Способ определения дальности до объекта

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения дальности до объекта, в котором модулированное прямоугольными сигналами тактового генератора лазерное излучение посылают на измеряемую дистанцию, принимают отраженное от объекта излучение, одновременно обрабатывают принятый сигнал двумя синхродетекторами, тактовый сигнал для второго из которых сдвинут вперед на четверть его периода относительно тактового сигнала для первого, и определяют искомую дальностьв зависимости от знаков выходных сигналов первого синхродетектора 1 и второго синхродетектора 2 в соответствии с выражением где 0, если 1 и 2 - положительные величины 2, если 1 и 2 - отрицательные величины- период всех сигналов тактового генератора- скорость света,либо в соответствии с выражением 13549 1 2010.08.30 Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и может использоваться в строительстве, монтаже крупных инженерных сооружений, а также для измерения небольших расстояний с высокой точностью. Известно устройство для приема инфракрасного излучения 1, содержащее оптическую систему с приемником излучения, усилитель, синхродетектор с интегратором, сумматор. В этом устройстве за счет использования синхронного детектирования обеспечивается выделение информационного сигнала из шума и повышение точности измерения амплитуды сигнала. Недостатком этого устройства является невозможность его использования в лазерных дальномерах для измерения задержки излучения на дистанции. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является светодальномер 2, 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, а также значительное влияние амплитуды дистанционного сигнала на точность измерений. Задача изобретения - повышение точности измерений и расширение диапазона измеряемых расстояний. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для измерения расстояний с высокой точностью при монтаже крупных инженерных сооружений, для измерения уровня жидкости в сосудах большого объема, для решения технологических задач, где требуется высокая точность измерения дальности. Поставленная задача решается путем того, что в способе измерения дальности 2, заключающемся в модуляции тактовым генератором лазерного излучения, посылке его на измеряемую дистанцию, приеме отраженного излучения, обработке дистанционного сигнала с помощью синхродетектора и определении дальности путем измерения разности фаз между дистанционным сигналом и сигналом опорного генератора, дистанционный сигнал одновременно обрабатывают вторым синхродетектором со сдвинутой на /2 фазой тактового сигнала, а искомую дальностьопределяют в зависимости от знаков выходных сигналов первого синхродетектора 1 и второго синхродетектора 2 в соответствии с выражением где 1, если 1 - отрицательная, а 2 - положительная величина 3, если 1 - положительная, а 2 - отрицательная величина. Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, следующие повышение точности измерения достигается за счет независимости результата измерения дальности от амплитуды дистанционного сигнала повышение точности измерения дальности достигается за счет улучшения отношения сигнал/шум на выходе измерительного тракта дальномера, что позволяет повысить точность измерений при малом отношении сигнал/шум 13549 1 2010.08.30 расширение диапазона измеряемых расстояний достигается за счет улучшения отношения сигнал/шум на выходе измерительного тракта дальномера, что позволяет регистрировать сигналы, отраженные от объектов, находящихся на больших расстояниях. На фиг. 1 представлена функциональная схема дальномера, реализующего заявляемый способ измерений, а на фиг. 2 - графические материалы, поясняющие его работу. Для реализации заявляемого способа используются тактовый генератор 1, лазер 2, фотоприемник 3, первый синхродетектор 4, второй синхродетектор 5, вычислительный блок 6. 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 равноз/2,(1) где- скорость света, з - разность задержек фазы сигнала на дистанции и тактового генератора. 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. Лазер 2 посылает на измеряемую дистанцию импульсы оптического излучения. Задержанные на дистанции на время з 2/ оптические импульсы регистрируются фотоприемником 3 и поступают на первый синхродетектор 4 и второй синхродетектор 5. График зависимости выходных сигналов синхродетекторов от времени задержки сигнала на дистанции з представлен на фиг. 2, где штриховой линией показана форма модулирующего сигнала, 1 - выходной сигнал первого синхродетектора 4, 2 - выходной сигнал второго синхродетектора 5. Из графика видно, что так как тактовые импульсы для синхродетектора 5 сдвинуты по фазе относительно тактовых импульсов для синхродетектора 4 на /2 (четверть периода ), то выходной сигнал первого синхродетектора 1 максимален при з 0, а выходной сигнал второго синхродетектора 2 максимален при зТ/4. Для прямоугольного модулирующего сигнала выходной сигнал первого синхродетектора 1 на интервале задержек на дистанции от 0 до /4 равен 4 з 1 д,где д - амплитуда дистанционного сигнала,- период тактового генератора, з - время задержки на дистанции. На выходе второго синхродетектора 5 на интервале задержек на дистанции от 0 до /4 сигнал 2 будет равен 4 з 2 д.Из формул (2), (3) определяется задержка сигнала на дистанции на интервале от 0 до Т/4, которая будет равна 2( 12 )4 Из графика на фиг. 2 следует, что, зная величину и знаки сигналов с синхродетекторов 1 и 2, можно однозначно определить время задержки сигнала на дистанции з в преде 3 13549 1 2010.08.30 лах периода модуляции . Время задержки в зависимости от знаков 1 и 2 определяется следующим образом на интервале задержек на дистанции от 0 до /4 2 з,(4) 12 4 при этом 1 - положительное и 2 - положительное на интервале задержек на дистанции от Т/4 до Т/2 1,(5) 4 12 4 при этом 1 - отрицательное и 2 - положительное на интервале задержек на дистанции от /2 до 3/4 2,(6) 2 12 4 при этом 1 - отрицательное и 2 - отрицательное на интервале задержек на дистанции от 3/4 до 3 1,(7) 4 12 4 при этом 1 - положительное и 2 - отрицательное. Сигналы с выходов синхродетекторов 4, 5 поступают в вычислительный блок 6, где производится вычисление дальности следующим образом. Из формул (4)-(7) определяется задержка сигнала на дистанции, а дальность определяется в зависимости от знаков сигналов 1 и 2 в соответствии с выражением где 1, если 1 - отрицательная величина, а 2 - положительная величина 3, если 1 - положительная величина, а 2 - отрицательная величина. Как видно из полученных формул, при использовании двух каналов синхронного детектирования результат вычисления дальности не зависит от амплитуды дистанционного сигнала д. Таким образом, использование двух каналов синхронного детектирования со сдвинутой на /2 фазой тактового сигнала обеспечивает возможность применять синхродетектор для измерения задержки излучения на дистанции в лазерной дальнометрии. Это обеспечивает независимость результата измерения дальности от амплитуды сигнала, а также позволяет выделить информационный оптический сигнал на фоне шума, следовательно,улучшить отношение сигнал/шум и таким образом повысить точность измерения дальности при малом отношении сигнал/шум, а также расширить диапазон измеряемых расстояний. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.