Прецизионный рециркуляционный дальномер

(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Прецизионный рециркуляционный дальномер, содержащий последовательно соединенные блок запуска, блок питания лазера, лазер, обеспечивающий генерацию на двух различных длинах волн и оптически связанный через измеряемую дистанцию с фотоприемником, а также триггер, неинвертирующий выход которого соединен со входом управления вычислительного блока, выполненного с возможностью измерения величин и разности периодов рециркуляции на двух указанных длинах волн и соединенного с блоком запуска, и линию задержки, соединенную выходом со входом логического элемента И, соединенного выходом с вычислительным блоком, отличающийся тем, что содержит соединенный с выходом фотоприемника усилитель, соединенный выходом со входом компаратора с управляемым порогом, выход которого соединен с информационными входами блока питания и вычислительного блока, с другим входом элемента И, входом линии задержки и с -входом триггера, инвертирующий выход которого соединен с его входом, а выходы вычислительного блока соединены с -входом триггера, входом управления блока питания и входом управления порогом компаратора, причем блок питания выполнен с возможностью формирования первого лазерного импульса на меньшей из используемых длин волн, а второго - на большей. 8172 1 2006.06.30 Изобретение относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в геодезии, строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений. Известен лазерный дальномер 1, содержащий блок запуска, излучатель, приемник излучения, усилитель, линию задержки. Принцип измерения дальности основан на измерении частоты оптоэлектронной рециркуляции лазерного излучения. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является лазерный дальномер 2,содержащий блок запуска, лазерный излучатель, приемник излучения, усилитель, триггер,линию задержки, элемент И, вычислительный блок. В системе реализуется режим рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на дистанции и учесть ее значение при вычислении дальности. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная зависимостью от амплитуды дистанционного импульса. Задача изобретения - повышение точности измерения дальности. Поставленная задача решается путем того, что в устройство 2, содержащее блок запуска, блок питания, лазерный излучатель, приемник излучения, усилитель, триггер, линию задержки, элемент И, вычислительный блок, вводится компаратор с управляемым порогом, а также осуществляются соответствующие функциональные связи с блоками и алгоритм работы системы. В качестве источника излучения в дальномере используется полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн 3. На фигуре представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит блок запуска 1, блок питания лазера 2, источник лазерного излучения 3, приемник излучения 4, усилитель 5,триггер 6, вычислительный блок 7, элемент И 8, линию задержки 9, компаратор с управляемым порогом 10. Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени по сигналу с вычислительного блока 7 блок запуска 1 формирует два импульса, разнесенные во времени на интервал. Блок питания лазера 2, управляемый сигналом с вычислительного блока 7, формирует амплитуды импульсов тока 1 и 2 для поочередной генерации лазера на длинах волн 1 и 2. Оптические импульсы от лазера 3 на длинах волн 1 и 2 последовательно направляются на измеряемую дистанцию, отражаются от объекта, попадают на приемник изучения 4, усиливаются усилителем 5, регистрируются компаратором 10 и поступают в блок питания 2, где формируются импульсы для очередного запуска лазера 3 и направления излучения на дистанцию. Триггер 8 переключается по -входу информационными импульсами с выхода компаратора 10, причем импульс на длине волны 1 переключает триггер в состояние лог.1, а импульс на длине волны 2 - в лог.0. Это происходит благодаря введению обратной связи с инверсного выхода триггера на -вход. Выход триггера соединен с входом управления блока 7, который при сигнале лог.0 на входе управления по информационному импульсу запускает блок питания 2 и лазер 3 на длине волны 1, а при сигнале лог.1 - на длине волны 2. Таким образом, зарегистрированный импульс на длине волны 1 запускает через блок 2 лазер на длине волны 1, а импульс на длине волны 2 - запускает лазер на 2. Порог регистрации импульсов компаратором 10 устанавливается сигналом с вычислительного блока 7 и может быть как одинаковым для последовательностей импульсов на 1 и 2, так и различаться, причем изменение порога происходит с каждым последующим информационным импульсом. Таким образом, при замкнутой петле оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции, периодкоторой определяется оптической задержкой излучения на дистанции при постоянной электрической задержке в блоках 2, 3, 4, 5, 10. На дистанцию поочередно посылаются оптические импульсы на различных длинах волн 1 и 2 8172 1 2006.06.30 2, поэтому в устройстве реализуется режим оптико-электронной рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн. Период рециркуляции на длинах волн 1, 2 будет определяться следующим образом,где 2/ - время задержки излучения на дистанции,- длина измеряемой трассы, - коэффициент преломления воздуха для данной длины волны рециркуляции,- скорость света в вакууме,- время электрической задержки в блоках 2, 3, 4, 5,- время задержки в компараторе 10. Время задержки в компараторе 10 будет равно где р - порог срабатывания компаратора,- амплитуда импульсов, пришедших с дистанции, ф - длительность фронта импульса. Так как скорость распространения оптического излучения в воздухе зависит от длины волны, причем 12 (12), то задержка в излучения с длиной волны 1 будет больше,чем с 2. Разность оптических задержек за один период рециркуляции равняется где- измеряемое расстояние, с - скорость света в вакууме, 1, 2 - коэффициенты преломления воздуха на длинах волн 1 и 2 в условиях измерений. Следовательно, рециркулирующие импульсы на длине волны 1 будут сдвигаться во времени относительно импульсов на длине волны 2 каждый период рециркуляции на величину , т.