Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем
Рассмотрен алгоритм измерения фазовых сдвигов в фазовых лазерных дальномерных системах, позволяющий без применения автоматической калибровки существенно уменьшить случайную погрешность измерения, обусловленную действием фликкер-шума. При этом влияние широкополосных помех уменьшается за счет усреднен...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України
2014
|
| Назва видання: | Технічна електродинаміка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135530 |
| 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: | Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем / И.А. Брагинец, Е.А. Зайцев, А.Г. Кононенко, Ю.А. Масюренко, А.Д. Ниженский // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 91-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135530 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1355302025-02-09T14:44:27Z Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем Підвищення завадостійкості фазових лазерних далекомірних систем Increasing the noise immunity of the phase laser ranging systems Брагинец, И.А. Зайцев, Е.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. Ниженский, А.Д. Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Рассмотрен алгоритм измерения фазовых сдвигов в фазовых лазерных дальномерных системах, позволяющий без применения автоматической калибровки существенно уменьшить случайную погрешность измерения, обусловленную действием фликкер-шума. При этом влияние широкополосных помех уменьшается за счет усреднения многократных выборок значений синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала, используемых для оценки фазового сдвига, пропорционального измеряемому расстоянию. Предложенный алгоритм измерения предполагает введение на одном из этапов работы прибора в измерительный или опорный каналы фазоизмерительного устройства дополнительного фазового сдвига, значение которого зависит от измеряемого расстояния. Путем численного моделирования проведена оценка случайной погрешности измерения расстояния. Полученные при моделировании данные позволяют оптимальным образом выбрать параметры преобразовательных процессов в схеме фазового лазерного дальномера в зависимости от требуемых быстродействия и точности измерения расстояния. Розглянуто алгоритм вимірювання фазових зсувів у фазових лазерних далекомірних системах, який дозволяє без застосування автоматичного калібрування істотно зменшити випадкову похибку вимірювання, яка обумовлена дією флікер-шуму. При цьому вплив широкосмугових завад зменшується за рахунок усереднення багаторазових вибірок значень синусоїдальної і косинусоїдальної складових сигналу, що використовуються для оцінки фазового зсуву, пропорційного вимірюваній відстані. Запропонований алгоритм вимірювання припускає введення на одному з етапів роботи приладу у вимірювальний або опор- ний канали фазовимірювального пристрою додаткового фазового зсуву, значення якого залежить від вимірюваної відстані. Шляхом чисельного моделювання проведено оцінку випадкової похибки вимірювання відстані. Отримані при моделюванні дані дозволяють оптимальним чином вибрати параметри перетворювальних процесів у схемі фазового лазерного далекоміра в залежності від необхідних швидкодії і точності вимірювання відстані. The study tested an algorithm for measuring the phase shifts in the phase laser rangefinder systems, allowing to reduce significantly random measurement error caused by influence of flicker noise without automatic calibration. In this case the influence of broadband noise is reduced by averaging multiple samples of values a sine and cosine signal components used to estimate the phase shift that is proportional to the measured distance. The proposed measurement algorithm makes possible the introduction of one of the stages of the instrument in measuring and reference channels of phase measuring device additional phase shift, the value of which depends on the measured distance. Investigators evaluated the random error of measurement distance by numerical simulations. Data obtained in the process of simulation allow to choose the parameters of conversion processes in the phase diagram of the laser range finder, depending on the required speed and accuracy of the distance measurement. 2014 Article Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем / И.А. Брагинец, Е.А. Зайцев, А.Г. Кононенко, Ю.А. Масюренко, А.Д. Ниженский // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 91-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135530 621.317 ru Технічна електродинаміка application/pdf Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| spellingShingle |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Брагинец, И.А. Зайцев, Е.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. Ниженский, А.Д. Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем Технічна електродинаміка |
| description |
