Лазерные фазовые дальномеры: пути повышения точности

   Научно-технический прогресс в сфере геодезических и промышленных измерений в части использования лазерных дальномеров, работающих в диапазонах до 5 000 метров, привел к уменьшению погрешности выше перечисленных средств измерений за последние десять лет в два и более раза. Следствием такого стремительного развития технологий высокоточной дальнометрии стал значительный пересмотр требований по их метрологическому обеспечению, а также необходимость разработки нового поколения эталонов длины, запас метрологической точности которых обеспечивал бы оценку метрологических характеристик всех типов существующих и перспективных средств измерений длины, имеющих в своем составе лазерный светодальномер. Для решения этой задачи авторами в рамках ряда тематических научно-исследовательских опытно-конструкторских работ проводились исследования с целью разработки нового поколения эталонов длины, работающих в диапазоне до 5 000 метров, в условиях открытой атмосферы. В данной статье рассмотрен один из разработанных макетов высокоточного комплекса средств измерений длины и приращений координат. Макет представляет собой высокоточный лазерный фазовый дальномер с доработанной системой приема и обработки измерительных сигналов. С помощью данного макета дальномера предлагается исследовать пути уменьшения составляющих его погрешности с целью повышения точности измерений длины. Для обеспечения наименьшей погрешности определения аппаратурной поправки макета дальномера могут служить средства из состава Государственного первичного специального эталона единицы длины. В качестве перспективных путей уменьшения погрешности определения разности фаз сигналов представляется возможным использовать устройства цифровой регистрации и обработки сигналов, в которых реализован метод расчета разности фаз сигналов путем математической обработки зарегистрированных данных с помощью специально разработанного вычислительного алгоритма на основе Фурье-анализа. Наиболее точное определение значений частоты следования импульсных сигналов и значений скорости света на измеряемой трассе может быть получено благодаря использованию высокоточных средств определения данных показателей. Реализация предложенных авторами методов повышения точности измерений длины лазерных фазовых дальномеров позволяет обеспечивать необходимый запас метрологической точности.

1. Аналитическая модель лазерного дальномера для измерения расстояний до объектов с плохо прогнозируемой динамикой движения / Е. П. Меснянкин [и др.] // Оптический журнал. 2023. Т. 90, № 2. С. 46–58. doi: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-46-58

2. Буренин А. В. Исследование особенностей распространения низкочастотных псевдослучайных сигналов для задач акустической дальнометрии подводных объектов : спец. 01.04.06 Акустика: автореферат дис. … кандидата физико-математических наук : / А. В. Буренин; Тихоокеан. океанол. ин-т ДВО РАН. Владивосток, 2013. 24 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01005542525 (дата обращения: 15. 05. 2022).

3. Экспериментальное тестирование технологии высокоточной подводной акустической дальнометрии / Ю. Н. Моргунов [и др.] // Акустический журнал. 2018. Т. 64, № 2. С. 191–196. doi: 10.7868/S0320791918020120

4. Руссо П. Дальнометрия малоразмерных целей с большой дальностью действия: пат. RU2640399 C2, заявл. 18. 10. 2013; опубл. 09. 01. 2018. Бюл. № 1.

5. Урваев И. Н. Навигация мобильного робота на основе методов лазерной дальнометрии // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2021. № 1 (35). С. 44–51. doi: 10.21685/2307-5538-2021-1-5

6. Рой Ю. А., Садовников М. А., Шаргородский В. Д. Российская сеть лазерной дальнометрии – основа для дальнейшего повышения точности геодезического и эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС // Метрология времени и пространства : доклады 6-го Международного симпозиума, Менделеево, 17–19 сентября 2012 года. Менделеево: ФГУП ВНИИФТРИ, 2013. С. 284

7. Игнатенко И. Ю. Перспективы создания эталонного комплекса спутниковой лазерной дальнометрии // Метрология времени и пространства : материалы VII Международного симпозиума, Суздаль, 17–19 сентября 2014 года / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии; Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений. Суздаль: ФГУП ВНИИФТРИ, 2014. С. 207–208.

8. Цыба Е. Н., Вострухов Н. А. Совершенствование средств обработки данных измерений лазерной дальнометрии ИСЗ и Луны в ГМЦ ГСВЧ // Труды института прикладной астрономии РАН. 2018. № 45. С. 120–123. doi: 10.32876/ApplAstron.45.120–123

9. Данилова Е. А., Кочегаров И. И., Затылкин А. В. Анализ методов лазерной дальнометрии высокой точности // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. Т. 1, № 4 (26). С. 154–160.

