ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛИЗАТОРА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛИЗАТОРА ИЗОБРАЖЕНИЙ
1.
Цель работы
Целью лабораторной работы является изучение теории работы 2-х
координатного фазоширотно-импульсного растра, у которого граница между
прозрачными и непрозрачными частями выполнение по спирали Арихимеда
/3, с.151/.
2.
Задачи работы
− ознакомиться
с
теорией
работы
2-х
координатного
фазоширотноимпульсного растра, представленной в теоретической части
работы;
− выполнить все пункты практической части работы.
3.
Теоретическая часть
Двухкоординатный фазоширотно-импульсный растр представлен на рис.
16. При каждом обороте растра вырабатывается один опорный импульс.
Интервал времени между опорным импульсом и передним фронтом
импульса от изображения цели пропорционален полярному углу ϕ.
Длительность импульса является мерой радиального смещения изображения
α=const*ρ. Граница между прозрачной и непрозрачной частями растра
выполнена по спирали Архимеда.
4.
Практическая часть
4.1. Получить выражения, связывающие величину удаления цели от
центра поля зрения ρ и угол фазирования φф цели от углов φ и α. (см. рис. 16).
4.2. Нарисовать диаграмму сигналов при прохождении излучения
точечной цели через растр за 1 полный период вращения при следующих
условиях:
ρ = KR ; φф = πn (параметры К и n задаются преподавателем).
5.
Контрольные вопросы
5.1.
Рассказать
теорию
работы
2-х
координатного
фазоширотноимпульсного растра Архимеда.
5.2. Нарисовать диаграмму сигналов для протяженной цели.
5.3. Как связана величина радиального смещения ρ изображения цели с
длительностью импульса излучения, прошедшего через растр?
5.4. Как связан угол фазирования φф с интервалом времени между
опорным импульсом (см. рис. 17) и передним фронтом импульса излучения,
прошедшего через растр?
5.5. Рассказать преимущества и недостатки данного растра Архимеда как
анализатора координат.
5.6. Как получить время-частотный спектр растра Архимеда?
ϕ=α2
ω
ϕф
α1
ц
ρ
α
Рис. 16 . 2-х координатный фазоширотноимпульсный растр Архимеда.
U(t)
2π
0
α1
α2 2π
Рис. 17
ωt
ωt
6.
Содержание отчета
6.1. Краткая теория работы 2-х координатного фазоширотноимпульсного
растра Архимеда.
6.2. Окончательные выражения для расчета выражения, связывающие
величину удаления цели от центра поля зрения ρ и угол фазирования φф цели
от углов φ и α
6.3. Исходные данные и диаграмма сигналов при прохождении
излучения точечной цели через растр за 1 полный период вращения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
ЛАЗЕРНЫЙ СВЕТОДАЛЬНОМЕР СТ-5
1.
Цель работы
Целью лабораторной работы является углубление знаний оптических
методов измерения расстояний, практическое определение расстояния
лазерным дальномером.
2.
Задачи работы:
− изучить принцип работы и схему лазерного дальномера
представленные в теоретической части работы;
− ознакомиться с методикой работы на лазерном дальномере;
− выполнить все пункты практической и экспериментальной части
работы.
3.
Приборы и принадлежности
В работе применяются следующие приборы и принадлежности:
− лазерный дальномер СТ-5 в комплекте с отражателем;
− направляющая;
− блок стабилизированного напряжения на 27В.
4.
Теоретическая часть
4.1.
Принцип
работы
лазерного
светодальномера
СТ-5.
Отечественный светодальномер «Блеск СТ-5» предназначен для измерения
на местности длин линий небольшой протяженности. Диапазон измеряемых
расстояний от 2 до 5000 м. Средняя квадратичная погрешность измерения 1
см /22/.
В светодальномере использован импульсно-фазовый гетеродинный
метод измерения расстояний, действие которого поясняется схемой (см.
рис.18) /23/.
Рис. 18. Схема измерения расстояния с помощью
импульсно-фазового гетеродинного метода
Гармонические колебания, возбуждаемые генератором 1 масштабной
(тактовой) частоты ωм поступают в передатчик 2, с помощью которого
информационный сигнал передается в направлении на удаленный
отражатель. После отражения сигнал попадает в приемное устройство 3.
