Система для измерения оптического пути

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПУТИ(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Система для измерения оптического пути, содержащая усилитель, соединенный с блоком обработки, лазер, приемник, отличающаяся тем, что включает блок нелинейного преобразования оптического сигнала,блок нелинейного преобразования электрического сигнала, логический элемент ИЛИ, одновибратор, соединенный с входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к усилителю и блоку обработки, а выход через блок нелинейного преобразования электрического сигнала соединен с лазером,выход последнего через блок нелинейного преобразования оптического сигнала и объект измерения связан с приемником, выход которого подключен к усилителю. 4164 1 Система предназначена для измерения оптического пути, но может быть использована также и для определения физических величин, связанных с длиной оптического пути, в частности геометрических расстояний. Известно устройство 1 для измерения расстояния, содержащее оптически связанные лазер, рефлектор,приемник, а также электрически последовательно связанные приемник, первый смеситель, преобразователь ВЧ-сигнала, цепь преобразования частотного сдвига во временной интервал, цепь измерения временного интервала, блок обработки, соединенный также с осциллятором, фазовым детектором и вторым смесителем, причем осциллятор связан также с лазером. Устройство не обеспечивает высокую точность и широкий диапазон измерений ввиду того, что, вопервых, основной измеряемый параметр - временной интервал распространения света - оценивается аналоговым методом, во-вторых, диапазон измерения ограничивается величиной периода несущей частоты. Из известных устройств наиболее близким является лазерная система 2, содержащая лазер, приемник,оптически связанный через объект с лазером, вход которого подключен к выходу усилителя, вход последнего вместе с входом блока обработки и выбора диапазона измерения соединены с осциллятором, вход которого подключен через компаратор к выходам усилителя и приемника. Данная система не обеспечивает высокую точность, т.к. в основу ее работы заложено возбуждение частоты генерации электрических сигналов в осцилляторе, который накапливает в процессе генерации оптическую задержку лазерных импульсных сигналов, смещающих сгенерированную частоту в пределах выбранного диапазона. Основным источником неточности измерения является нестабильность осцилляторного принципа получения частоты, в рамках которого невозможно получить погрешность измерения менее 10-5 ,т.к. каждый новый объект измерения вызывает изменение основного измеряемого параметра-частоты осциллятора в новых условиях работы, то получить в неравновесных условиях работы точность приблизительно 10-4 является проблематичным. Приведение измерительной системы в равновесное состояние требует временных затрат приблизительно 1015 мин. Кроме того, временных затрат также требует режим выбора измеряемого диапазона. Техническая задача изобретения - повышение точности измерения при одновременном ускорении процесса измерения за счет исключения шумовых составляющих информационного сигнала. Для решения указанной технической задачи система для измерения оптического пути, содержащая лазер, приемник, усилитель, соединенный с блоком обработки, включает блок нелинейного преобразования оптического сигнала, блок нелинейного преобразования электрического сигнала, логический элемент ИЛИ, одновибратор,соединенный с входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к усилителю и блоку обработки, а выход через блок нелинейного преобразования электрического сигнала соединен с лазером, выход последнего через блок нелинейного преобразования оптического сигнала и объект измерения оптически связан с приемником, выход которого подключен к усилителю. Увеличение точности измерения оптического пути лазерного излучения в предлагаемом изобретении достигается за счет устранения шумовых составляющих информационного сигнала, что обеспечивается, вопервых, за счет цифрового логического формирования периода прохода измерительных импульсов через все элементы системы, включая измеряемый объект, что в свою очередь позволяет получить стабильное значение измеряемой частоты, зависящее лишь от напряжения питания электрической системы и температуры лазера, во-вторых - обострения фронтов и спадов как оптических, так и электрических зондирующих импульсов в блоках нелинейного преобразования оптических и электрических сигналов, т.к. при этом уменьшается вероятность ложных срабатываний в блоке обработки. Ускорение измерений в предлагаемом изобретении достигается за счет исключения этапа выбора диапазона измерения. Сущность изобретения поясняется блок-схемой, приведенной на фигуре, где 1 - одновибратор, 2 - логический элемент ИЛИ, 3 - блок нелинейного преобразования электрического сигнала, 4 - лазер, 5 - блок нелинейного преобразования оптического сигнала, 6 - приемник, 7 - усилитель, 8 - блок обработки. В системе для измерения физических величин одновибратор 1 через логический элемент ИЛИ 2 подключен ко входу блока нелинейного преобразования электрического сигнала 3, выход которого соединен с лазером 4, оптический выход последнего связан с блоком нелинейного преобразования оптического сигнала 5,выход которого оптически связан с приемником 6, выход последнего через усилитель 7 подключен к блоку обработки 8 и входу логического элемента ИЛИ 2. В конкретном исполнении одновибратор 1 - стандартная цифровая схема, собранная на ЭСЛ интегральных логических элементах, см., например, 3, логический элемент ИЛИ 2 -стандартный логический элемент К 1500 ЛП 112 блок нелинейного преобразования электрического сигнала 3 - нелинейная полосковая передающая линия, согласованная по выходному волновому сопротивлению с лазером 4 и включающая регулярно-расположенные в передающей полосковой линии нелинейные элементы, например варикапы, смещенные в исходном состоянии на нелинейный участок вольт-фарадной характеристики 4. За счет нелинейных солитонных эффектов в такой линии электрические импульсы укорачиваются по длительности и увеличиваются по амплитуде лазер 4 - одномодовый полупроводниковый лазер типа ПОМ-14 М со схемой термостабилизации на основе элемента Пельтье блок нелинейного преобразования оптического сигнала 5 - в 2 4164 1 простейшем варианте это отрезок одномодового оптического волокна, нелинейные и дисперсионные свойства которого приводят на выбранной длине к эффективному сжатию оптических импульсов приемник 6 - лавинный фотодиод ЛФД-2 усилитель 7 - стандартная усилительная схема, собранная наполевых транзисторах, например 5 блок обработки 8 - в простейшем варианте частотомер, включенный в режим измерения периода входной частоты. Система для измерения оптического пути работает следующим образом одновибратор 1 по переднему фронту запускающего импульса формирует короткий электрический сигнал, который проходит через логический элемент ИЛИ 2 и поступает на вход блока нелинейного преобразования электрического сигнала 3, где за счет нелинейной задержки различных спектральных составляющих происходит укорачивание фронта и спада электрического импульса. Указанный короткий электрический сигнал, поданный на вход лазера 4,формирует на его выходе еще более короткий световой импульс, который в блоке нелинейного преобразования оптического сигнала 5 испытывает дальнейшее сжатие по длительности и подается на объект, или отражатель (при измерении расстояний). Прошедший через объект или отраженный световой сигнал (в режиме измерения расстояния) поступает в приемник 6, где преобразуется в электрическую форму и подается через усилитель 7 на входы блока обработки 8 и логического элемента ИЛИ 2. Через последний замыкается цикл прохода зондирующего сигнала через основные элементы измерительной системы. Частота обхода зондирующих импульсов измеряется в блоке обработки 8, где, сравнивая период следования указанной частоты с эталонным временным интервалом, вычисляют длину оптического пути зондирующих световых импульсов. Эталонный временной интервал получается в блоке обработки 8 при отсутствии объекта в режиме измерения оптического пути и при минимальном измеряемом расстоянии в режиме измерения расстояний. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.