Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах
Рассмотрена возможность уменьшения влияния низкочастотных помех в частотно-фазовых лазерных дальномерах, которые приводят к кратковременной нестабильности параметров преобразовательных звеньев прибора. Это достигается за счет применения фильтрации выходного сигнала частотно-фазовой системы, основная...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100760 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах / И.А. Брагинец // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 6. — С. 71-75. — Бібліогр.: 7 назв. — pос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100760 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Брагинец, И.А. 2016-05-26T18:16:47Z 2016-05-26T18:16:47Z 2013 Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах / И.А. Брагинец // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 6. — С. 71-75. — Бібліогр.: 7 назв. — pос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100760 621.317 Рассмотрена возможность уменьшения влияния низкочастотных помех в частотно-фазовых лазерных дальномерах, которые приводят к кратковременной нестабильности параметров преобразовательных звеньев прибора. Это достигается за счет применения фильтрации выходного сигнала частотно-фазовой системы, основная частота которого пропорциональна измеряемому расстоянию. Проведено электронное моделирование преобразовательных процессов в такой системе, для чего получены модели выходного сигнала в их аналоговом и дискретном представлении. Результаты проведенного моделирования позволяют выбрать оптимальные параметры используемого фильтра верхних частот в зависимости от допустимого значения погрешности, возникающей из-за переходных процессов в нем. Также путем численного моделирования проведена оценка случайной погрешности предлагаемого устройства, обусловленной влиянием широкополосных помех. Приведены результаты моделирования в виде зависимости случайной погрешности от соотношения сигнал/шум при выбранном значении постоянной времени фильтра. Розглянуто можливість зменшення впливу низькочастотних завад у частотно-фазових лазерних далекомірах, які призводять до короткочасної нестабільності параметрів перетворювальних ланок приладу. Це досягається за рахунок застосування фільтрації вихідного сигналу частотно-фазової системи, частота якого пропорційна вимірювальній відстані. Проведено електронне моделювання перетворювальних процесів у такій системі, для чого отримано моделі вихідного сигналу в їх аналоговому і дискретному представленні. Результати проведеного моделювання дозволяють вибрати оптимальні параметри фільтра верхніх частот, що використовується в даному випадку, в залежності від допустимого значення похибки, яка виникає через перехідні процеси в ньому. Також шляхом чисельного моделювання проведено оцінку випадкової похибки запропонованого пристрою, зумовленої впливом широкосмугових завад. Наведено результати моделювання у вигляді залежності випадкової похибки від співвідношення сигнал/шум при обраному значенні постійної часу фільтра. The possibility of reducing the influence of low-frequency noise in the laser phase-frequency rangefinders, which leads to a shortterm instability of converting links of the device has been reviewe. This is achieved through the use of filtering the output signal of the phase-frequency system, the frequency which is proportional to the measured distance. The electronic simulation of converting processes in such system was carried out for which the output signal models in analog and discrete form were received. The results of the simulation allow to choose optimal parameters for a high pass filter according to the allowable value of the error arising from the transition processes in it. By numerical simulations assessment of the random error of the device due to the influence of broadband noise has been carried out. The simulation results are presented as a function of the random error from the signal/noise ratio for the selected filter time constant. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах Зменшення впливу низькочастотних завад у лазерних частотно-фазових далекомірних системах Reduce the effect of low-frequency noise in the laser frequency-phase rangefinder system Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| spellingShingle |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах Брагинец, И.А. Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| title_short |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| title_full |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| title_fullStr |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| title_full_unstemmed |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| title_sort |
уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах |
| author |
Брагинец, И.А. |
| author_facet |
Брагинец, И.А. |
| topic |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| topic_facet |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна електродинаміка |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Зменшення впливу низькочастотних завад у лазерних частотно-фазових далекомірних системах Reduce the effect of low-frequency noise in the laser frequency-phase rangefinder system |
| description |
Рассмотрена возможность уменьшения влияния низкочастотных помех в частотно-фазовых лазерных дальномерах, которые приводят к кратковременной нестабильности параметров преобразовательных звеньев прибора. Это достигается за счет применения фильтрации выходного сигнала частотно-фазовой системы, основная частота которого пропорциональна измеряемому расстоянию. Проведено электронное моделирование преобразовательных процессов в такой системе, для чего получены модели выходного сигнала в их аналоговом и дискретном представлении. Результаты проведенного моделирования позволяют выбрать оптимальные параметры используемого фильтра верхних частот в зависимости от допустимого значения погрешности, возникающей из-за переходных процессов в нем. Также путем численного моделирования проведена оценка случайной погрешности предлагаемого устройства, обусловленной влиянием широкополосных помех. Приведены результаты моделирования в виде зависимости случайной погрешности от соотношения сигнал/шум при выбранном значении постоянной времени фильтра.
