Двухволновой доплеровский дальномер

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Двухволновой доплеровский дальномер, содержащий оптически связанные с гетеродинным фотоприемником светоделители и последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник, блок измерения доплеровского сдвига частоты, вычислительный блок,блок сканирования, соединенный со светоделителями, отличающийся тем, что в него введены двухволновой полупроводниковый лазер, оптически связанный через светоделители и измеряемую дистанцию с гетеродинным фотоприемником, блок управления двухволновым лазером, соединенный с двухволновым лазером, при этом управляющий вход блока управления соединен с вычислительным блоком и реверсивный счетчик, вход которого соединен с гетеродинным фотоприемником, а выход - с вычислительным блоком. Фиг. 1 Полезная модель относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в строительстве, в технологических процессах для измерения небольших расстояний с высокой точностью. Известен светодальномер 1, содержащий блок запуска, лазерный излучатель, приемник излучения, усилитель, линию задержки, вычислительный блок. Недостатком дальномера является низкая точность измерений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является дальномер 2, содержащий лазер, оптически связанный через светоделители с гетеродинным фотоприемником, и последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник, блок измерения доплеровского 88382012.12.30 сдвига частоты, вычислительный блок, блок сканирования, соединенный со светоделителями. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений в случае несимметричного сканирования относительно перпендикуляра к измеряемой поверхности. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения расстояний. Поставленная задача решается путем того, что в дальномер, содержащий оптически связанные с гетеродинным фотоприемником светоделители и последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник, блок измерения доплеровского сдвига частоты, вычислительный блок, блок сканирования, соединенный со светоделителями введены двухволновой полупроводниковый лазер, оптически связанный через светоделители и измеряемую дистанцию с гетеродинным фотоприемником, блок управления двухволновым лазером, соединенный с двухволновым лазером, при этом управляющий вход блока управления соединен с вычислительным блоком и реверсивный счетчик, вход которого соединен с гетеродинным фотоприемником, а выход - с вычислительным блоком. Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения расстояний, обусловленное тем, что измерение дальности осуществляется на двух различных длинах волн, а также за счет того, что при несимметричном сканировании обеспечивается точное измерение угла сканирования относительно перпендикуляра к измеряемой поверхности и учитывается его значение при вычислении дальности. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой представлена функциональная схема двухволнового доплеровского дальномера, и фиг. 2, на которой представлены векторные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит блок управления двухволновым лазером 1, двухволновой полупроводниковый лазер 2, светоделители 3, 4 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, гетеродинный фотоприемник 5,реверсивный счетчик 6, блок измерения доплеровского сдвига частоты 7, вычислительный блок 8, блок сканирования 9. В качестве излучателя дальномера используется двухволновой полупроводниковый лазер 3. Переключение длины волны генерации с 1 на 2 происходит при изменении тока инжекции с 1 на 2. Дальномер работает следующим образом. Блок управления двухволновым лазером запускает лазер 2 на длине волны 1. Двухволновой лазер направляет к измеряемой поверхности непрерывное оптическое излучение на длине волны 1, частота которого 1. Светоделители 3, 4 выделяют часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного оптического сигнала. Блок сканирования 9 осуществляет сканирование лучом лазера заданной поверхности в углес угловой скоростью , как показано на фиг. 2 а, б. Отраженное от поверхности оптическое излучение сдвигается по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровскую частоту 1, мгновенное значение которой имеет величину где- линейная скорость перемещения лазерного луча вдоль линии сканирования, - расстояние до точки падения лазерного луча,- угловая скорость сканирования, - скорость света, 1 - длина волны зондирующего излучения, /2 - угол между лазерным лучом и перпендикуляром к поверхности (фиг. 2). Отраженное оптическое излучение, имеющее доплеровский сдвиг частоты, с помощью светоделителя 4 совмещается с гетеродинным излучением и попадает в фотоприемник 5. В результате фотогетеродинирования на фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты 1, величина которого выражается формулой (1). Очевидно, что в процессе сканирования поверхности лазерным лучом, расстояние от лазера до точки падения лазерного лучабудет изменяться в соответствии выражением(2)/(/2),где- расстояние от лазера до сканируемой поверхности (фиг. 2). 