической эффективности. Дальнейшая реализация методики в условиях стендовых испытаний показала ее успешное применение.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Проект выполнен за счет финансовых средств ПАО «НПП «Импульс».
REFERENCES
Miroshnikov M. M. Theoretical foundations of optical-electronic devices. – M.: Lan’, 2010. 704 p. (In Russ.). ISBN 978‑5‑8114‑1036‑1.
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. – М.: Лань, 2010. 704 с. ISBN 978‑5‑8114‑1036‑1.
Krylov K. I., Prokopenko V. T., Mitrofanov A. S. Application of lasers in mechanical engineering and instrument making. – L.: Mashinostroenie, 1978. 336 p. (In Russ.).
Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. – Л.: Машиностроение, 1978. 336 с.
Khokhlov V. K., Gurkin R. V. Model of backscatter interference as applied to laser pulse range sensors. Defense technology. 2005; 4–5:56. (In Russ.).
Хохлов В. К., Гуркин Р. В. Модель помехи обратного рассеяния применительно к лазерным импульсным датчикам дальности. Оборонная техника. 2005;4–5:56.
Khokhlov V. K., Gurkin R. V. Quasi-optimal regressive algorithm for range measurement in pulsed short-range ranging systems. Defense technology. 2006;1–2:100. (In Russ.)
Хохлов В. К., Гуркин Р. В. Квазиоптимальный регрессивный алгоритм измерения дальности в импульсных системах ближней дальнометрии. Оборонная техника. 2006;1–2:100.
Musyakov M. P., Mitsenko N. D. Optical-electronic systems for short-range ranging. –M.: Radio i svyaz’, 1991. 166 p. (In Russ.)
Мусяков М. П., Миценко Н. Д. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии. – М.: Радио и связь, 1991. 166 с.
Borzov A. B., Tsisarsky A. D. Stability of the operating range of an optical distance sensor. Defense technology. 2006;9:36–42. (In Russ.)
Борзов А. Б., Цисарский А. Д. Стабильность дальности срабатывания оптического датчика дистанции. Оборонная техника. 2006;9:36–42.
Ostanin M. V. Dependence of the relative error of a basic type range sensor on the parameters of the optical system. News of higher educational institutions, section “Geodesy and aerial photography”. 2012;5:106–109. (In Russ.)
Останин М. В. Зависимость относительной погрешности датчика дальности базового типа от параметров оптической системы. Известия высших учебных заведений раздел «Геодезия и аэрофотосъемка». 2012;5:106–109.
АВТОРЫ
Останин Михаил Васильевич, начальник отделения, Публичное акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Импульс», e-mail: ost@impuls.ru; Москва, Россия.
Откупман Дмитрий Григорьевич, асп., ст. преп., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК), e-mail: odvk@ya.ru; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0054-3155
Шахматов Михаил Витальевич, к.т.н., с. н. с., главный конструктор, Публичное акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Импульс», e-mail: svm@impuls.ru; Москва, Россия.
AUTHORS
Ostanin Mikhail Vasilievich, Departmental Head, JSC “Research and Production Company “Impulse”, e-mail: ost@impuls.ru; Moscow, Russia.
Otkupman Dmitriy Grigoryevich, PhD Student, Senior Lecturer, Department of Optical Electronic Devices, FSBEI HE Moscow State University of Geodesy and Cartography (MIIGAiK), e-mail: odvk@ya.ru; Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0003-0054-3155
Shakhmatov Mikhail Vitaljevich, Сand. Sc. (Techn.), Chief Designer, JSC “Research and Production Enterprise “Impulse”, e-mail: svm@impuls.ru; Moscow, Russia.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ
АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов и согласие с распределением вклада каждого в работу.
М. В. Останин, Д. Г. Откупман, М. В. Шахматов
ПАО «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Россия
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК), Москва, Россия
Рассматриваются методики выбора параметров бортовых автоматических активных оптических датчиков дальности базового типа и расчета дистанционной характеристики. Приведены зависимости и влияние величины базы, фокусного расстояния и величины кружка рассеяния на относительную погрешность срабатывания датчиков дальности, а также выбор указанных параметров при заданной относительной погрешности и дистанции срабатывания. Показаны модели и оптические схемы датчиков на основе фото- и лазерного диода, созданных по разработанной методике.
Ключевые слова: лазерные датчики дальности, базовое расстояние, дистанционная характеристика, функция энергетической эффективности
Статья получена: 01.12.2024
Статья принята: 02.02.2025
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в области ближней дальнометрии применяются активные оптические датчики дальности базового типа [1].