Розглянуто можливість зменшення впливу низькочастотних завад у частотно-фазових лазерних далекомірах, які призводять до короткочасної нестабільності параметрів перетворювальних ланок приладу. Це досягається за рахунок застосування фільтрації вихідного сигналу частотно-фазової системи, частота якого пропорційна вимірювальній відстані. Проведено електронне моделювання перетворювальних процесів у такій системі, для чого отримано моделі вихідного сигналу в їх аналоговому і дискретному представленні. Результати проведеного моделювання дозволяють вибрати оптимальні параметри фільтра верхніх частот, що використовується в даному випадку, в залежності від допустимого значення похибки, яка виникає через перехідні процеси в ньому. Також шляхом чисельного моделювання проведено оцінку випадкової похибки запропонованого пристрою, зумовленої впливом широкосмугових завад. Наведено результати моделювання у вигляді залежності випадкової похибки від співвідношення сигнал/шум при обраному значенні постійної часу фільтра.
The possibility of reducing the influence of low-frequency noise in the laser phase-frequency rangefinders, which leads to a shortterm instability of converting links of the device has been reviewe. This is achieved through the use of filtering the output signal of the phase-frequency system, the frequency which is proportional to the measured distance. The electronic simulation of converting processes in such system was carried out for which the output signal models in analog and discrete form were received. The results of the simulation allow to choose optimal parameters for a high pass filter according to the allowable value of the error arising from the transition processes in it. By numerical simulations assessment of the random error of the device due to the influence of broadband noise has been carried out. The simulation results are presented as a function of the random error from the signal/noise ratio for the selected filter time constant.
|
| issn |
1607-7970 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100760 |
| citation_txt |
Уменьшение влияния низкочастотных помех в лазерных частотно-фазовых дальномерных системах / И.А. Брагинец // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 6. — С. 71-75. — Бібліогр.: 7 назв. — pос. |
| work_keys_str_mv |
AT braginecia umenʹšenievliâniânizkočastotnyhpomehvlazernyhčastotnofazovyhdalʹnomernyhsistemah AT braginecia zmenšennâvplivunizʹkočastotnihzavadulazernihčastotnofazovihdalekomírnihsistemah AT braginecia reducetheeffectoflowfrequencynoiseinthelaserfrequencyphaserangefindersystem |
| first_indexed |
2025-11-26T20:15:56Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:15:56Z |
| _version_ |
1850772927916539904 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. №6 71
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ
УДК 621.317
УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПОМЕХ В ЛАЗЕРНЫХ
ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫХ ДАЛЬНОМЕРНЫХ СИСТЕМАХ
И.А.Брагинец, канд.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. e-mail: kiabioboss@ied.org.ua
Рассмотрена возможность уменьшения влияния низкочастотных помех в частотно-фазовых лазерных даль-
номерах, которые приводят к кратковременной нестабильности параметров преобразовательных звеньев
прибора. Это достигается за счет применения фильтрации выходного сигнала частотно-фазовой системы,
основная частота которого пропорциональна измеряемому расстоянию. Проведено электронное моделирова-
ние преобразовательных процессов в такой системе, для чего получены модели выходного сигнала в их анало-
говом и дискретном представлении. Результаты проведенного моделирования позволяют выбрать оптималь-
ные параметры используемого фильтра верхних частот в зависимости от допустимого значения погрешнос-
ти, возникающей из-за переходных процессов в нем. Также путем численного моделирования проведена оценка
случайной погрешности предлагаемого устройства, обусловленной влиянием широкополосных помех. Приведе-
ны результаты моделирования в виде зависимости случайной погрешности от соотношения сигнал/шум при
выбранном значении постоянной времени фильтра. Библ. 7, табл. 2, рис. 1.
Ключевые слова: лазер, частотно-фазовая система, расстояние, фликкер-шум, фильтрация.
