УДК 621.375.826
РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР НА ОСНОВЕ ДВУХВОЛНОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА
В.Л. Козлов, В.К. Кононенко, К.Г. Кузьмин, И.С. Манак
Для прецизионных лазерных дальномерных систем предлагается рециркуляционный метод измерения дальности, основанный на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн. В качестве излучателя дальномера используется лазерный диод на основе асимметричной квантово-размерной гетероструктуры, обеспечивающий генерацию зондирующего излучения на двух различных длинах волн в зависимости от тока накачки. Система позволяет получать информацию о скорости распространения излучения в среде вдоль линии наблюдения и учитывать ее значение при расчете дальности по величине оптической задержки, что повышает точность измерения расстояний.
ВВЕДЕНИЕ
Относительная погрешность измерения расстояний одноволновыми лазерными дальномерами по величине оптической задержки сигнала на дистанции ограничена значениями порядка 1СГ6 из-за отсутствия информации о скорости распространения излучения вдоль линии наблюдения в конкретных метеоусловиях. Так, например, для излучения на длине волны 0,8 мкм при изменении температуры на один градус коэффициент преломления воздуха изменяется на 0,9 • Ю-6. Для прецизионных лазерных дальномерных систем среднеквадратичная погрешность измерений, обусловленная дисперсионными свойствами атмосферы, может быть снижена до единиц сантиметров путем расчета группового показателя преломления, если известны давление, температура и влажность. Однако эта операция достаточно трудоемка и требует привлечения дополнительных метеорологических средств и вычислительной техники.
Для учета состояний среды при распространении зондирующего излучения вдоль линии наблюдения предлагается рециркуляционный метод измерения дальности [1], основанный на оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн. Метод позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДАЛЬНОМЕРА
Схема двухволнового рециркуляционного лазерного дальномера показана на рис. 1. В качестве излучателя дальномера предлагается использовать лазерный диод на основе асимметричной квантоворазмерной гетерост-руктуры. Структура таких инжекционных лазеров описана в [2]. Активная область лазерного диода содержит две квантовые ямы разной ширины. Одна квантовая яма шириной 8 нм изготовлена на основе ваАв, а другая квантовая яма шириной 6 нм — на А1ц ^Сац ззАв. Квантовые ямы, барьерный и обкладочные слои лазера образуют единый оптический волновод для генерируемого излучения на двух различных длинах волн. При увеличении тока инжекции генерация начинается на большей длине волны — А.]. В режиме генерации концентрация неравновесных носителей тока в более широкой квантовой яме практически не изменяется, так как длинноволновое излучение усиливается в этой
квантовой яме. Дальнейшее увеличение тока приводит к возникновению генерации на более короткой длине волны А_2, которая усиливается в обеих квантовых ямах. Возрастание интенсивности когерентного излучения на этой длине волны сопровождается падением интенсивности длинноволнового излучения. Переключение длины волны генерации с А.] = 837 нм на А_2 = 787 нм происходит при изменении тока инжекции от 34 до 36 мА. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть сделана достаточно малой, вплоть до 2 не.
Разность длин волн генерации ДА — А.] л 2 для асимметричных квантоворазмерных лазерных диодов достигает значений 20...70 нм. Если использовать терморегулятор на эффекте Пельтье и стабилизировать импульсы тока инжекции, то относительная нестабильность разности длин волн генерации может быть ниже Ю-3.
В начальный момент времени блок Таймер (см. рис. 1) формирует два импульса, разнесенные во времени на интервал А7ц. Блок Генератор накачки формирует соответствующие амплитуды импульсов тока для запуска лазера на длинах волн А] и А.2- Для рециркуляционных датчиков дальности измеряемое расстояние играет роль оптической линии задержки в петле обратной связи. При замыкании оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции с час-
Рис. 1. Принципиальная схема двухволнового рециркуляционного лазерного дальномера
32
Зепэогэ & Зуэгетэ • № 7.2001
тотои, которая определяется задержкой излучения на дистанции и постоянной электрической задержки в функциональных блоках системы. Таким образом, измеряя частоту рециркуляции, можно определить расстояние до объекта.
Используя описанный выше режим работы полупроводникового лазера, на дистанцию поочередно посылаются оптические импульсы на разных длинах волн А.) и А.2- Так как скорость распространения излучения в воздухе зависит от длины волны, причем А2 < А], то задержка на дистанции излучения на длине волны А2 будет больше, чем на А.]. Разность оптических задержек за один период рециркуляции составляет
At = ^(«2-1.0,
где Ь — измеряемое расстояние; Я] и «2 — показатели преломления воздуха на длинах волн А.) и А2 соответственно.