Если текущую фазу гармонических колебаний на входе 8 передатчика 2
представить в виде:
Ψ м = ωм t − φм0 ,
(110)
то после прохождения измеряемого расстояния в прямом и обратном
направлениях, она будет определяться выражением:
Ψ 'м = ωм ( t − τ ) − φм0 ,
(111)
2D
- время, на которое запаздывает информационный сигнал
V
относительно опорного из-за прохождения расстояния 2D. Но поскольку
практически получаемое значение τ может значительно превышать период
повторения излучаемых импульсов Тм, то возникает неоднозначность
определения значения τ, а следовательно и D, обусловленное тем, что
дальномером измеряется ∆τм относительно ближайшего опорного импульса,
а истинное значение D определяется из величины:
где τ =
τ = NTм + ∆τм ,
(112)
где N – число полных периодов повторения Тм, которое содержится в
величине τ и требуется определить с помощью дополнительных методов.
Для упрощения задачи измерения D с требуемой точностью в схеме
предусмотрено гетеродинирование, т.е. понижение чистоты следования
импульсных сигналов. Поставленная задача решается за счет использования
схемы совпадения 4 и генератора вспомогательной частоты 7 (гетеродина).
Период повторения гетеродинных импульсов Тг выбирается таким, чтобы он
отличался от периода повторения масштабных импульсов Тм на небольшую
величину.
Импульсные сигналы на выходе схем совпадения появляются только в
случае совпадения во времени импульсов, поступающих от масштабного
генератора и гетеродина. При этом частота повторения F импульсных
сигналов на выходе схемы совпадения (смесителя) 4 определяется формулой:
F = fм − fг
(при fм>fг);
(113)
учитывая, что F =
ТΩ =
1
1
1
, f г = , имеем:
, fм =
TΩ
Тм
Tг
Тм Тг
,
Тг − Тм
(114)
где через ТΩ обозначен период повторения импульсов на выходе схемы
совпадения (смесителя). То есть, если на смесительный каскад 4,
включенный на выходе приемника подать гармоничекие колебания от
гетеродина 7 с текущей фазой Ψ г = ωг t − φг 0 , то для текущей фазы колебаний
разностной частоты на выходе смесителя при fм>fг можно записать:
(
)
Ψ Ω = Ψ 'м − Ψ г = Ωt − ωм τ − φм0 − φг 0 ,
(115)
где Ω=ωм-ωг.
Выберем масштабную и разностную частоты, обозначенные
соответственно через ωм и Ω, так, чтобы они различались друг от друга в
целое число раз, обычно кратное десяти. Обозначим это соотношение как n:
n=
ωм
,
Ω
(117)
и введем в схему дальномера делитель частоты 6 с коэффициентом деления
равным n. Тогда текущая фаза низкочастотных колебаний на выходе
делителя частоты будет определяться выражением:
Ψ "Ω =
где φΩ0 =
φм
ωм
t − 0 = Ωt − φΩ0 ,
n
n
(118)
φм 0
- начальная фаза колебаний на выходе из делителя частоты.
n
Для синхронизации фазы колебаний гетеродина (т.е. для обеспечения
жесткой связи с начальной фазой колебаний масштабной частоты) подадим
колебания от генератора масштабной частоты и от гетеродина на смеситель 8
фазовой автоподстройки (ФАП). Выделяемые на выходе этого смесителя
колебания разностной частоты будут при этом иметь текущую фазу,
определяемую выражением:
(
)
Ψ "Ω = Ψ м − Ψ г = Ωt − φм0 − φг 0 .
(119)
Если данные колебания совместно с колебаниями, возникающими на
выходе делителя частоты, подать на фазовый детектор 9, входящий в систему
ФАП, то на выходе этого детектора представляется возможным выделить
сигнал, величина которого зависит от соотношения текущих фаз сигналов,
поступающих на два входа в этот детектор:
U ФД = k ( Ψ 'Ω − Ψ "Ω ) ,
(120)
где k - коэффициент пропорциональности.