Значительный интерес к применению частотно-фазового метода измерения расстояний при
построении лазерных дальномеров в большинстве случаев возникает из-за свойственных этому мето-
ду большого динамического диапазона и высокой разрешающей способности, что особенно актуаль-
но при малом времени доступа к объекту измерения. Как известно, необходимость в измерениях рас-
стояний (перемещений) возникает в таких отраслях, как крупногабаритное машиностроение, авиа-
строение, строительство специальных инженерных сооружений, в металлургической промышленнос-
ти при контроле профиля поверхности конвертеров и ковшей и др., а также при выделении объектов
наблюдения (цели) из окружающего фона. Например, из последних сведений такие работы проводят-
ся в морской навигации при определении движения ледников [7]. Как правило, при проведении ука-
занных выше измерений информационный сигнал принимается фотоприемником дальномера от диф-
фузно-отражающей поверхности контролируемых объектов. Поэтому на точность измерения пере-
мещения оказывает влияние низкое значение отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника от-
раженного светового сигнала, что приводит к возникновению случайной погрешности измерения из-
за действия широкополосных помех. Основными факторами, вызывающими случайную погрешность,
являются белый шум и низкочастотный шум (фликкер). Случайная погрешность, обусловленная дей-
ствием белого шума, не коррелирована и поэтому может быть существенно уменьшена за счет усред-
нения результатов многократных измерений. Фликкер-шум, спектральная плотность мощности кото-
рого, в отличие от белого шума, не постоянна и существенно растет с понижением частоты, ограни-
чивает возможность повышения точности измерения путем усреднения.
Целью данной работы является исследование возможности уменьшения влияния низкочас-
тотных помех в частотно-фазовых лазерных дальномерах, которые приводят к кратковременной не-
стабильности параметров преобразовательных звеньев прибора. Это может быть достигнуто за счет
применения фильтрации выходного сигнала частотно-фазовой системы, основная частота которого
пропорциональна измеряемому расстоянию. При этом необходимо выбрать параметры фильтра та-
ким образом, чтобы динамическая погрешность измерения, возникающая вследствие переходных
процессов в фильтре, была в пределах допустимой.
В частотно-фазовых лазерных дальномерных системах [2], в отличие от фазовых, значение час-
тоты модуляции не является постоянным, а увеличивается дискретно в заданном диапазоне ее значений.
При этом на каждой частоте модуляции оценивается фазовый сдвиг огибающих излучаемого и отражен-
ного от контролируемого объекта световых потоков. По результатам оценки отдельных фазовых сдвигов
определяется частота выходного сигнала системы, пропорциональная измеряемому расстоянию.
© Брагинец И.А., 2013
72 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. №6
На рисунке показана обобщенная структурная схема одноканальной лазерной частотно-фазовой
системы, предназначенной для измерения перемещений. На схеме приняты следующие условные обоз-
начения: Об – объектив; КО – контролируемый диффузно-отражающий объект; ПЛИ – полупроводнико-
вый лазерный излучатель; ФП – фотоприемник; ЦСЧ – цифровой синтезатор частоты; ПЗ – полупрозрач-
ное зеркало; ИКС – измеритель квадратурных составляющих выходного сигнала фотоприемника; ФВЧ –
фильтр верхних частот; АЦП – аналого-цифровой преобразователь напряжения; ОЗУ – оперативное за-
поминающее устройство; Инт – интерфейс; МК – микроконтроллер; ПК – персональный компьютер.
Принцип работы такого измерителя расстояния
и перемещений состоит в следующем. Модулирован-
ное по интенсивности световое излучение от ПЛИ че-
рез полупрозрачное зеркало ПЗ и объектив Об направ-
ляется на контролируемый объект КО. Отразившись от
КО, световое излучение через Об направляется с по-
мощью ПЗ на фотоприемник ФП.
Частота модуляции ПЛИ определяется выход-
ным напряжением ЦСЧ, устанавливаемым цифровым
кодом. Последний поступает на управляющие входы
ЦСЧ через регистр памяти микроконтроллера МК от
компьютера ПК с помощью интерфейса Инт. Частота модуляции ПЛИ увеличивается дискретно в
диапазоне 25…100 МГц в соответствии с выражением
0( ) ,мf i f f i= + Δ ⋅ (1)
где fм(i) – текущее значение частоты модуляции; f0 – начальное значение частоты модуляции; Δf –
приращение частоты модуляции за один шаг дискретизации; i – целое число, i = 1...200.
