Способ определения дальности до объекта

(51) МПК 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 на поверхность объекта под произвольным начальным углом 1 к опущенному на нее перпендикуляру направляют излучение одной из рабочих длин волн 1 непрерывного двухволнового полупроводникового лазера, сканируют поверхность объекта указанным излучением с заданной угловой скоростьюв заданном угле , осуществляют гетеродинный прием отраженного от поверхности излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и измеряют количество импульсов 1 доплеровского сигнала за все время сканирования, переключают лазер в режим генерации излучения на его второй рабочей длине волны 2, направляют излучение на поверхность объекта под углом 1 к опущенному на нее перпендикуляру, сканируют ее указанным излучением с той же угловой скоростью в том же углеи измеряют количество импульсов 2 доплеровского сигнала за все время сканирования, в случае симметричного сканирования поверхности объекта относительно указанного перпендикуляра определяют искомую дальность 0 в соответствии с выражением 001 02 2,где 01 и 02 - предварительные значения искомой дальности, определенные в результате сканирования поверхности объекта излучением с длиной волны 1 и 2 соответственно, Фиг. 1 18657 1 2014.10.30 а в случае несимметричного сканирования определяют разность 1 количеств импульсов доплеровского сигнала, измеренных за время сканирования поверхности объекта в углах 1 и (-1) излучением с длиной волны 1, и аналогичную разность 2 количеств импульсов доплеровского сигнала, измеренных за время сканирования поверхности объекта в тех же углах излучением с длиной волны 2, затем из двух математических выражений вида 1, 2 1,2(1 )21 (1 )1 определяют два точных значения угла 1, соответствующих сканированию излучением с длинами волни, получают их усредненное значение 1 и определяют искомую 1 где 1 - количество импульсов доплеровского сигнала, измеренное при сканировании поверхности объекта излучением с длиной волны 1 в угле 1. Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и может использоваться в строительстве, монтаже крупных инженерных сооружений, а также для измерения небольших расстояний с высокой точностью, например, в технологических процессах. Известен лазерный дальномер 1, в котором принцип измерения дальности основан на измерении времени задержки лазерного излучения на дистанции. При этом для обеспечения высокой точности измерений необходимо измерять временные интервалы с точностью единицы - десятки пикосекунд. Недостатком 1 является невысокая точность измерения дальности, обусловленная влиянием амплитуды дистанционного сигнала на точность измерений. Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ измерения дальности до объекта 2, в котором поверхность объекта сканируют с заданной угловой скоростьюнепрерывным лазерным излучением длиной волны , осуществляют гетеродинный прием отраженного от поверхности излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и определяют искомую дальность 0 по числу импульсовдоплеровского сигнала за время сканирования. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения дальности в случае несимметричного сканирования, обусловленная неточным определением угла между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к поверхности. Задача изобретения - повышение точности измерения расстояний. Для решения поставленной задачи на поверхность объекта под произвольным начальным углом 1 к опущенному на нее перпендикуляру направляют излучение одной из рабочих длин волн 1 непрерывного двухволнового полупроводникового лазера, сканируют поверхность объекта указанным излучением с заданной угловой скоростьюв заданном угле , осуществляют гетеродинный прием отраженного от поверхности излучения,имеющего доплеровский сдвиг частоты, и измеряют количество импульсов 1 доплеровского сигнала за все время сканирования, переключают лазер в режим генерации излучения на его второй рабочей длине волны 2, направляют излучение на поверхность объекта под углом 1 к опущенному на нее перпендикуляру, сканируют ее указанным излучением с той же угловой скоростью в том же углеи измеряют количество импульсов 2 доплеровского сигнала за все время сканирования, в случае симметричного сканиро 2 18657 1 2014.10.30 вания поверхности объекта относительно указанного перпендикуляра определяют искомую дальность 0 в соответствии с выражением 001 0 2 ,2 где 01 и 02 - предварительные значения искомой дальности, определенные в результате сканирования поверхности объекта излучением с длиной волны 1 и 2 соответственно а в случае несимметричного сканирования определяют разность 1 количеств импульсов доплеровского сигнала, измеренных за время сканирования поверхности объекта в углах 1 и ( - 1) излучением с длиной волны 1, и аналогичную разность 2 количеств импульсов доплеровского сигнала, измеренных за время сканирования поверхности объекта в тех же углах излучением с длиной волны 2, затем из двух математических выражений вида 1, 2 1,2(1 )21 (1 )1 определяют два точных угла 1, соответствующих сканированию излучением с длинами волн 1 и 2, получают их усредненное значение 1 и определяют искомую дальность 0 в соответствии с выражением 101 1 1 1 где 1 - количество импульсов доплеровского сигнала, измеренное при сканировании поверхности излучением с длиной волны 1 в угле 1. 