Датчики дальности базового типа в процессе своей многолетней эксплуатации зарекомендовали себя как надежные приборы. Благодаря простоте конструкции и алгоритма обработки сигналов, отсутствию подвижных деталей, высокой надежности и помехозащищенности они остаются востребованными до настоящего времени.
В литературных источниках приведены примеры следующих характеристик автоматических датчиков дальности базового типа:
пределы измерения высоты от 1 до 30 м; размер базы 1 м; длительность импульсов 200 нс, частота следования около 1 кГц; точность измерения высоты не хуже 0,5 м [2];
предел измерения высоты от 2 до 4 м; размер базы 50 мм; относительная погрешность измерения 10% [3, 4].
Основной характеристикой бортовых автоматических датчиков дальности является дистанционная характеристика, которая представляет собой зависимость величины электрического сигнала на выходе приемника излучения от расстояния до исследуемого объекта.
Разработка датчиков дальности базового типа ведется с 60‑х годов прошлого столетия, однако не существовало обобщенной методики выбора параметров таких систем. Подбор параметров осуществлялся экспериментально, исходя из заданных габаритов прибора и ограниченной элементной базы.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДАТЧИКОВ ДАЛЬНОСТИ БАЗОВОГО ТИПА
Датчики дальности базового типа представляют собой оптико-электронные системы активного типа. Они являются аналогами геометрических дальномеров и получили широкое распространение в ближней дальнометрии благодаря простоте конструкции и относительно высокой точности, позволяющей решать задачи дистанционного контроля.
На рис. 1 представлена обобщенная схема функционирования датчика дальности базового типа. Такие системы содержат два канала: передающий и приемный. Каналы разнесены на фиксированное (базовое) расстояние и расположены под фиксированным (базовым) углом друг к другу. Величина базового угла при известном базовом расстоянии определяет дальность срабатывания (контролируемую дистанцию).
Величина базового расстояния (базы) B влияет на точность работы прибора и на его габариты. При малом расстоянии между излучателем и приемником разрешение по дальности может оказаться недостаточным [5]. Поэтому при разработке датчика дальности выбирается минимально возможное значение базы В, при котором будет обеспечиваться заданная погрешность срабатывания.
Появление отражающего объекта вблизи контролируемой дальности приводит к формированию в плоскости чувствительных элементов приемника излучения (ПИ) изображения пятна источника излучения (ИИ). Положение изображения зависит от перемещения объекта по дальности. Соответствующее перемещению объекта перемещение изображения в плоскости чувствительных элементов приводит к изменению степени перекрытия приемных площадок и изображения и, соответственно, к изменению сигнала на выходе ПИ. То есть сигнал на выходе ПИ несет информацию о соответствии текущей дальности до объекта и контролируемой дальности [6, 7].
ПОСТРОЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для оценки возможности создания автоматических датчиков дальности базового типа на первых этапах проектирования применяется методика построения основной выходной дистанционной характеристики для идеальной оптической системы (ОС) с ИИ точечного и площадного типа. При этом учитывается, что ОС представляет собой идеальную систему, а чувствительный элемент ПИ – прямоугольную площадку.
В первом случае, принимая во внимание, что ИИ является точечным и изображение его пятна на объекте тоже является точечным, дистанционная характеристика для идеальной ОС представляет собой прямоугольную функцию. При этом ширина прямоугольника соответствует размеру зоны чувствительности (протяженности зоны по дальности), зависит от размера чувствительного элемента ПИ и определяется системой неравенств:
K =
где K – коэффициент использования изображения излучающей области точечного источника на ПИ; l(y) – текущая дальность, соответствующая координате y изображения источника излучения на чувствительном элементе ПИ; l – ближняя граница зоны чувствительности; l′ – дальняя граница зоны чувствительности; l – l′ – ширина зоны чувствительности.
Более сложным является построение дистанционной характеристики датчика дальности, в котором ИИ представляет собой площадку прямоугольной формы, как у полупроводникового лазерного диода (ПЛД). Соответственно и изображение пятна ИИ в плоскости ПИ при идеальной ОС является прямоугольником. Проблемой является то, что необходимо обеспечить высокую точность срабатывания при априори неопределенном соотношении между энергией, принимаемой ПИ, и положением объекта относительно контролируемой дальности. Идеальной является ситуация, когда сигнал срабатывания вырабатывается при касании края изображения и приемника излучения. Однако количество принимаемой энергии при этом очень мало и может быть ниже уровня внутренних шумов и сторонних засветок. Поэтому устанавливается некоторое пороговое значение принимаемой энергии, исходя из данных источника излучения, контролируемой дальности и коэффициентов отражения типовых поверхностей. Пороговому значению соответствует ситуация, когда изображение пятна ИИ и чувствительная площадка приемника в какой-то степени перекрываются (рис. 2). На этом же рисунке показано, как для построения дистанционной характеристики выбирается система координат на плоскости приемника излучения, начало системы координат совпадает с центром изображения пятна ИИ в момент достижения порогового уровня энергии.