На каждой частоте модуляции оценивается фазовый сдвиг огибающей отраженного от КО и
принятого фотоприемником ФП светового излучения относительно напряжения, поступающего на
вход ПЛИ от цифрового синтезатора частоты ЦСЧ
( )( ) arctg 1( ) / 2( )i A i A iϕ = , (2)
где A1(i) и A2(i) – квадратурные составляющие выходного сигнала ФП. Значения A1(i) и A2(i) опре-
деляются с помощью ИКС, в качестве которого может быть использован перемножитель с включен-
ным на его выходе фильтром нижних частот для выделения постоянной составляющей. Опорные ор-
тогональные напряжения, необходимые для работы ИКС, формируются поочередно на втором выхо-
де ЦСЧ с помощью кода, поступающего от МК. Частота опорных напряжений изменяется синхронно
с изменением частоты модуляции ПЛИ в соответствии с (1).
Для учета нестабильности характеристик дальномерной системы в рассмотренной выше схе-
ме может быть использована оптическая калибровка прибора, как это показано в [2].
В соответствии с поставленной в работе целью для подавления низкочастотных помех на выходе
ИКС включен фильтр верхних частот, частота среза которого обеспечивает необходимое затухание сиг-
налов низкой частоты. Напряжения с выхода ФВЧ с помощью АЦП преобразуются в цифровую форму,
запоминаются в ОЗУ и затем с помощью интерфейса Инт передаются в память ПК. Вычисление ϕ(i) осу-
ществляется ПК по результатам измерений A1(i) и A2(i) в соответствии с (2). Как показано в [2], нормиро-
ванная по амплитуде выходная величина рассматриваемой системы, работающей по описанному выше
закону изменения частоты модуляции, определяется выражением 0 sin ( )выхu iϕ= .
Частота сигнала 0
выхu зависит от значения измеряемого расстояния [2]. Например, при указан-
ных в [2] численных данных параметров преобразования измеряемому расстоянию Lх = 4 м соответ-
ствует два периода колебаний выходной величины за интервал наблюдения Т0, причем численное
значение периода Т этих колебаний соответствует 100 выборкам исследуемого сигнала. Таким обра-
зом, оценив частоту сигнала 0
выхu , что осуществляется в ПК посредством дискретного преобразова-
ния Фурье на основании данных ϕ(i) и подстройки частоты опорных напряжений [2], можно опреде-
лить значение измеряемого расстояния.
Оценим влияние на результат измерения расстояния динамической погрешности, возникаю-
щей вследствие применения RC-фильтра верхних частот ФВЧ в структуре частотно-фазовой систе-
мы. Для этого проанализируем преобразовательные процессы в ФВЧ при подаче на его вход иссле-
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. №6 73
дуемого сигнала с нормированной амплитудой. Для начала этот сигнал представим в аналоговой
форме 0 ( ) sinхu t tω= , где ω – угловая частота сигнала.
Коэффициент передачи однозвенного RC-фильтра верхних частот [5]
( )( ) 11( ) 1K j j RCω ω
−−= + . (3)
Введем переменную p jω= и запишем (3) в операторной форме ( ) 1( ) 1K p p pτ τ −= + , где τ –
постоянная времени фильтра, RCτ = . Исследуемый сигнал в операторной форме соответствует вы-
ражению [1] ( ) 10 2 2( ) .xu p pω ω
−
= + Выходной сигнал ФВЧ с нормированной амплитудой в оператор-
ной форме в этом случае имеет вид
0 0
2 2( ) ( ) ( )
1вых x
pu p K p u p
p p
τ ω
τ ω
= ⋅ = ⋅
+ +
. (4)
Разложив знаменатель (4) на простые дроби, получим
0
1 2 32 2 2 2( )
1вых
pu p C C C
p p p
ω τ
ω ω τ
= + +
+ + +
, (5)
где ( ) 12 2 2 2
1 1С ω τ ω τ
−
= + ; ( ) 12 2
2 1С ω τ ω τ
−
= + ; ( ) 12 2
3 1С ω τ ω τ
−
= − + .