При разности длин волн АА = 20 нм величина А/ на расстоянии Ь = 1 км составляет порядка 1 пс. Очевидно, что измерение таких коротких временных интервалов вызывает большие сложности [3]. Однако в режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержек и за число периодов рециркуляции И= 104...105 разность задержек становится равной Т = МАГ и достигает десятков или сотен наносекунд. В разработанной системе для измерения А/ определяется число периодов рециркуляции М, за которое разность задержек станет равной Т= 100 не. В этом случае дальность вычисляется по формуле
I =
2я
2 V дя
II
I N
я = 1
1
1 + -
1 + 15а
(/-15)
760
55 ■ 10 е
1 + а.1
(1)
(яс - 1) • 108 = 6432,8 + 29498101 146
+ 25540 41
Вдали от полос поглощения основных газов, содержащихся в атмосфере, в спектральной области видимого и ближнего инфракрасного света можно пользоваться формулой, подобной дисперсионной формуле Гарт-мана:
я„ = 1 + а +
где а = 272,6 • Ю-6, Ь = 1,536 • 10_й.
Обычно третий член в формуле (1) более чем на два порядка меньше по величине по сравнению со вторым членом. Поэтому можно принять е = 0. В этом случае приближенно имеем
Я=1 + (Ис-1)^5[1-Г(/-15)], (3)
где у = а/(1 + 15а) = 0,00348. Формулы (2) и (3) достаточно точно описывают зависимость показателя преломления воздуха от температуры и давления на разных длинах волн зондирующего излучения. Очевидно, при наличии флуктуации температуры и давления на трассе под величинами / и р подразумеваются средние значения.
Как видно, если заданы две длины волны излучения А] и А2, то обратная относительная дисперсия воздуха, равная отношению (п\ — 1)/(я2 — п\), оказывается практически постоянной независимо от условий окружающей среды. Например, для длин волн А] = 0,5 мкм и = 0,7 мкм это отношение составляет 87, что близко по величине к числу Аббе V = 89. Дисперсия сухого воздуха при некоторых температурах и нормальном давлении в диапазоне длин волн 0,5...1,0 мкм представлена на рис. 2.
(2)
где /ор1 — время задержки на дистанции излучения на длине волны А], Я] — показатель преломления воздуха на длине волны А], АЯ] = Я2 — п\ — разность показателей преломления на длинах волн А2 и А] в условиях измерений.
Значения п\ и АЯ] можно рассчитать на основании справочных данных [4]. В частности, как международный стандарт утверждена следующая формула для дисперсии воздуха:
Здесь а = 0,00367 — коэффициент объемного расширения воздуха; / — температура, °С; р — барометрическое давление, мм рт. ст.; е — параметр, учитывающий влажность воздуха; яс — дисперсия сухого воздуха (е = 0) при условиях 1= 15 'Си р = 760 мм рт. ст. В области длин волн А от 200 нм до 1,35 мкм выражение для яс в численных коэффициентах (А в мкм) имеет вид
Рис. 2. Дисперсия сухого воздуха (е = 0) при р = 760 мм рт. ст. и температурах:
?= —15 (кривая /); 0 (кривая 2); +15 (кривая 3) и +30 °С (кривая 4). Кривая 3 практически совпадает с прямой пс(\/7?) по формуле (2)
Рис. 3. Число периодов рециркуляции /V в зависимости от температуры окружающей среды I для ДА, = 50 нм, Ь = 3 км
ДЛс
210
1,5-10
110
ДХ=70 НМ 1
У^Г ' У У г^ ^ ^ '
- -'2 •• '
'ДХ=50нм
ДХ =20 нм 1 ~
I I 4
2000
3000
4000
Ь, м
Рис. 4. Зависимости разности оптических задержек А1 от измеряемого расстояния Ь при различных температурах окружающей среды I и значениях разности длин волн ДА, (А, = 827 нм):
/ = —20 (кривая 1), 0 (кривая 2), +20 (кривая 3) и +40 °С (кривая 4)
Рис. 5. Зависимость разности показаний одно- и двухволнового дальномеров ДЬ от измеряемого расстояния Ь при различных температурах окружающей среды:
/ = —20 (кривая 1), 0 (кривая 2), +20 (кривая 3) и +30 °С (кривая 4)
Далее для удобства используем значения щ и Ащ при определенных условиях окружающей среды, например 1= 0 'Сир= 760 ммрт. ст. Эти значения можно рассчитать или найти из справочных данных. Тогда на основании соотношения
1 _ «0-1
Ая,
Ая,
О
получаем окончательную формулу для расчета длины трассы:
1=С, «0-1 Т
2 V дЯо мГ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАЛЬНОМЕРА
На рис. 3 приведены значения N для дистанции Ь = 3 км в зависимости от температуры окружающей среды / при АА = 50 нм. Величина N показывает число периодов рециркуляции, при котором разность оптических задержек на дистанции на длинах волн А.) = 837 нм и = 787 нм достигнет Т= 100 не.
Зависимости разности оптических задержек А/ от измеряемого расстояния Ь для различных АХ и температур окружающей среды / представлены на рис. 4. Как видно из графиков, для расстояний 0,5...5 км величина А/ изменяется в пределах 2...15 пс. За один период рециркуляции такие временные интервалы измерить с высокой точностью практически невозможно, поэтому требуется накопление временных задержек за большое число периодов рециркуляции. Для частот рециркуляции порядка 100 кГц время определения дальности с учетом дисперсии на трассе составит менее 1 с.
Сравнение результатов измерения дальности одно-волновым рециркуляционным дальномером (X = 837 нм)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.