Из рис. 2 видно, что коэффициент использования изображения излучающей области ПЛД на ПИ определяется следующей системой неравенств:
K =
где yи – размер изображения излучающей области ПЛД в плоскости ПИ; y0 – расстояние от начала системы координат до границы чувствительного элемента (соответствует пороговому уровню энергии); yПИ – размер чувствительной площадки ПИ по координате y; y(l) – координата центра изображения пятна излучения ПЛД в плоскости ПИ относительно начала координат; Δy(l) – протяженность области перекрытия изображения пятна ИИ и чувствительной площадки по координате y.
Вид дистанционной характеристики для идеальной ОС с площадным ИИ представлен на рис. 3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСТАНЦИИ СРАБАТЫВАНИЯ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ДАЛЬНОСТИ БАЗОВОГО ТИПА
В общем виде энергетически дистанционная характеристика для автоматических датчиков дальности базового типа описывается уравнением:
Фh, B, f ' = ρ · gh − l, B, f ' · sl, B, f ' dl,
где sl, B, f ' – импульсная характеристика,
gl, B, f ' – величина изображения источника излучения на ПИ,
l – дальность,
B – база,
h – расстояния до датчика дальности,
f ' – фокусное расстояние приемного объектива, ρ – коэффициент отражения объекта.
Решив уравнение (3) относительно величины h и задавшись величиной порога Фh, B, f ', можно найти значение дальности срабатывания датчика. При этом, из (3) можно получить формулу для дистанции срабатывания при работе по объекту с минимальным коэффициентом отражения:
lcp =.
где B – базовое расстояние; l' – дистанция срабатывания для максимального коэффициента отражения исследуемого объекта; Kср – коэффициент использования источника излучения в момент срабатывания; Kρ – отношение минимального коэффициента отражения к максимальному для исследуемых объектов.
Касаемо погрешности Δl определения дистанции срабатывания, можно отметить, что эта погрешность обусловлена работой датчика дальности по объектам с различными коэффициентами отражения:
Δl = lρmax − lρmin ,
где lρmax – дальность срабатывания при максимальном коэффициенте отражения; lρmin – дальность срабатывания при минимальном коэффициенте отражения.
При этом, относительная погрешность σ датчика дальности определяется по формуле:
σ =,
где lср.зад – заданная дальность срабатывания.
Задавшись величиной относительной погрешности σ, можно построить пространственный график, показывающий характер зависимости yи, В, f ' [7]. Множество точек, соответствующих значениям yи, В, f ' полученной поверхности, позволяет определить параметры изделия для заданной относительной погрешности.
ПРИМЕНЕНИЕ ФУНКЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИСТАНЦИИ СРАБАТЫВАНИЯ
Рассмотренные методы построения дистанционной характеристики для датчиков дальности базового типа позволяют выбрать такие параметры ОС как база, фокусное расстояние, угловое поле и диаметр входного зрачка приемного объектива, а также задать требования к величине кружка рассеяния приемного объектива и определить потенциальные возможности полученной системы (рис. 4). Однако необходимо отметить, что приведенные методы основаны на простейших геометрических соотношениях и не учитывают различные специфические особенности реальных ОС.
Как было упомянуто выше, дистанционная характеристика – это зависимость величины отраженного сигнала, воспринимаемого ПИ от расстояния до него, т. е. расчет дистанционной характеристики представляет собой энергетический расчет. В таком случае наиболее просто и действенно дистанционную характеристику описывает функция энергетической эффективности:
Ф(l) =·, где Ф0 – мощность потока излучения, падающая на исследуемый объект (предмет);
ρ – коэффициент отражения исследуемого объекта (предмета);
D – диаметр входного зрачка приемного объектива;
l – расстояние до исследуемого объекта (предмета);
Sгеом(l) – эффективная площадь входного зрачка на расстоянии l;
Sгеом.max – максимальное значение эффективной площади входного зрачка.
АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ
Для проверки автоматических датчиков дальности базового типа в ПАО «НПП «Импульс» был разработан специальный стенд, при этом получены результаты, подтверждающие работоспособность и адекватность данной методики.