В соответствии с [4] оригинал выражения (5) имеет вид
0 /
1 2 3( ) sin cos t
выхu t C t C t C e−= + + τω ω . (6)
Фазовый сдвиг исследуемого сигнала (6) определяем как
( )0 0
1 2arctg /вых выхu uϕ = , (7)
где 0 0
1 2,вых выхu u – квадратурные составляющие сигнала ( )0
выхu t , которые находятся с помощью преоб-
разования Гильберта
0 0 0
1 1
0
( ) ( )
t
вых вых опu k u t u t dt= ⋅∫ ; 0 0 0
2 2
0
( ) ( )
t
вых вых опu k u t u t dt= ⋅∫ , (8)
где k − коэффициент пропорциональности, имеющий размерность В-1; ( ) ( )0 0
1 2,оп опu t u t – опорные на-
пряжения нормированной амплитуды.
Опорные напряжения 0
1( )опu t и 0
2 ( )опu t , используемые для ортогональной обработки, равны
0
1( ) sinоп опu t tω= ; 0
2 ( ) cosоп опu t tω= , (9)
где ωоп – угловая частота опорных сигналов. Считаем, что ωоп = ω.
Для практической оценки значения φ применяем метод численного моделирования с исполь-
зованием компьютера. В этом случае выражения (6) и (9) представим в следующем виде:
0
1 2 3( ) sin cos
i
выхu i C i C i C e τω ω
−
= + + ; 0
1( ) sinоп опu i iω= ; 0
2 ( ) cosоп опu i iω= ; i=1…200. (10)
Тогда при определении квадратурных составляющих исследуемого сигнала (8) операция ин-
тегрирования может быть заменена операцией суммирования отдельных выборок, то есть действи-
тельные значения квадратурных составляющих могут быть заменены их дискретными оценками
200
'0 0 0
1 1
1
( ) ( )вых вых оп i
i
u u i u i ψ
=
= ⋅∑ ;
200
'0 0 0
2 2
1
( ) ( )вых вых оп i
i
u u i u i ψ
=
= ⋅∑ , (11)
где ψi – выделяющая функция, используемая для уменьшения влияния явлений Гиббса, ( )2sin / 200i iψ π= .
Подставляя выражения (11) в (7), находим значение фазового сдвига φ.
Наличие экспоненциальной составляющей в (6) обусловливает появление дополнительной
погрешности в результате измерения расстояния. Оценить эту погрешность можно путем определе-
ния фазовых сдвигов ϕ1 и ϕ2 сигнала (6) на временных интервалах от 0 до Т и от Т до 2Т соответст-
венно, где Т – период исследуемого сигнала. Определение ϕ1 и ϕ2 осуществляется в дискретном виде
по описанной выше методике. При этом значение ϕ1 оценивается на основании выборок исследуемо-
го сигнала от 1 до 100 выборки, а ϕ2 – от 101 до 200 выборки. Вычислив значения ϕ1 и ϕ2, находим
разность 1 2Aϕ ϕ ϕΔ = − . В идеальном случае, если частоты исследуемого и опорного сигналов равны,
74 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. №6
должны получить нулевую разность фаз ( 0AϕΔ = ). Однако из-за присутствия в (6) затухающей экс-
поненты эта разность отлична от нуля, что и приводит к появлению дополнительной погрешности
измерения. Последнюю можно оценить путем моделирования с учетом указанных выше численных
параметров преобразования, причем значение τ выбираем, исходя из необходимой частоты среза fср
фильтра верхних частот. Так, например, если выбрать частоту среза fср=70 Гц, что достаточно для
подавления фликкер-шума, а также сетевой помехи частотой 50 Гц, то значение τ, найденное из усло-
вия 2 1срfπ τ⋅ = , равно 2,27 мс.
На практике в частотно-фазовых дальномерных системах в соответствии с их принципом ра-
боты осуществляется дискретная обработка исследуемых сигналов. В этом случае при электронном
моделировании преобразовательных процессов выходная величина ФВЧ с учетом метода Эйлера-
Коши [3] находится из выражений
/ 0 ( 1) / 1
1 1 112 , , 0,5 , ( ) ,i i
i i i i i i i i вых iy y e z y y y y z u i y e− + −
+ + += ⋅ ⋅ = = + + = ⋅ ⋅τ ττ τ (12)
где 12 ( 1 2 ) / 2i i iy y y= + ; y1 и y2 – производные входной величины, 0 0
11i i iy u u+= − , 0 0
12i i iy u u −= − ;
i=1…200. Для повышения точности вычисления берем две разности – слева и справа от текущего зна-
чения, и в уравнения для записи выходной величины подставляем полусумму этих двух значений [6].