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. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, а на фиг. 2-4 - диаграммы, поясняющие его работу. Для реализации заявляемого способа используются двухволновой полупроводниковый лазер 1, светоделители 2, 3 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, гетеродинный фотоприемник 4, блок измерения доплеровского сдвига частоты 5, вычислительный блок 6, блок сканирования 7. В качестве излучателя дальномера используется двухволновой полупроводниковый лазер на основе асимметричной квантоворазмерной гетероструктуры 3. Переключение длины волны генерации с 1 на 2 происходит при изменении тока инжекции с 1 на 2. Дальномер работает следующим образом. Вычислительный блок запускает двухволновой лазер 1 на длине волны 1. Лазер направляет к измеряемой поверхности непрерывное оптическое излучение на длине волны 1, частота которого 1. Светоделители 2, 3 выделяют часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного оптического сигнала. Блок сканирования 7 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 121 ( / 2)2( / 2), 1 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). 18657 1 2014.10.30 Отраженное оптическое излучение, имеющее доплеровский сдвиг частоты, с помощью светоделителя 3 совмещается с гетеродинным излучением и попадает в фотоприемник 4. 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 с выражением(2)0/(/2) ,где 0 - расстояние от лазера до сканируемой поверхности (фиг. 2). Из (1), (2) выражение для мгновенного значения доплеровского сдвига частоты, регистрируемого блоком 5, будет иметь вид.12 01 ( / 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. Диаграмма изменения доплеровского сигнала при сканировании поверхности представлена на фиг. 3 а. Среднее значение числа импульсов доплеровского сигнала за все время сканирования в углес угловой скоростьюможно определить следующим образом В блоке 5 измеряется число импульсов доплеровского сигнала, и его величина поступает в вычислительный блок 6, который определяет дальность 0 до сканируемой области пространства поверхности по формуле 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 где 2 - число импульсов доплеровского сигнала на длине волны 2. Когерентный прием отраженного сигнала (фотогетеродинирование) позволяет учесть фазу отраженного оптического излучения. Так как длины волн 1, 2 различаются, то результаты вычисления дальности 01 и 02 также будут различаться. Дальность до поверхности определяется по результатам измерения на двух различных длинах волн(8)001 0 2 . 2 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 А до В будет не равно числу импульсов при сканировании от В до С(фиг. 3 б). При работе лазера на длине волны 1 число импульсов доплеровского сигнала при сканировании от А до В будет равно где 1 - угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к поверхности. При сканировании от В до С число импульсов доплеровского сигнала будет равно 1(1 )Блок измерения доплеровского сдвига частоты 5 измеряет суммарное значение числа доплеровских импульсовза все время сканирования 1 1 1 Реверсивный счетчик, расположенный в блоке 5, также считает число доплеровских импульсов, при этом по сигналу с вычислительного блока счетчик переключает режим счета с прямого на обратный в момент времени, когда исчезают импульсы доплеровского сигнала (когда лазерный луч перпендикулярен к поверхности, В фиг. 2, 3). Следовательно,на нем будет вычисляться разность 1 сигналов (9) и (10)(1 )1(1 ) Взяв отношение сигналов (11) и (12), получаем Как следует из формулы (13), отношение 1 к 1 не зависит от расстояния до поверхности, а определяется только величиной угла 1. График зависимости отношения 1 от величины угла 1 в диапазоне углов 10/2 при/10 представлен на фиг. 4. Из графика следует, что если 1/2 (симметричное сканирование), то 10, если 1/3, то 10,6, если 1, то 11. Следовательно, из отношения 1 к 1 можно определить, является ли сканирование симметричным, и если нет, то однозначно определить точное значение угла 1. Аналогичные измерения осуществляются на длине волны 2 2(1 )2 (1) (1 )(1 )По величине 2 определяется значение угла 1, вычисленное при работе лазера на длине волны 2. Получив усредненное значение угла 1 , по измерениям на двух различных длинах волн, дальность вычисляется по следующей формуле Таким образом, использование в качестве источника излучения двухволнового лазера повышает точность за счет измерения дальности на двух длинах волн, а также обеспечивает повышение точности измерения дальности при несимметричном сканировании за счет точного измерения угла сканирования относительно перпендикуляра к измеряемой поверхности. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.