Рассмотрен алгоритм измерения фазовых сдвигов в фазовых лазерных дальномерных системах, позволяющий без применения автоматической калибровки существенно уменьшить случайную погрешность измерения, обусловленную действием фликкер-шума. При этом влияние широкополосных помех уменьшается за счет усреднения многократных выборок значений синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала, используемых для оценки фазового сдвига, пропорционального измеряемому расстоянию. Предложенный алгоритм измерения предполагает введение на одном из этапов работы прибора в измерительный или опорный каналы фазоизмерительного устройства дополнительного фазового сдвига, значение которого зависит от измеряемого расстояния. Путем численного моделирования проведена оценка случайной погрешности измерения расстояния. Полученные при моделировании данные позволяют оптимальным образом выбрать параметры преобразовательных процессов в схеме фазового лазерного дальномера в зависимости от требуемых быстродействия и точности измерения расстояния. |
| format |
Article |
| author |
Брагинец, И.А. Зайцев, Е.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. Ниженский, А.Д. |
| author_facet |
Брагинец, И.А. Зайцев, Е.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. Ниженский, А.Д. |
| author_sort |
Брагинец, И.А. |
| title |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| title_short |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| title_full |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| title_fullStr |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| title_full_unstemmed |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| title_sort |
повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135530 |
| citation_txt |
Повышение помехоустойчивости фазовых лазерных дальномерных систем / И.А. Брагинец, Е.А. Зайцев, А.Г. Кононенко, Ю.А. Масюренко, А.Д. Ниженский // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 91-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT braginecia povyšeniepomehoustojčivostifazovyhlazernyhdalʹnomernyhsistem AT zajcevea povyšeniepomehoustojčivostifazovyhlazernyhdalʹnomernyhsistem AT kononenkoag povyšeniepomehoustojčivostifazovyhlazernyhdalʹnomernyhsistem AT masûrenkoûa povyšeniepomehoustojčivostifazovyhlazernyhdalʹnomernyhsistem AT niženskijad povyšeniepomehoustojčivostifazovyhlazernyhdalʹnomernyhsistem AT braginecia pídviŝennâzavadostíjkostífazovihlazernihdalekomírnihsistem AT zajcevea pídviŝennâzavadostíjkostífazovihlazernihdalekomírnihsistem AT kononenkoag pídviŝennâzavadostíjkostífazovihlazernihdalekomírnihsistem AT masûrenkoûa pídviŝennâzavadostíjkostífazovihlazernihdalekomírnihsistem AT niženskijad pídviŝennâzavadostíjkostífazovihlazernihdalekomírnihsistem AT braginecia increasingthenoiseimmunityofthephaselaserrangingsystems AT zajcevea increasingthenoiseimmunityofthephaselaserrangingsystems AT kononenkoag increasingthenoiseimmunityofthephaselaserrangingsystems AT masûrenkoûa increasingthenoiseimmunityofthephaselaserrangingsystems AT niženskijad increasingthenoiseimmunityofthephaselaserrangingsystems |
| first_indexed |
2025-11-26T23:40:31Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:40:31Z |
| _version_ |
1849898234655277056 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 91
УДК 621.317
ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ФАЗОВЫХ
ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРНЫХ СИСТЕМ
И.А.Брагинец, канд.техн.наук, Е.А.Зайцев, канд.техн.наук, А.Г.Кононенко, канд.техн.наук,
Ю.А.Масюренко, канд.техн.наук, А.Д.Ниженский, докт.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. E-mail: masjuriy@ied.org.ua
Рассмотрен алгоритм измерения фазовых сдвигов в фазовых лазерных дальномерных системах, позволяющий
без применения автоматической калибровки существенно уменьшить случайную погрешность измерения, обу-
словленную действием фликкер-шума. При этом влияние широкополосных помех уменьшается за счет усред-
нения многократных выборок значений синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала, используе-
мых для оценки фазового сдвига, пропорционального измеряемому расстоянию.
Предложенный алгоритм измерения предполагает введение на одном из этапов работы прибора в измери-
тельный или опорный каналы фазоизмерительного устройства дополнительного фазового сдвига, значение
которого зависит от измеряемого расстояния. Путем численного моделирования проведена оценка случайной
погрешности измерения расстояния. Полученные при моделировании данные позволяют оптимальным образом
выбрать параметры преобразовательных процессов в схеме фазового лазерного дальномера в зависимости от
требуемых быстродействия и точности измерения расстояния. Библ. 10, табл. 2, рис. 2.
Ключевые слова: лазер, фазовый сдвиг, помеха, синтезатор частоты, численное моделирование.
Расширение круга задач, решаемых с помощью фазовых лазерных дальномеров, выдвигает
более высокие требования к их метрологическим характеристикам. В настоящее время одной из акту-
альных проблем в различных отраслях промышленности является диагностика технического состоя-
ния объектов, которая позволяет прогнозировать ресурсы работы оборудования и тем самым повы-
сить его надежность, предотвратить аварийные ситуации. При этом одним из основных параметров
контроля объектов является их линейное перемещение. Ранее была показана перспективность приме-
нения лазерных измерителей перемещений и вибраций, построенных на базе фазовых светодально-
меров, для технической диагностики объектов энергетического машиностроения [1, 2]. Как правило,
в этом случае для получения информации о перемещении объекта измеряется расстояние до его диф-
фузно-отражающей поверхности. Поэтому на точность измерения перемещения оказывает влияние
низкое значение отношения сигнал-шум на выходе фотоприемника отраженного светового сигнала.