При воздействии этого сигнала на гетеродин фаза колебания последнего
будет изменяться до тех пор, пока в результате действия цепи обратной
связи, сигнал UФД не оказывается равным нулю. При этом Ψ 'Ω − Ψ "Ω = 0 ,
откуда:
⎛ 1⎞
φF0 = φм0 − φΩ0 = ⎜1 − ⎟ φм0 .
⎝ n⎠
(121)
Следовательно, в результате работы системы ФАП начальная фаза колебаний
гетеродина φг0 оказывается жестко связанной с начальной фазой колебаний
масштабной частоты. Если с помощью фазометра 5 измерить разность фаз
между информационным и опорным сигналами (причем в качестве опорных
использовать масштабные колебания, частота которых поделена на n), то
значение этой разности будет определяться формулой:
∆φ = ωм τ = ωм
2D
.
V
(122)
Полученная формула свидетельствует о том, что в рассмотренной схеме
измеряемая фазометром разность фаз пропорциональна величине искомого
расстояния D и не зависит от начальных фаз колебаний масштабной частоты
и гетеродина.
4.2.Функциональная
схема
лазерного
дальномера
СТ-5.
Принципиальная схема дальномера приведена на рис. 19./22/. В качестве
источника
оптического
излучения
в
дальномере
применен
полупроводниковый арсенид-галлиевый лазер 1, работающий в импульсном
режиме. Длина волны излучения 0.91 мкм. Модулирующие колебания
возбуждаются генератором масштабной частоты 10, частота колебаний –
14,9855 МГц.
Для разрешения неоднозначности предусмотрена дополнительная
масштабная частота, равная 149,855 КГц, т.е. в 100 раз меньше, чем основная.
Формирование этих колебаний осуществляется с помощью делителя частоты
13 с коэффициентом деления 100. На вход последнего поступают колебания
основной масштабной частоты. Модулирующие колебания подаются на
светодиод через коммутатор 14, который по сигналу управления «грубо»«точно» пропускает через себя колебания основной или дополнительной
масштабной частоты.
Преобразование гармонических колебаний в импульсные на основной
масштабной частоте производится непосредственно в излучателе, а на
дополнительной масштабной частоте – на выходе делителя.
Рис. 19. Принципиальная схема дальномера СТ-5.
При передаче информационного сигнала в направлении на удаленный
отражатель световой поток проходит через отверстия в переключаемой
диафрагме 2, отражается от нижней грани разделительной призмы 3 и
попадает на линзовый объектив 9, с помощью которого формируется
параллельный пучок, и направляется на отражатель, установленный на
другом конце измеряемой линии. Отражаясь от отражателя, световой поток
попадает на линзовый объектив 9, и после отражения от верхней грани
призмы 3 фокусируется в плоскости полевой диафрагмы 4, на выходе
которой размещен торцевой вход световода 5, при прохождении через
который свет фокусируется на фотокатоде ФЭУ 7. Для осуществления
спектральной
селекции
перед
фотоумножителем
7
помещен
интерференционный светофильтр 6.
Фотоумножитель 7 выполняет не только роль преобразователя
оптических сигналов, но и служит схемой совпадения, с помощью которой
осуществляется гетеродинирование импульсных сигналов. С этой целью на
фотокатод ФЭУ через делитель частоты 13 и коммутатор 14 поступают
электрические сигналы вспомогательной частоты от гетеродина 12.
Сигнал, снимаемый с ФЭУ, пропускают через фильтр нижних частот 15,
что позволяет уменьшить уровень шумов, которые накладываются на
полезный информационный сигнал при прохождении последнего через
атмосферу и ФЭУ. Для оформления сигнала в остроконечный импульс, его
пропускают через формирователь импульсов 16.
С выхода формирователя импульсов информационные сигналы
совместно с опорными сигналами поступают в счетный блок 17, во входных
узлах которого из них формируется сигнал с длительностью ∆τΩ.
В связи с применением несимметричного низкочастотного метода, при
котором из тракта прохождения опорного сигнала исключается смеситель
(схема совпадения), предусмотрена система ФАП (фазовой автоподстройки),
предназначенная для синхронизации фазы гетеродина 12, и состоящего из
фазового детектора 18 и смесителя 11.