Как и в случае с аналоговым представлением выходного сигнала ФВЧ, в соответствии с (7),
(9)…(11) определяются фазовые сдвиги ϕ1 и ϕ2 с помощью преобразования Гильберта выходного
сигнала (12) на интервалах (1; 100) и (101; 200). Вычислив значения ϕ1 и ϕ2, находим разность
Д 1 2Δ = −ϕ ϕ ϕ .
В табл. 1 приведены результаты численного моделирования при оценке параметров фильтра в
рассматриваемом устройстве в аналоговом и дискретном представлениях выходного сигнала ФВЧ. При
этом оценивалась дополнительная погрешность измерения как в радианах, так и в единицах длины в
зависимости от выбранной частоты среза fср и, соответственно, от постоянной времени фильтра τ.
Таблица 1
Из данных, приведенных в
табл. 1, видно, что при различных зна-
чениях параметров фильтра верхних
частот (fср и τ), обеспечивающего по-
давление низкочастотных помех, зна-
чения ΔϕА и ΔϕД отличаются между
собой не более, чем на 12%. В этом
случае можно считать, что выбранная
модель выходного сигнала фильтра при
дискретном преобразовании исследуемого сигнала адекватна аналоговому прототипу. Оптимальными
параметрами фильтра будут такими, при которых разность значений ΔϕА и ΔϕД является минимальной.
Для оценки случайной погрешности предлагаемого устройства, обусловленной влиянием ши-
рокополосных помех, также используются методы численного моделирования. Результаты модели-
рования в виде зависимости случайной погрешности (Δϕξ) от соотношения сигнал/шум (ρ) при вы-
бранной постоянной времени фильтра (τ = 2,32 мс) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Заключение. Использование фильтра верхних частот в структуре лазерной частотно-фазовой
дальномерной системы позволяет уменьшить влияние низкочастотных помех на результат измерения.
При этом возникает дополнительная погрешность измерения, значение которой зависит от выбран-
ных параметров фильтра. В принципе, возникающую вследствие использования фильтра верхних
частот дополнительную погрешность можно учесть в результате измерения в виде поправки. Случай-
ная погрешность измерения в предлагаемом устройстве может быть уменьшена традиционным путем
за счет усреднения результатов многократных измерений.
Аналог. вариант Дискретный вариант fср, Гц τ, мс
ΔϕА, рад ΔLА, мм ΔϕД, рад ΔLД, мм
106,1 1,5 2,06·10-3 1,31 2,38·10-3 1,52
80,4 1,98 1,47·10-3 0,94 1,58·10-3 1,01
70,74 2,25 1,28·10-3 0,815 1,31·10-3 0,834
68,6 2,32 1,243·10-3 0,792 1,252·10-3 0,797
64,3 2,48 1,17·10-3 0,75 1,15·10-3 0,73
58,62 2,72 1,08·10-3 0,69 1,01·10-3 0,64
53,05 3,0 1,001·10-3 0,64 8,75·10-4 0,56
ρ 10 20 50 100 200
Δϕξ, рад 0,0272 0,0125 5,38·10-3 2,501·10-3 1,791·10-3
ΔLξ, мм 17,3 7,9 3,4 1,6 1,1
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. №6 75
1. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – Ч.1: Линей-
ные электрические цепи. – 280 с.
2. Зайцев Е.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., Латенко В.И., Орнатский И.А. Особеннос-
ти применения фазово-частотного метода в лазерной дальнометрии // Техн. електродинаміка. – 2008. – № 6. – С. 65–70.
3. Краскевич В.Е., Зеленский К.Х., Гречко В.И. Численные методы в инженерных исследованиях. – К.:
Вища школа, 1986. – 263 с.
4. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета
и справочный материал). – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1982. – 504 с.
5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. / Под
ред. А.Г.Алексенко. – М.: Мир, 1982. – 512 с.
6. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. – М.: Сов. радио, 1977. – 488 с.