Вопросам повышения точности фазовых лазерных измерителей расстояния до диффузно-от-
ражающих объектов авторами уделено достаточно много внимания. В [6] описана предложенная сис-
тема коррекции систематических погрешностей измерения расстояния с учетом использования алго-
ритма преобразования Гильберта для оценки фазовых сдвигов. Случайная погрешность измерения в
фазовых измерителях перемещений возникает под действием широкополосных помех. Основными
причинами ее являются белый шум и низкочастотный (фликкер) шум. Случайная погрешность, обу-
словленная действием белого шума, не коррелирована и поэтому может быть существенно уменьшена
за счет усреднения результатов многократных измерений [8]. Фликкер-шум, спектральная плотность
мощности которого в отличие от белого шума не постоянна и существенно растет с понижением часто-
ты, ограничивает возможность повышения точности измерения фазовых сдвигов путем усреднения.
Вместе с тем, среди различных видов диагностики особое место занимает вибродиагностика крупнога-
баритных объектов с низкочастотным спектром колебаний (0,5…10 Гц), например, гидрогенераторов
ГЭС, строительных конструкций. В этом случае основным параметром виброконтроля объектов с низ-
кочастотным спектром вибраций является виброперемещение. Поэтому на точность измерения вибра-
ций могут существенно влиять низкочастотные шумы, возникающие в элементах фазоизмерительной
аппаратуры и приводящие к кратковременной нестабильности параметров измерителя перемещений.
Для уменьшения влияния на результат измерения перемещений кратковременной нестабиль-
ности параметров измерительной схемы, обусловленной действием фликкер-шума, а также дрейфом
нуля фазового детектора, в фазовых дальномерных системах предложено ввести режим автоматиче-
ской калибровки, основанный на поочередном сравнении исследуемого и опорного световых потоков
[5]. Как показали результаты экспериментальных исследований, частота коммутации оптических сиг-
налов, выбираемая из условия допустимых фазовых флуктуаций, вызванных указанными выше при-
© Брагинец И.А., Зайцев Е.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., 2014
92 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3
чинами, составляет 3…5 Гц. Однако введение режима автоматической калибровки значительно ус-
ложняет конструкцию прибора, а также снижает его функциональную надежность из-за применения
электромеханических коммутирующих элементов.
Целью данной работы является исследование возможности уменьшения влияния низкочастот-
ных шумов в фазовых лазерных дальномерах без использования оптической автокалибровки. Это мо-
жет быть достигнуто за счет применения алгоритма измерения, при реализации которого в измери-
тельный или опорный каналы фазоизмерительного устройства на одном из этапов работы прибора
вводится дополнительный фазовый сдвиг. Рассмотрим более подробно этот алгоритм.
В одной из последних разработок авторов [3] в качестве генератора напряжения частоты мо-
дуляции оптического излучения в фазовых лазерных измерителях линейных перемещений и парамет-
ров вибраций использованы современные цифровые управляемые синтезаторы частоты, в которых
предусмотрено одновременное формирование двух выходных сигналов с достаточно простой и точ-
ной установкой требуемого фазового сдвига между ними [10]. Обобщенная структурная схема такого
измерителя показана на рис. 1. На схеме приняты следующие условные обозначения: ЦСЧ – цифро-
вой синтезатор частоты; ПЛИ – полупроводниковый лазерный излучатель; Об – объектив; КО – конт-
ролируемый объект; З – зеркало; ФП – фотоприемник; ШУ1, ШУ2 – широкополосные усилители; ПУ
– перемножающее устройство; ФНЧ – фильтр нижних частот; У – усилитель; АЦП – аналого-циф-
ровой преобразователь напряжения; ПК – персональный компьютер; МК – микроконтроллер.
В рассматриваемом устройстве модулирован-
ное по интенсивности оптическое излучение от ПЛИ
через объектив Об направляется на контролируемый
объект КО, расположенный на заданном расстоянии L.