Для исключения влияния временных задержек, обусловленных
прохождением информационного и опорного сигналов по электрическим
цепям прибора, предусмотрена линия оптического короткого замыкания
(ОКЗ). При работе в режиме ОКЗ диафрагма 2 переключается с помощью
электромагнитного устройства, поворачивается на заданный угол, в
результате чего световой поток от излучателя проходит через
дополнительное отверстие в этой диафрагме непосредственно в приемное
устройство дальномера, минуя разделительную призму 3.
5.
Практическая часть
5.1.Проведение измерений. Вращением окуляра зрительной трубы
получите четкое изображение окружностей сетки нитей. Установите винты
наводящих устройств в среднее положение, ослабьте рукоятки
закрепительных устройств, повернув их против часовой стрелки, наведите
светодальномер на отражатель с помощью зрительной трубы, зажмите
рукоятки закрепительных устройств, а вращением винтов наводящих
устройств введите изображение отражателя в окружности сетки нитей.
Включите дальномер в режим НАВЕДЕНИЕ (переключатель 1 в
положение ТОЧНО). Поверните ручку СИГНАЛ до ограничения, а при
высокой температуре в солнечную погоду и при больших засветках – до
показания стрелочного прибора не более 20 мкА.
Изменяйте ориентирование дальномера на отражатель в вертикальной и
горизонтальной плоскостях вращением винтов наводящих устройств до
получения сигнала. Наличие сигнала индуцируется звуком и отклонением
стрелки прибора вправо по шкале.
Наведите дальномер по максимуму сигнала, одновременно устанавливая
ручкой СИГНАЛ уровень сигнала в середине рабочей зоны.
Установите переключатель 2 в положение СЧЕТ, при отсутствии
мигающего свечения индикатора ручкой СИГНАЛ подстройте уровень
сигнала, возьмите 3 отсчета измеряемого расстояния в режиме ТОЧНО.
Отсчеты берите после 3-го звукового сигнала.
Повторите еще 2 раза наведение и после каждого возьмите по 3 отсчета в
режиме ТОЧНО.
Переведите переключатель 1 в положение КОНТР, возьмите отсчет для
определения значения поправки kf.
При грубых измерениях переключатель 1 установите в положение
ГРУБО, переключатель 2 в положение СЧЕТ. Измерения проводятся
аналогично.
По окончании измерений выключите дальномер (переключатель 2 в
положение ВЫКЛ).
Измерение температуры проводится термометром. Погрешность
определения среднего значения температуры в 1 град. С° соответствует
погрешности измерения расстояния в мм 1,0*Е-6D, где D – значение
измеряемого расстояния в мм.
5.2.Вычисление
окончательного
результата.
Окончательный
результат расстояния Dи в миллиметрах вычисляется по формуле /22/:
Dи = D т + 10−5 D т ( К п + К f ) + ∆Dц ,
(123)
где Dт – среднее арифметическое значение отсчетов в режиме ТОЧНО с
учетом известного числа километров измеряемого расстояния; Kп –
поправочный
коэффициент,
учитывающий
изменение
показателя
преломления атмосферы; Kf - поправочный коэффициент, учитывающий
температурное измение частоты кварцевого генератора;
Кп = 28,3 + 0,08t –0,04Р,
Кf = 1,73 – 0,017П,
(124)
где t – температура в С°; Р – давление в мм. рт. ст.; П – показание табло в
режиме "Контроль".
6.
Содержание отчета
6.1. Теория работы лазерного дальномера СТ-5.
6.2. Результаты измерений дальности по трем наведениям.
7.
Контрольные вопросы
7.1. Теория работы лазерного дальномера.
7.2. Работа дальномера в режиме ТОЧНО.
7.3. Работа дальномера в режиме ГРУБО.
7.4. Работа схемы ФАП.
7.5. Дайте анализ точности измерения дальности.
7.6. Назначение режима ОКЗ.
7.7. Дайте анализ разрешения неоднозначности в определении дальности
D при ωм=14,9855 МГц.
7.8. В чем суть работы приемника 7 (см. рис.19) как схемы совпадения?