10. Садовников М. А. Необходимые условия достижения субмиллиметровой точности измерений в спутниковой лазерной дальнометрии // Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т. 14, № 12. С. 13–16.

11. Соколов Д. А., Олейник-Дзядик О. М., Сильвестров И. С. Эталонный измерительный комплекс длины в диапазоне до 60 м из состава Государственного первичного специального эталона единицы длины в диапазоне 24 м – 4000 км (ГПСЭД) // Труды ИПА РАН. 2020. № 52. С. 63–67. doi: 10.32876/ApplAstron.52.63–67

12. Мазуркевич А. В., Соколов Д. А., Тимофеев Е. Ю. 19-й Международный конгресс метрологии CIM2019 // Вестник метролога. 2019. № 4. С. 28–30.

13. Радиогеодезические и электрооптические измерения : учебник для вузов / В. Д. Большаков [и др.]. М.: Недра, 1985. 303 с.

14. Голуб Д. А., Колмогоров О. В. Оценка метрологических характеристик разрабатываемого лазерного фазового дальномера с использованием модели его погрешности // Метрология в XXI веке: материалы VII научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов, Менделеево, 21 марта 2019 года. Менделеево: ФГУП ВНИИФТРИ, 2019.С. 18–20.

15. Любченко Д. А., Донченко С. С. Результаты разработки и исследования отдельных узлов макета оптического фазового дальномера с субмиллиметровым разрешением // Метрология в XXI веке : материалы VIII Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов, Менделеево, 06 февраля 2020 года. Менделеево: ФГУП ВНИИФТРИ, 2021. С. 9–14.

16. Анализ способов разрешения неоднозначности фазовых измерений, проводимых с помощью макета оптического светодальномера с субмиллиметровым разрешением / И. В. Новикова [и др.] // Метрология времени и пространства : материалы X Международного симпозиума, Менделеево, 06–08 октября 2021 года. Менделеево: ФГУП ВНИИФТРИ, 2021. С. 108–112.

17. Сирая T. H. Методы обработки данных при измерениях и метрологические модели // Измерительная техника. 2018. № 1. С. 9–14.

18. Rabinovich S. G. Measurement errors and uncertainties: theory and practice. New York: Springer-Verlag, 2005. 308 p. doi: 10.1007/0-387-29143-1

19. Новикова И. В. Экспериментальное исследование методик определения инструментальной составляющей систематической погрешности измерений эталонного измерительного комплекса длины в диапазоне до 60 м при работе с фазовым светодальномером // Вестник метролога. 2023. № 1. С. 32–36.

20. Вшивкова О. В. Физика Земли и атмосферы. Влияние атмосферы на результаты геодезических измерений : учебное пособие. M.: МИИГАиК, 2017. DSPL-2.0 Свободная библиотека алгоритмов цифровой обработки сигналов. [Электронный ресурс]. Дата обновления: 05. 01. 2022. URL: https://ru.dsplib.org (дата обращения: 20. 06. 2023).

21. ГЭТ 199-2018 Государственный первичный специальный эталон единицы длины: институт-хранитель ФГУП «ВНИИФТРИ» // Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений : официальный сайт. URL: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/12/items/397885

22. МИ 2083–90 Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения косвенные. Определение результатов измерении и оценивание их погрешностей. М.: ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, 1991.

23. Об обеспечении единства измерений: Федер. закон Рос. Федерации от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ: принят Гос. Думой Федер. Собрания Рос. Федерации 11 июня 2008 г.: одобрен Советом Федерации Федер. Собр. Рос. Федерации 18 июня 2008 г. (в редакции от 11 июня 2021 г. № 170-ФЗ) // Официальный интернет-портал правовой информации [сайт]. URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_77904/

24. Об утверждении Государственной поверочной схемы для координатно-временных измерений: Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2018 г. № 2831 // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : официальный сайт. URL: https://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293727/4293727952.htm

25. Об утверждении Государственного первичного специального эталона единицы длины ГЭТ 199–2018: Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 марта 2018 г. № 447 // Портал ГАРАНТ.РУ : официальный сайт. URL: https://base.garant.ru/71900290/

26. РМГ 29–2013. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения = State system for ensuring the uniformity of measurements. Metrology. Basic terms and definitions. М.: Стандартинформ, 2014.