При этом напряжение частоты модуляции подается в
ПЛИ с одного из выходов цифрового синтезатора час-
тоты ЦСЧ. Отраженный от КО оптический сигнал с
помощью зеркала З направляется на фотоприемник
ФП, выходной электрический сигнал которого опреде-
ляется выражением
( )1 1 sin 2m x xu U fπ ϕ= + , (1)
где 1mU – амплитуда напряжения; xf – частота модуля-
ции лазерного излучения; xϕ – фазовый сдвиг огибаю-
щей отраженного от КО и принятого фотоприемником
ФП светового излучения относительно напряжения, по-
ступающего на вход ПЛИ от цифрового синтезатора
частоты ЦСЧ.
Напряжение (1) после усиления ШУ1 поступает на один из входов перемножающего устрой-
ства ПУ. На второй вход ПУ поочередно поступают гармонические напряжения, устанавливаемые с
помощью МК на втором выходе ЦСЧ, частота которых также равна fx,
'
2 2 sin 2m xu U fπ= ; '' 0
2 2 sin(2 90 )m xu U fπ= + , (2)
где 2mU – амплитуда напряжения.
Из выходного напряжения ПУ с помощью фильтра нижних частот ФНЧ выделяются постоян-
ные составляющие сигнала
1 1 2 2 1 2cos cos ; sin sinд д ФНЧ m m x m x д д ФНЧ m m x m xU k k U U U U k k U U Uϕ ϕ ϕ ϕ= = = = , (3)
где дk – коэффициент преобразования ПУ, 1/В; ФНЧk – коэффициент передачи ФНЧ; Um= 1 2д ФНЧ m mk k U U .
Далее, по команде, поступающей от микроконтроллера МК на управляющий вход АЦП, каж-
дое из напряжений (3) после предварительного усиления У с помощью АЦП преобразуется в цифро-
вой код, численное значение которого передается в память ПК. Путем вычислительной обработки в
ПК определяется значение фазового сдвига xϕ , пропорциональное измеряемому расстоянию,
2 1( / ).x д дarctg U U=ϕ (4)
Фликкер-шум вызывает коррелированную случайную погрешность измерения, спектральная
плотность которой Sф-ш(ω) определяется формулой [9]
2( ) /ф шS A− =ω ω , (5)
Об КО
ЗПЛИ
ПК
ЦСЧ
ШУ2
ФП ШУ1
МК
ПУ
ФНЧ
УАЦП
L
+ LL
Рис. 1
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 93
где А – константа, определяющая энергетические характеристики фликкер-шума; ω – угловая частота.
Как видно из выражения (5), ( )ф шS ω− обратно пропорциональна частоте. Поэтому наиболь-
шая интенсивность шумов в практике проведения измерений расстояния проявляется при достаточно
низкой частоте флуктуационной составляющей (до 0,5… 1 Гц).
Значение А для оценки ( )ф шS ω− можно определить на основании экспериментальных данных,
полученных при разработке и исследовании фазоизмерительных устройств разновременного сравне-
ния, в которых для уменьшения влияния фликкер-шума применяется автоматическая калибровка [5]. В
этом случае при частоте коммутации сравниваемых сигналов fком=5 Гц, времени измерения Ти = 2 с и
амплитуде исследуемого сигнала Uс = 1 В среднеквадратическое значение случайной погрешности из-
мерения фазового сдвига '
xσ составляет примерно 0,02о. Представим значение '
xσ в виде
' o 1 1 1/ 57 (рад) ( ) (2 ) 2 /x c ф ш c ком иU S U f А Т− − −
−= ⋅ Δ = ⋅ ⋅σ ω ω π π , (6)
где Δω – энергетическая полоса частот, Δ 2 / иТω π= .
Тогда из (6) можно найти значение А
' 2 2 2( ) 2x с ком иA U f Тσ π= ≈ 4·10-5 В2·Гц. (7)
Низкочастотные шумы (фликкер-шум) оказывают существенное влияние на разрешающую
способность фазоизмерительной аппаратуры. Необходимо отметить, что фликкер-шум представляет
собой процесс с неинтегрируемым спектром мощности [7]. Поэтому спектрально-корреляционная
теория для его анализа неприменима. Одной из возможностей расчета фликкер-шума является ап-
проксимация такого процесса сигналом на выходе фильтра нижних частот с относительно большой
постоянной времени, на вход которого поступает белый шум [4]. В этом случае дисперсию случайно-
го процесса на выходе фильтра можно представить выражением [4]
2 2 22
0 0
1 1( ) ( ) 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ,
2 2Ф вх вх вхS k d S k d S f k f dfσ ω ω ω ω ω ω
π π
∞ ∞ ∞
−∞
= ⋅ = ⋅ = ⋅∫ ∫ ∫ (8)
где ( )вхS ω – спектральная плотность мощности сигнала на входе фильтра; ( )k ω – модуль коэффици-
ента передачи фильтра, ( )k ω = ( ) 1/ 22 21 фT
−
+ ω , где 2
фT – постоянная времени фильтра [9].