7. Huang Y., Brennan P.V. FMCW based MIMO imaging radar for maritime navigation // Progress In Elec-
tromagnetics Research. – 2011. – Vol. 115. – Рр. 327–342.
УДК 621.317
ЗМЕНШЕННЯ ВПЛИВУ НИЗЬКОЧАСТОТНИХ ЗАВАД У ЛАЗЕРНИХ ЧАСТОТНО-ФАЗОВИХ
ДАЛЕКОМІРНИХ СИСТЕМАХ
І.О.Брагинець
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна. e-mail: kiabioboss@ied.org.ua
Розглянуто можливість зменшення впливу низькочастотних завад у частотно-фазових лазерних далекомірах, які призво-
дять до короткочасної нестабільності параметрів перетворювальних ланок приладу. Це досягається за рахунок застосу-
вання фільтрації вихідного сигналу частотно-фазової системи, частота якого пропорційна вимірювальній відстані. Про-
ведено електронне моделювання перетворювальних процесів у такій системі, для чого отримано моделі вихідного сигналу в
їх аналоговому і дискретному представленні. Результати проведеного моделювання дозволяють вибрати оптимальні па-
раметри фільтра верхніх частот, що використовується в даному випадку, в залежності від допустимого значення похиб-
ки, яка виникає через перехідні процеси в ньому. Також шляхом чисельного моделювання проведено оцінку випадкової похиб-
ки запропонованого пристрою, зумовленої впливом широкосмугових завад. Наведено результати моделювання у вигляді
залежності випадкової похибки від співвідношення сигнал/шум при обраному значенні постійної часу фільтра.
Бібл. 7, табл. 2, рис. 1.
Ключові слова: лазер, частотно-фазова система, відстань, флікер-шум, фільтрація.
REDUCE THE EFFECT OF LOW-FREQUENCY NOISE IN THE LASER FREQUENCY-PHASE RANGEFINDER SYSTEM
I.O.Bragynets
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. e-mail: kiabioboss@ied.org.ua
The possibility of reducing the influence of low-frequency noise in the laser phase-frequency rangefinders, which leads to a short-
term instability of converting links of the device has been reviewe. This is achieved through the use of filtering the output signal of
the phase-frequency system, the frequency which is proportional to the measured distance. The electronic simulation of converting
processes in such system was carried out for which the output signal models in analog and discrete form were received. The results
of the simulation allow to choose optimal parameters for a high pass filter according to the allowable value of the error arising from
the transition processes in it. By numerical simulations assessment of the random error of the device due to the influence of
broadband noise has been carried out. The simulation results are presented as a function of the random error from the signal/noise
ratio for the selected filter time constant. References 7, tables 2, figure 1.
Key words: laser, phase-frequency system, distanse, flicker noise, filtration.
1. Atabekov G.I. Theory of Electrical Engineering. – Moskva-Leningrad: Gosenergoizdat, 1962. – Part 1: The linear
electrical circuits. – 280 p. (Rus)
2. Zaitsev E.A., Kononenko A.G., Masiurenko Yu.A., Nizhenskii A.D., Latenko V.I., Ornatskii I.A. Special features of a
phase-frequency method application in a laser ranging // Tekhnichna elektrodynamika. – 2008. – № 6. – Pр. 65–70. (Rus)
3. Kraskevich V.E., Zelenskii K.Kh., Grechko V.I. Numerical methods in engineering studies. – Kiev: Vyshcha shkola,
1986. – 263 p. (Rus)
4. Makarov I.M., Menskii B.M. The linear automatic system (elements of the theory, methods of calculation and reference
material). – It is a 2rd edition recasted and added. – Moskva: Mashinostroenie, 1982. – 504 p. (Rus)
5. Tittse U., Schenk K. The semiconductor circuit design: Reference Guide. Translation from Germa / Edited by A.G.
Aleksenko. – Moskva: Mir, 1982. – 512 p. (Rus)
6. Tikhonov V.I., Mironov M.A. The Markov processes. – Moskva: Sovetskoe radio, 1977. – 488 p. (Rus)
7. Huang Y., Brennan P.V. FMCW based MIMO imaging radar for maritime navigation // Progress in Electromagnetics
Research. – 2011. – Vol. 115. – Рр. 327–342.
Надійшла 13.03.2013
Received 13.03.2013
|