Дальномер на синхродетекторе

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Дальномер на синхродетекторе, содержащий задающий генератор, фотоприемник, соединенный с первым и вторым синхродетекторами, которые через первый и второй интеграторы соответственно соединены с вычислительным блоком, а первый и второй тактовые выходы задающего генератора соединены соответственно с первым и вторым синхродетекторами, отличающийся тем, что в него введены двухволновой полупроводниковый лазер, оптически связанный через измеряемую дистанцию с фотоприемником, и блок управления двухволновым лазером, соединенный с двухволновым лазером, при этом управляющий вход блока управления соединен с вычислительным блоком, а тактовый вход - с задающим генератором. Полезная модель относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в геодезии, строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений. Известен светодальномер 1, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель, лазер и фотоприемник, соединенный последовательно с усилителем, смесителем, фазоизмерительным устройством, блоком вычисления и индикации, а также гетеродин, соединенный с другим входом смесителя и с задающим генератором. Недостатком этого дальномера является невысокая точность измерений при низком отношении сигнал/шум на выходе фотоприемника. 89142013.02.28 Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является светодальномер 2, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, лазер и фотоприемник, соединенный с первым и вторым синхродетекторами, которые через первый и второй интеграторы соответственно соединены с вычислительным блоком, а первый и второй тактовые выходы задающего генератора соединены соответственно с первым и вторым синхродетекторами. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная зависимостью скорости распространения излучения на дистанции от температуры, давления и т.п. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения расстояний. Поставленная задача решается путем того, что в дальномер на синхродетекторе, содержащий задающий генератор, фотоприемник, соединенный с первым и вторым синхродетекторами, которые через первый и второй интеграторы соответственно соединены с вычислительным блоком, а первый и второй тактовые выходы задающего генератора соединены соответственно с первым и вторым синхродетекторами, введены двухволновой полупроводниковый лазер, оптически связанный через измеряемую дистанцию с фотоприемником, и блок управления двухволновым лазером, соединенный с двухволновым лазером, при этом управляющий вход блока управления соединен с вычислительным блоком, а тактовый вход - с задающим генератором. Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения расстояний, обусловленное тем, что, благодаря использованию в качестве источника излучения двухволнового лазера, обеспечивается возможность производить измерения дальности на двух различных длинах волн, что позволяет учесть значение скорости распространения излучения на трассе при вычислении дальности. Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежа, на котором представлена функциональная схема дальномера на синхродетекторе. Устройство содержит тактовый генератор 1, двухволновой полупроводниковый лазер 2, фотоприемник 3, первый синхродетектор 4, второй синхродетектор 5, первый интегратор 6, второй интегратор 7, вычислительный блок 8, блок управления двухволновым лазером 9. Принцип измерения основан на фазовом способе измерения дальности, в котором фаза оптического сигнала, прошедшего измеряемое расстояние, сравнивается с фазой сигнала тактового генератора. При этом полагается, что фаза сигнала тактового генератора соответствует нулевой дальности. Измеряемое расстояние в этом случае будет равно,2 где- скорость света в вакууме,- разность задержек фазы сигнала на дистанции и тактового генератора,- показатель преломления воздуха на длине волны излучения лазера. 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. Для измерения разности фаз тактового и дистанционного сигналов используется синхронный детектор с интегратором. Использование синхронного детектирования позволяет выделить информационный оптический сигнал на фоне шума, следовательно, улучшить отношение сигнал/шум и таким образом повысить точность измерения дальности и расширить диапазон измеряемых расстояний. Тактовый генератор 1 формирует прямоугольные импульсы типа меандр для модуляции лазерного излучения, посылаемого на дистанцию. Генератор 1 также формирует тактовые импульсы для работы синхродетекторов 4, 5, причем тактовые импульсы для синхродетектора 5 сдвинуты по фазе на /2 (четверть периода ) относительно тактовых импульсов для синхродетектора 4. Блок управления двухволновым лазером запускает лазер 2 на длине волны 1, и генерируемые импульсы оптического излучения посылаются на измеряемую дистанцию. Задержанные 2 89142013.02.28 на дистанции на время 1 оптические импульсы регистрируются фотоприемником 3 и поступают на первый синхродетектор 4 и второй синхродетектор 5, а затем интегрируются первым интегратор 6 и вторым интегратором 7 соответственно. Как следует из принципа работы синхродетектора, его выходной сигнал максимален,когда фаза дистанционного сигнала равна фазе тактового сигнала. Если фаза дистанционного сигнала не равна фазе тактового сигнала, то выходной сигнал синхродетектора будет пропорционально уменьшаться в зависимости от разности фаз тактового и дистанционного сигналов. Для прямоугольного модулирующего сигнала выходной сигнал первого синхродетектора 11 на длине волны 1 на интервале задержек на дистанции от 0 до /4 равен 4 1 где д - амплитуда дистанционного сигнала,- период тактового генератора, 1 - время задержки на дистанции. На выходе второго синхродетектора на интервале задержек на дистанции от 0 до /4 сигнал 21 и будет равен 4 121 Из формул (2), (3) определяется задержка сигнала на дистанции на интервале от 0 до/4, которая будет равна 211( 112 1 )4 Сигналы с выходов интеграторов 6, 7 поступают в вычислительный блок 8, где производится вычисление дальности следующим образом. Из формулы (4) определяется задержка сигнала на дистанции, а дальность, измеренная при работе лазера на длине волны 1, определяется в зависимости от величины задержки на дистанции, а следовательно,знаков сигналов 11 и 21 по следующему алгоритму если 11 - положительное, 21 - положительное, 0,11 - отрицательное, 21 - отрицательное,2, по формуле где- период тактового генератора. Как видно из полученных формул при использовании двух каналов синхронного детектирования результат вычисления дальности не зависит от амплитуды дистанционного сигнала д. Затем двухволновой лазер переходит в режим генерации излучения на длине волны 2. Дальность, измеренная при работе лазера на длине волны 2, определяется аналогично если 12 - положительное, 22 - положительное,0,12 - отрицательное, 22 - отрицательное,2, по формуле Так как скорость распространения излучения в воздухе зависит от длины волны, причем 21, то задержка на дистанции излучения на длине волны 2 будет больше, чем на 1. Разность оптических задержексоставляет 2(21 ) 2 где- измеряемое расстояние,- скорость света в вакууме, 1 и 2 - показатели преломления воздуха на длинах волн 1 и 2 соответственно. Используя (1), (9), получаем тождество 1 где 121 - разность показателей преломления на длинах волн 2 и 1 в условиях измерений. Можно показать, что если заданы две длины волны излучения 1 и 2, то обратная относительная дисперсия воздуха, равная отношению (11)/(21), оказывается постоянной независимо от условий окружающей среды 1101,(11)10 где 0 - показатель преломления воздуха на длине волны 1 при стандартной температуре,0 - разность показателей преломления на длинах волн 1 и 2 при стандартной температуре. Для удобства используем значения 0 и 0 при стандартных условиях окружающей среды,0 С и 760 мм рт. ст. Эти значения можно найти из справочных данных. Тогда на основании соотношений (4-11) получаем окончательную формулу для расчета дальности 110(21 ) ,(12)0 где 1 - дальность, измеренная при работе лазера на длине волны 1, 2 - дальность, измеренная при работе лазера на длине волны 2. Из формулы (12) следует, что по разности дальностей, измеренных на различных длинах волны, в системе учитываются дисперсионные свойства атмосферы в зависимости от температуры, давления и т.п. Таким образом, использование в качестве источника излучения двухволнового лазера дает возможность производить измерения дальности на двух различных длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4