Для упрощения расчета фликкер-шума предположим, что на вход фильтра нижних частот по-
ступает белый шум со спектральной плотностью, равной спектральной плотности фликкер-шума, ко-
торая постоянна в пределах некоторой полосы частот Δω. Тогда в соответствии с (8) дисперсия флик-
кер-шума на частоте f0 равна
2 1 2
0 0( ) 2ф ш S Af f− −
− = ⋅ Δ = ⋅ Δσ π ω ω , (9)
где Δf = 1/Ти. Если выбрать время измерения Ти = 1 с, то тогда f0 = 1 Гц и fΔ = 1 Гц [9]. Отсюда, в со-
ответствии с (9) и с учетом значения А из (7) среднеквадратическое значение случайной погрешно-
сти, обусловленной действием фликкер-шума, при амплитуде исследуемого сигнала Um =1 В равно
ф шσ − = 2 /ф ш mUσ − ≈ 0,01 рад. Значение этой погрешности в единицах длины при частоте модуляции
интенсивности лазерного излучения fм = 50 МГц, составляет
1(2 )ф ш эL −
−Δ = σ λ π , (10)
где эλ – эквивалентная длина волны модулирующего напряжения, эλ = с/2 fм (с=3·108 м/с – скорость
света), что соответствует измеряемому расстоянию в пределах одного фазового цикла L =3000 мм.
Тогда при подстановке в (10) численных данных получим LΔ ≈ 4,7 мм.
С учетом влияния фликкер-шума выражение (4) можно представить в виде
' ' '' 1
x x ф ш x ф шarctg[(sin )(cos ) ]−
− −= + +ϕ ϕ σ ϕ σ , (11)
где '
ф шσ − и ''
ф шσ − – среднеквадратические значения в относительных единицах случайной погрешности,
обусловленной действием фликкер-шума при оценке синусоидальной и косинусоидальной составляю-
щих выходного сигнала фильтра нижних частот. Учитывая медленный характер изменения низкочас-
тотной флуктуационной составляющей фликкер-шума, при частоте выборок выходного сигнала ФНЧ в
рассматриваемом дальномере равной 10 кГц, можно допустить равенство значений '
ф шσ − и ''
ф шσ − .
94 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3
Используя (11), вычислим степень влияния фликкер-шума на результат измерения фазовых
сдвигов φх в пределах фазового цикла, равных, например, 10О, 450, 1200, 1350, 2250, 2400, 3150, 3200.
При вычислении принимаем '
ф шσ − = ''
ф шσ − = ф шσ − = 0,01. Данные вычислений приведены в табл. 1, где
Таблица 1
xϕ – задаваемое значение фазового сдвига;
Δϕ – погрешность оценки фазового сдвига,
x x′Δ = −ϕ ϕ ϕ ; LΔ – погрешность в едини-
цах длины, определяемая по формуле 0( / 57 )( / 2 )эLΔ = Δϕ λ π .
Как следует из данных табл. 1, погрешность измерения, обусловленная влиянием фликкер-
шума, при оценке фазовых сдвигов в соответствии с (11) уменьшается, а для значений 450, 1350, 2250
и 3150 отсутствует. В этой связи для оценки расстояния или перемещения предлагается следующий
алгоритм измерения фазовых сдвигов в рассмотренном выше устройстве.
На первом этапе работы прибора измеряется фазовый сдвиг φх1, пропорциональный измеряемо-
му расстоянию, в соответствии с описанием, приведенным выше. Затем, в зависимости от значения φх1,
в измерительный канал фазоизмерительного устройства вводится такой дополнительный фазовый
сдвиг φдоп, чтобы сумма 1( )х допϕ ϕ+ была равна одному из значений фазовых углов 450, 1350, 2250 или
3150. Если φх1 ≥ 3150, то φдоп вводится в опорный канал с таким расчетом, чтобы 1( )х допϕ ϕ− =3150. Ввод
дополнительных фазовых сдвигов с необходимыми шагом и точностью осуществляется за счет измене-
ния фазы выходных напряжений цифрового синтезатора частоты, назначение которых описано выше.