Разработанная методика успешно апробирована при разработке автоматических датчиков дальности базового типа. Пример 3D-модели приемо-передающего блока и внешний вид макета датчика представлены на рис. 5, 6. Упрощенная структурная схема – на рис. 7.
ВЫВОДЫ
В результате выполнения проекта разработана обобщенная методика выбора параметров систем автоматических датчиков дальности базового типа. Были получены соотношения между параметрами системы, позволяющие вычислять дистанционную характеристику для различных моделей датчиков. Предложена функция, определяющая дистанцию срабатывания как зависимость от рабочих параметров прибора (фокусного расстояния, базового расстояния и размера излучающей области источника (ПЛД). На ее основании была исследована связь величины относительной погрешности измерения дальности с рабочими параметрами прибора. Это дало возможность разработать процедуру выбора параметров датчиков дальности базового типа. Методика расчета дистанционной характеристики датчиков дальности опирается на функцию энергетической эффективности. Дальнейшая реализация методики в условиях стендовых испытаний показала ее успешное применение.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Проект выполнен за счет финансовых средств ПАО «НПП «Импульс».
REFERENCES
Miroshnikov M. M. Theoretical foundations of optical-electronic devices. – M.: Lan’, 2010. 704 p. (In Russ.). ISBN 978‑5‑8114‑1036‑1.
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. – М.: Лань, 2010. 704 с. ISBN 978‑5‑8114‑1036‑1.
Krylov K. I., Prokopenko V. T., Mitrofanov A. S. Application of lasers in mechanical engineering and instrument making. – L.: Mashinostroenie, 1978. 336 p. (In Russ.).
Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. – Л.: Машиностроение, 1978. 336 с.
Khokhlov V. K., Gurkin R. V. Model of backscatter interference as applied to laser pulse range sensors. Defense technology. 2005; 4–5:56. (In Russ.).
Хохлов В. К., Гуркин Р. В. Модель помехи обратного рассеяния применительно к лазерным импульсным датчикам дальности. Оборонная техника. 2005;4–5:56.
Khokhlov V. K., Gurkin R. V. Quasi-optimal regressive algorithm for range measurement in pulsed short-range ranging systems. Defense technology. 2006;1–2:100. (In Russ.)
Хохлов В. К., Гуркин Р. В. Квазиоптимальный регрессивный алгоритм измерения дальности в импульсных системах ближней дальнометрии. Оборонная техника. 2006;1–2:100.
Musyakov M. P., Mitsenko N. D. Optical-electronic systems for short-range ranging. –M.: Radio i svyaz’, 1991. 166 p. (In Russ.)
Мусяков М. П., Миценко Н. Д. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии. – М.: Радио и связь, 1991. 166 с.
Borzov A. B., Tsisarsky A. D. Stability of the operating range of an optical distance sensor. Defense technology. 2006;9:36–42. (In Russ.)
Борзов А. Б., Цисарский А. Д. Стабильность дальности срабатывания оптического датчика дистанции. Оборонная техника. 2006;9:36–42.
Ostanin M. V. Dependence of the relative error of a basic type range sensor on the parameters of the optical system. News of higher educational institutions, section “Geodesy and aerial photography”. 2012;5:106–109. (In Russ.)
Останин М. В. Зависимость относительной погрешности датчика дальности базового типа от параметров оптической системы. Известия высших учебных заведений раздел «Геодезия и аэрофотосъемка». 2012;5:106–109.
АВТОРЫ
Останин Михаил Васильевич, начальник отделения, Публичное акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Импульс», e-mail: ost@impuls.ru; Москва, Россия.
Откупман Дмитрий Григорьевич, асп., ст. преп., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК), e-mail: odvk@ya.ru; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0054-3155
Шахматов Михаил Витальевич, к.т.н., с. н. с., главный конструктор, Публичное акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Импульс», e-mail: svm@impuls.ru; Москва, Россия.
AUTHORS
Ostanin Mikhail Vasilievich, Departmental Head, JSC “Research and Production Company “Impulse”, e-mail: ost@impuls.ru; Moscow, Russia.
Otkupman Dmitriy Grigoryevich, PhD Student, Senior Lecturer, Department of Optical Electronic Devices, FSBEI HE Moscow State University of Geodesy and Cartography (MIIGAiK), e-mail: odvk@ya.ru; Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0003-0054-3155
Shakhmatov Mikhail Vitaljevich, Сand. Sc. (Techn.), Chief Designer, JSC “Research and Production Enterprise “Impulse”, e-mail: svm@impuls.ru; Moscow, Russia.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ
АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов и согласие с распределением вклада каждого в работу.
Отзывы читателей
