Двухволновой рециркуляционный дальномер

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Двухволновой рециркуляционный дальномер, характеризующийся тем, что содержит последовательно соединенные вычислительный блок, блок запуска, усилитель мощности,дисперсионную линию задержки и источник лазерного излучения в виде двухволнового полупроводникового лазера, оптически связанного через измеряемую дистанцию с фотоприемником, выходом соединенным через усилитель с автоматической регулировкой усиления и согласованный фильтр со входом вычислительного блока и вторым входом усилителя мощности блок питания лазера, вход управления которого соединен с выходом вычислительного блока, а выход - со входом двухволнового полупроводникового лазера,причем блок питания лазера выполнен с возможностью переключения длины волны генерации лазера с 1 на 2 по сигналу с вычислительного блока для обеспечения реализации режима оптоэлектронной рециркуляции линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) импульса последовательно на двух длинах волн 1, 2, а вычислительный блок выполнен с возможностью определения искомой дальностииз выражения 11 110 17091 1 2013.04.30 где- скорость света в вакууме 1 - частота рециркуляции ЛЧМ-импульса на длине волны 1- время задержки сигнала в электронных блоках устройства 0 - показатель преломления воздуха на длине волны 1 при стандартной температуре 0 - разность показателей преломления воздуха на длинах волн 1, 2 при стандартной температуре 2 - частота рециркуляции ЛЧМ-импульса на длине волны 2. Изобретение относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в геодезии, строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений. Известен способ измерений дальности 1, основанный на линейной частотной модуляции зондирующего излучения с последующим фотогетеродинным приемом отраженного объектом излучения и обработкой полученного сигнала согласованным фильтром. Недостатком этого способа является ограниченная точность измерений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является рециркуляционный дальномер 2, содержащий последовательно соединенные блок запуска, блок питания лазера,источник лазерного излучения, оптически связанный с фотоприемником, соединенным с усилителем, компаратор, соединенный с вычислительным блоком. Недостатком дальномера является ограниченная точность измерений. Задача изобретения - повышение точности измерения дальности. Поставленная задача решается путем того, что в двухволновом рециркуляционном дальномере, характеризующемся тем, что он содержит последовательно соединенные вычислительный блок, блок запуска, усилитель мощности, дисперсионную линию задержки и источник лазерного излучения в виде двухволнового полупроводникового лазера, оптически связанного через измеряемую дистанцию с фотоприемником, выходом соединенным через усилитель с автоматической регулировкой усиления и согласованный фильтр с входом вычислительного блока и вторым входом усилителя мощности блок питания лазера, вход управления которого соединен с выходом вычислительного блока, а выход - со входом двухволнового полупроводникового лазера, причем блок питания выполнен с возможностью переключения длины волны генерации лазера с 1 на 2 по сигналу с вычислительного блока для обеспечения реализации режима оптоэлектронной рециркуляции линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) импульса последовательно на двух длинах волн 1, 2, а вычислительный блок выполнен с возможностью определения искомой дальностииз выражения 11 110 где- скорость света в вакууме 1 - частота рециркуляции на длине волны 1 время задержки сигнала в электронных блоках устройства 0 - показатель преломления воздуха на длине волны 1 при стандартной температуре 0 - разность показателей преломления воздуха на длинах волн 1 и 2 при стандартной температуре 2 - частота рециркуляции на длине волны 2. Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения расстояний, обусловленное реализацией режима оптоэлектронной рециркуляции ЛЧМимпульса на двух различных оптических длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на измеряемой дистанции и учесть ее значение при вычислении дальности. На фиг. 1 представлена функциональная схема двухволнового дальномера с рециркуляцией линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) импульса, а на фиг. 2 - временные диа 2 17091 1 2013.04.30 граммы, поясняющие его работу. Дальномер содержит блок запуска 1, усилитель мощности 2, дисперсионную линию задержки 3, двухволновой лазер 4, фотоприемник 5, усилитель с АРУ (автоматической регулировкой усиления) 6, согласованный фильтр 7,вычислительный блок 8, блок питания лазера 9. Дальномер работает следующим образом. В начальный момент времени блок питания лазера 9, управляемый сигналом с вычислительного блока 8, запускает генерацию лазера на длине волны 1. По сигналу с вычислительного блока, для запуска режима рециркуляции блок запуска 1 формирует короткий импульс, аналогичный сжатому импульсу на выходе согласованного фильтра (форма импульса представлена на фиг. 2 а), который через усилитель мощности 2 возбуждает дисперсионную линию задержки 3. На выходе дисперсионной линии задержки будет сформирован ЛЧМ сигнал, который описывается функцией где 0 - амплитуда,- длительность ЛЧМ-импульса,- девиация частоты, 0 - начальная частота ЛЧМ-импульса,2 /- скорость перестройки частоты. Вид модулирующего ЛЧМ-импульса представлен на фиг. 2 б. Излучение лазера 4 на длине волны 1 модулируется по интенсивности сигналом (1),посылается на дистанцию, отражается от измеряемого объекта, регистрируется фотоприемником 5 с задержкой во времени, равной 121 / , где- измеряемое расстояние, - скорость света в вакууме, 1 - коэффициент преломления воздуха на длине волны 1 усиливается усилителем с АРУ 6 и попадает в согласованный фильтр 7. Вид ЛЧМимпульса на входе согласованного фильтра, задержанного на дистанции на 1, представлен на фиг. 2 в. На выходе согласованного фильтра сформируется сигнал вида 3 представляющий собой сжатый ЛЧМ-импульс (фиг. 2 а). Как видно из выражения (2), временное положение отклика на выходе согласованного фильтра определяется временем оптической задержки 1 излучения на дистанции при постоянной электрической задержкев электронных блоках устройства и согласованных фильтрах. С выхода согласованного фильтра 7 сжатый ЛЧМ-импульс (2) через усилитель мощности 2 запускает дисперсионную линию задержки 3, и на ее выходе будет вновь сформирован ЛЧМ-сигнал, который описывается функцией (1). Таким образом, в системе устанавливается режим рециркуляции ЛЧМ-импульса, частота 1 которой определяется временем оптической задержки 1 излучения на дистанции при постоянной электрической задержкев электронных блоках устройства и согласованных фильтрах (фиг. 2 а). Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точностью, чем короткий временной интервал, то значение 1 определяется по величине частоты рециркуляции 1. Формула для расчета дальности в этом случае будет иметь вид Затем по сигналу с вычислительного блока блок питания лазера 9 переключает генерацию лазера на длину волны 2, а блок запуска 1 формирует короткий импульс и запускает в системе режим рециркуляции ЛЧМ-импульса на длине волны 2, частота которой равняется 2. Значение дальности, измеренной по величине оптической задержки 2 излучения на длине волны 2, будет равно 2 где 2 - коэффициент преломления воздуха на длине волны 2. 3 17091 1 2013.04.30 Если заданы две длины волны излучения 1 и 2, то формула для расчета дальности,учитывающая дисперсию коэффициента преломления на дистанции, будет иметь вид где 0 - показатель преломления воздуха на длине волны 1 при стандартной температуре(значение берется из справочника) 0 - разность показателей преломления воздуха на длинах волн 1 и 2 при стандартной температуре,- разность оптических задержек на длинах волн 1 и 2 на измеряемой дистанции. Используя (3), (4), получаем окончательную формулу для расчета дальности 11 110. 02 Время электрической задержкиопределяется при калибровке системы на нулевом расстоянии. Так как в качестве рециркулирующего сигнала в дальномере применен линейно-частотно-модулированный импульс, то использование обработки ЛЧМ-сигнала с помощью согласованного фильтра позволяет улучшить отношение сигнал/шум на выходе системы, а, следовательно, расширить диапазон измеряемых расстояний по сравнению с 2. Так как в петле обратной связи дальномера отсутствуют пороговые элементы, то величина частоты рециркуляции, а значит, и точность измерения дальности, не будет зависеть от амплитуды ЛЧМ-сигнала, что обеспечивает повышение точности измерений по сравнению с дальномером 2. Таким образом, в результате реализации режима оптоэлектронной рециркуляции линейно-частотно-модулированного импульса на двух различных оптических длинах волн обеспечивается повышение точности измерения дальности. Использованные источники Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.