На втором этапе работы устройства измеряется фазовый сдвиг '
2 1( )x х доп= +ϕ ϕ ϕ , если φдоп вво-
дится в измерительный канал, и ''
2 1( )x х допϕ ϕ ϕ= − , если φдоп вводится в опорный канал. Для нахождения
окончательного значения фазового сдвига, пропорционального измеряемому расстоянию (перемеще-
нию), из результата измерения '
2xϕ вычитается значение φдоп, а к ''
2xϕ прибавляется значение φдоп.
Из выражения (11) следует, что, если значения sinφx и cosφx одинаковы, то влияние фликкер-
шума на результат измерения фазового сдвига существенно уменьшается, поскольку к числителю и
знаменателю прибавляются одинаковые числа ф шσ − . Предложенный алгоритм измерения при его реа-
лизации за счет введения дополнительных фазовых углов и возможностей цифровых синтезаторов
частоты обеспечивает равенство значений sinφx и cosφx во всем диапазоне измеряемых фазовых сдви-
гов в пределах одного фазового цикла.
Оценим влияние широкополосных помех при измерении фазовых сдвигов по предложенному
алгоритму. В процессе работы устройства на вход перемножающего устройства ПУ поступает сумма
исследуемого сигнала и широкополосного шума. Так же, как и исследуемый сигнал, напряжение шу-
ма перемножается с опорным напряжением. В результате на выходе фильтра нижних частот ФНЧ,
подключенного к выходу ПУ, помимо полезного сигнала выделяется постоянная составляющая, обу-
словленная действием широкополосной помехи. В разработанном ранее макете фазоизмерительного
устройства для дальномерных систем при полосе пропускания ' 3fΔ = кГц отношение сигнал-шум
' 100...500ρ ≥ . Оно зависит от мощности лазера и отражающей поверхности контролируемого объек-
та. Полоса пропускания фазоизмерительного устройства в рассматриваемой схеме дальномера нахо-
дится из условия ФНЧωτ =1, где ФНЧτ – постоянная времени фильтра нижних частот. Если ФНЧτ =10
мкс, то полоса пропускания ''
ФНЧ1/ 2 16fΔ = =πτ кГц. Следовательно, отношение сигнал-шум в дан-
ном случае при 'ρ = 250 составляет '' ' ' '' 1/ 2( / ) 108f f= Δ Δ =ρ ρ .
Случайную погрешность, обусловленную действием широкополосных помех, можно умень-
шить путем усреднения результатов многократных наблюдений. В данном случае при определении φх
в соответствии с (4) можно производить N выборок значений 1дU и 2дU , а затем находить их средне-
арифметические значения. Однако увеличение числа выборок ограничено конечным временем изме-
рения расстояния (перемещения) для контроля состояния различных объектов. Так, например, при
осуществлении 100 выборок значений 1дU и 2дU с временным интервалом между выборками, рав-
ным 100ВtΔ = мкс, временной интервал усреднения составляет 10 мс, а при 10000 выборках – уже 1
с. Кроме того, при усреднении значений 1дU и 2дU получим разные значения случайных погрешно-
xϕ ,град 10 45 120 135 225 240 315 320
ϕΔ ,град 0,47 0 0,21 0 0 0,21 0 0,06
LΔ , мм 3,9 0 1,75 0 0 1,75 0 0,5
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 95
стей, поскольку выборки значений 1дU и 2дU производятся разновременно. Это подтверждает целе-
сообразность оценки влияния широкополосных помех при реализации предложенного алгоритма оп-
ределения фазовых сдвигов. Указанная оценка проведена с помощью компьютерного моделирования
генератора широкополосного шума в стандартном программном пакете на базе последовательности
псевдослучайных чисел с обеспечением заданных значений отношения сигнал-помеха ρ . На рис. 2
показаны диаграммы зависимости мгновенных значений шума от номера выборки.
С целью удобства представ-
ления на рис. 2 показаны две диа-
граммы (1 и 2) по 100 выборок каж-
дая, сделанных на разных временных
отрезках. Мгновенные значения вы-
борок шума в относительных едини-
цах определены при амплитуде по-
лезного сигнала, равной 1 В.
Определение случайных по-
грешностей осуществляется путем чис-
ленного моделирования в соответствии
со следующим алгоритмом. Вначале
проводится усреднение мгновенных
значений шума xi каждой из серий по N
выборок по формуле среднего арифме-
тического 1
1
N
ср i
i
x N x−
=
= ∑ . Затем находятся значения 1 ср1x x C= + и 2 ср2x x C= + , где xср1 и xср2 – усред-
ненные значения каждой из двух серий выборок шума; С = 0,707 (sin450 или cos450) соответствует отно-
сительному значению полезного сигнала. Далее, по приведенной ниже формуле вычисляется значение
фазового сдвига с учетом воздействия фликкер-шума: 1
2 1( )( )х фш фшarctg x х −⎡ ⎤ϕ = + σ + σ⎣ ⎦ .