2 88382012.12.30 Из (1), (2) выражение для мгновенного значения доплеровского сдвига частоты, регистрируемого блоком 5, будет иметь вид( / 2)12(3) 1 ( / 2) Выражение (3) показывает максимальное значение доплеровского сдвига частоты, когда угол /2 между лазерным лучом и перпендикуляром к поверхности имеет максимальное значение. Если лазерный луч направляется перпендикулярно к поверхности, то(/2)0, следовательно, доплеровский сдвиг будет равен нулю. В начале сканирования угол /2 имеет максимальное значение, доплеровская частота максимальная. Затем в процессе сканирования доплеровская частота постепенно уменьшается, достигает нулевого значения, когда угол равен нулю, и затем возрастает при увеличении угла. Среднее значение числа импульсов доплеровского сигнала за все время сканирования в углес угловой скоростьюможно определить следующим образом В блоке 7 измеряется число импульсов доплеровского сигнала, и его величина поступает в вычислительный блок 8, который определяет дальность до сканируемой поверхности на длине волныпо формуле 1( / 2)11. 4 1( / 2)Затем по сигналу с вычислительного блока двухволновой лазер переходит в режим генерации излучения на длине волны 2. Дальность, измеренная при работе лазера на длине волны 2, определяется аналогично 2( / 2)22,4 1( / 2)где 2 - число импульсов доплеровского сигнала на длине волны 2. Дальность до поверхности определяется по результатам измерения на двух различных длинах волн 12 .(8) 2 Повышение точности обеспечивается за счет учета фазы отраженного излучения при измерениях на двух длинах волн. Таким образом, зная угол сканирования и угловую скорость сканирования и определив число импульсов доплеровского сигнала, можно однозначно определить расстояние до поверхности. Однако не всегда удается обеспечить симметричное сканирование лазерного луча относительно перпендикуляра к поверхности. Вариант несимметричного сканирования показан на фиг. 2 б. В этом случае число импульсов доплеровского сигнала при сканировании от т. А до т. В не будет равно числу импульсов при сканировании от т. В до т. С. При работе лазера на длине волны 1 число импульсов доплеровского сигнала при сканировании от т. А до т. В будет равно 1 1(1 )4,1(1 )где 1 - угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к поверхности. 3 88382012.12.30 При сканировании от т.В до т.С число импульсов доплеровского сигнала будет равно 1 1(1 )4. 1(1 )Блок 7 измеряет суммарное значение числа доплеровских импульсовза время сканирования 1 1(1 ) 1(1 )4(1 )1(1 ) Реверсивный счетчик 6 также считает число доплеровских импульсов, при этом по сигналу с вычислительного блока счетчик 6 переключает режим счета с прямого на обратный в момент времени, когда исчезают импульсы доплеровского сигнала (когда лазерный луч перпендикулярен к поверхности). Следовательно, на нем будет вычисляться разностьсигналов (9) и (10)1 1(1 ) 1(1 )4(1 )1(1 ) Взяв отношение сигналов (11) и (12), получаем.(1 )2 (1 ) (1 )(1 )Как следует из формулы (13), отношениекне зависит от расстояния до поверхности, а определяется только величиной угла 1. Если 1/2 (симметричное сканирование), то 0, если 1/3, то 0,6, если 1, то 1. Следовательно, из отношениякможно определить является ли сканирование симметричным, и если нет, то однозначно определить точное значение угла 1. По величине угла 1 осуществляется вычисление дальности по следующей формуле 1 Таким образом, введение в устройство реверсивного счетчика позволило повысить точность измерений дальности при несимметричном сканировании за счет точного измерения угла сканирования относительно перпендикуляра к измеряемой поверхности, а использование в качестве источника излучения двухволнового лазера повышает точность за счет измерения дальности на двух длинах волн. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.