Случайная погрешность, обусловленная влиянием помех, вычисляется в соответствии с выраже-
нием 0xΔϕ = ϕ − ϕ , где 0ϕ – истинное значение фазового сдвига в градусах (в данном случае 0ϕ = 450).
Для повышения достоверности оценки случайной погрешности проводим 10 вычислений зна-
чений ϕΔ и по результатам находим среднеквадратическое значение погрешности Δϕ° [8]. Данные
вычислений случайной погрешности в градусах и единицах длины (в мм) при различных значениях
числа выборок N, σф-ш и ρ приведены в табл. 2.
Таблица 2
σф-ш 0,01 0,005 -0,01 -0,005 N
ρ 100 300 100 300 100 300 100 300
Δϕ° 0,055 0,016 0,05 0,02 0,056 0,016 0,046 0,018 100
ΔL 0,457 0,131 0,416 0,166 0,47 0,135 0,385 0,147
Δϕ° 0,02 0,00634 0,023 0,00843 0,021 0,00652 0,022 0,00872 500
ΔL 0,166 0,053 0,194 0,07 0,171 0,054 0,181 0,073
Δϕ° 0,015 0,00834 0,015 0,0061 0,015 0,00624 0,017 0,0069 1000
ΔL 0,123 0,07 0,125 0,051 0,128 0,052 0,145 0,058
Данные табл. 2 дают возможность оптимальным образом выбрать параметры преобразова-
тельных процессов в схеме фазового лазерного дальномера в зависимости от требуемых быстродей-
ствия и точности измерения.
Заключение. Предложенный алгоритм измерения фазовых сдвигов в фазовых лазерных даль-
номерных системах позволяет без применения автоматической калибровки существенно уменьшить
случайную погрешность измерения расстояния, обусловленную действием фликкер-шума. При этом
влияние широкополосных помех уменьшается за счет усреднения многократных выборок значений
синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала, используемых для оценки фазового
сдвига, пропорционального измеряемому расстоянию.
1. Брагинец И.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д. Лазерный измеритель низкочастотных вибраций //
Технічна електродинаміка. – 2006. – № 5. – С. 74–76.
Рис. 2
96 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3
2. Брагинец И.А., Зайцев Е.А. Лазерные фазовые датчики вибраций и перемещений в диапазоне частот от 15 до 1000 Гц //
Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". – 2010. – Ч. 2. – С. 186–191.
3. Брагинец И.А., Зайцев Е.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д. Фазовый лазерный измеритель параметров виб-
раций с расширенным частотным диапазоном // Технічна електродинаміка. – 2013. – № 1. – С. 82–86.
4. Денисенко В.В. Повышение точности путем многократных измерений // Современные технологии автоматизации. –
2010. – № 1. – Ч. 2. – С. 98–102.
5. Зайцев Е.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., Латенко В.И., Орнатский И.А. Специфические по-
грешности фазово-частотных лазерных измерителей расстояния // Технічна електродинаміка. – 2009. – № 3. – С. 50–54.
6. Кононенко А.Г., Кромпляс Б.А., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., Орнатский И.А., Сидорчук В.Е. Высокоточный
фазовый лазерный измеритель расстояний до диффузно-отражающих поверхностей // Технічна електродинаміка. – 1999. –
№ 3. – С. 66–70.
7. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. – М.: Наука, 1968. – 660 с.
8. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. – К.: Вища школа, 1976. – 432 с.
9. Филипский Ю.К. Случайные процессы в радиотехнических цепях. – К.: Вища школа, 1978. – 112 с.
10. AD9852 300 MHz Complete DDS synthesizer Reference Manual [Electronic resource]. – Mode of access:
http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad9852/products/product.html – Data of access: 01.12.11. –
Title from the screen.
ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОСТІЙКОСТІ ФАЗОВИХ ЛАЗЕРНИХ ДАЛЕКОМІРНИХ СИСТЕМ
І.О.Брагинець, Є.О.Зайцев, О.Г.Кононенко, Ю.О.Масюренко, А.Д.Ніженський
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна, e-mail: masjuriy@ied.org.ua
Розглянуто алгоритм вимірювання фазових зсувів у фазових лазерних далекомірних системах, який дозволяє без застосу-
вання автоматичного калібрування істотно зменшити випадкову похибку вимірювання, яка обумовлена дією флікер-шуму.
При цьому вплив широкосмугових завад зменшується за рахунок усереднення багаторазових вибірок значень синусоїдальної
і косинусоїдальної складових сигналу, що використовуються для оцінки фазового зсуву, пропорційного вимірюваній відстані.
Запропонований алгоритм вимірювання припускає введення на одному з етапів роботи приладу у вимірювальний або опор-
ний канали фазовимірювального пристрою додаткового фазового зсуву, значення якого залежить від вимірюваної відстані.
Шляхом чисельного моделювання проведено оцінку випадкової похибки вимірювання відстані. Отримані при моделюванні
дані дозволяють оптимальним чином вибрати параметри перетворювальних процесів у схемі фазового лазерного далекомі-
ра в залежності від необхідних швидкодії і точності вимірювання відстані. Бібл. 10, рис. 2, табл. 2.
Ключові слова: лазер, фазовий зсув, завада, синтезатор частоти, чисельне моделювання.
INCREASING THE NOISE IMMUNITY OF THE PHASE LASER RANGING SYSTEMS
I.O.Bragynets, E.О.Zaitsev, O.G.Kononenko, Yu.О.Masjurenko, A.D.Nizhenskyi
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine, e-mail: masjuriy@ied.org.ua
The study tested an algorithm for measuring the phase shifts in the phase laser rangefinder systems, allowing to reduce significantly
random measurement error caused by influence of flicker noise without automatic calibration. In this case the influence of broadband
noise is reduced by averaging multiple samples of values a sine and cosine signal components used to estimate the phase shift that is
proportional to the measured distance. The proposed measurement algorithm makes possible the introduction of one of the stages of the
instrument in measuring and reference channels of phase measuring device additional phase shift, the value of which depends on the
measured distance. Investigators evaluated the random error of measurement distance by numerical simulations. Data obtained in the
process of simulation allow to choose the parameters of conversion processes in the phase diagram of the laser range finder, depending
on the required speed and accuracy of the distance measurement. References 10, table 2, figure 2.
Key words: laser, phase shift, the interference, frequency synthesizer, the numerical simulation.
1. Braginets I.A., Kononenko A.G., Masjurenko Yu.A., Nizhenskyi A.D. Laser meter of low frequency vibrations //Tekhnichna
Elektrodynamika. – 2006. – № 5. – Pp. 74–76. (Rus)
2. Braginets I.A., Zaitsev E.A. Laser phase sensors of vibration and displacement in the frequency range from 15 to 1000 Hz //
Tekhnichna elektrodynamika. Tematychnyi vypusk "Problemy suchasnoi elektrotekhniky". – 2010. – Vol. 2. – Pp. 186–191. (Rus)
3. Braginets I.A., Zaitsev E.A., Kononenko A.G., Masjurenko Yu.A., Nizhenskyi A.D. The Phase Laser Measurer of Vibration Pa-
rameters with an Extended Frequency Range// Tekhnichna Elektrodynamika. – 2013. – № 1. – Pp. 82–86. (Rus)
4. Denisenko V.V. Increasing the accuracy by repeated measurements // Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii. – 2010. – № 1. –
Vol. 2. – Pp. 98–102. (Rus)
5. Zaitsev E.A., Kononenko A.G., Masjurenko Yu.A., Nizhenskyi A.D., Latenko V.I., Ornatskyi I.A. Specific errors of phase-
frequency laser distance meters // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2009. – № 3. – Pp. 50–54. (Rus)
6. Kononenko A.G., Kromplias B.A., Masjurenko Yu.A., Nizhenskyi A.D., Ornatskyi I.A., Sidorchuk V.E. High-precision phase laser
distance meter to the diffusely reflecting surfaces // Tekhnichna Elektrodynamika. – 1999. – № 3. – Pp. 66–70. (Rus)
7. Malakhov A.N. Fluctuations in self-oscillatory systems. – Moskva: Nauka, 1968. – 660 p. (Rus)
8. Ornatskyi P.P. Theoretical foundations of information and measurement technique. – Kyiv: Vyshcha shkola, 1976. – 432 p. (Rus)
9. Filipskyi Yu.K. Random processes in radio circuits. – Kyiv: Vyshcha shkola, 1978. – 112 p. (Rus)
10. AD9852 300 MHz Complete DDS synthesizer Reference Manual [Electronic resource]. – Mode of access:
http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad9852/products/product.html – Data of access: 01.12.11. –
Title from the screen.
Надійшла 13.05.2013
|