е. импульсы на длине волны 2 будут догонять импульсы на длине волны 1. Для фиксации момента накопления разности временных задержек до величины Т в устройстве используется элемент И 8 и линия задержки 9. В начальный момент запуска системы импульсы на длинах волн 1 и 2 разнесены во времени на интервал, гдедлительность задержки линии задержки 9. В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержеки за число периодов рециркуляцииразность задержек станет равной Т, т.е. импульсы на длинах волн 1 и 2 совпадут во времени на входах элемента И 8 и на его выходе появится сигнал, поступающий в вычислительный блок 7. После того, как число периодов рециркуляции станет равным/, система заканчивает первый этап измерений, в котором измеряется разность задержекизучения на длинах волн генерации двухволнового лазера 1 и 2. Разностьравняется Линия задержки 9 используется для того, чтобы исключить одновременное появление на входе блока питания 2 и вычислительного блока 7 импульсов на различных длинах волн, что обеспечивает большую надежность работы системы. Хотя излучение на обеих оптических длинах волн 1 и 2 генерируются в одном лазере, для получения генерации требуются разные амплитуды токов накачки, поэтому и амплитуды оптических импульсов в общем случае могут различаться, что может дать дополнительную погрешность при измерении дальности. Влияние этой погрешности устраняется следующим образом. При калибровке системы на нулевом расстоянии периоды рециркуляции на длинах волн 1 и 2 должны быть равны. Если вследствие различия амплитуд оптических импульсов периоды рециркуляции на длинах волн 1 и 2 не равны,3 8172 1 2006.06.30 то при калибровке необходимо соответствующим образом изменить пороги регистрации для каждой последовательности импульсов до тех пор, пока периоды рециркуляции не сравняются на нулевой дальности. Переключение порогов компаратора 10 происходит автоматически по сигналу с вычислительного блока 7 при поступлении каждого последующего импульса. Это обеспечит независимость результата измерений величины(скорости распространения лазерного излучения на дистанции) от разности амплитуд оптических импульсов на длинах волн 1 и 2 на первом этапе измерений. Вычисление дальности производится следующим образом. Значение 1 - 2 также можно определить по разности оптических задержек где- время задержки на дистанции излучения с длиной волны 2. Используя (3), (4) и (5), получаем формулу для расчета дальности (подставляя отношение / из формулы (5) в формулу (6), получаем тождество) В выражении (6) имеются четыре неизвестных , , 2 и . Значения 2 иможно рассчитать на основании справочных данных, в частности как международный стандарт для дисперсии воздуха утверждена формула из справочника 4. Как следует из 4, если заданы две длины волны излучения 1 и 2, то обратная относительная дисперсия воздуха,равная отношению (1-1)/(21), оказывается постоянной и не зависит от условий окружающей среды. Из этой формулы следует тождество 2 10 1 где 0, 2 - показатели преломления воздуха на длине волны 2 при стандартной температуре (значение берется из справочника) и в условиях измерений соответственно 0,разности показателей преломления на длинах волн 1 и 2 при стандартной температуре и в условиях измерений соответственно. Для удобства используем значения 0 и 0 при стандартных условиях окружающей среды, т.е.0 С и 760 мм рт.ст. Эти значения рассчитываются из справочных данных и их величины заносятся в память вычислительного блока 7 для последующего расчета дальности. На основании (7) формула для расчета дальности приобретает вид Значениеопределяется по величине частоты (периода) рециркуляции. Как следует из формулы (1), значение периода рециркуляции зависит не только от времениоптической задержки излучения на дистанции, но и от задержки срабатывания компаратора, т.е. от амплитуды импульса. Учет влияния задержки срабатывания компаратора (амплитуды импульса) на погрешность измерений производится на втором этапе измерений следующим образом. После определения числалазер работает только на длине волны 2. При этом триггер 6 постоянно находится в состоянии лог.1. Это обеспечивается сигналом с вычислительного блока 7 по -входу триггера. Так же как и на первом этапе измерений по сигналу с вычислительного блока 7, блок запуска формирует два импульса на длине волны 2, разнесенные во времени на интервал 1. Первый импульс регистрируется 4 8172 1 2006.06.30 при пороге компаратора , второй - при уменьшенном в два раза пороге 20,5. Затем импульсы с компаратора поступают на вход блока питания лазера. Порог компаратора управляется сигналом с вычислительного блока 7 и изменяется поочередно после регистрации каждого последующего дистанционного импульса. Таким образом, при замкнутой петле оптической обратной связи в системе устанавливается два процесса рециркуляции,один с периодом 2 при пороге компаратора ,другой - с периодом рециркуляции 2 при пороге компаратора 20,5. Так как задержки в компараторе 7 при разных порогах будут не равны, то будут не равны периоды рециркуляции 22. Разность периодов 2 - 2, полученная из выражений (1), (2), будет равна В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержеки за число периодов рециркуляции 1 разность задержек станет равной Т 11, т.е. как и на первом этапе импульсы совпадут во времени на входах элемента И 8 и на его выходе появится сигнал, поступающий в вычислительный блок 6, где регистрируется значение числа 1. Таким образом, время задержки импульса в компараторе 10 будет равно Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точностью, чем короткий временной интервал, то значениеопределяется по величине частоты рециркуляции 2 при пороге 20,5 на длине волны 2 с учетом задержки импульса в компараторе. Из (1), (2), (10) С учетом (4), (8), (11) формула для расчета дальности приобретает вид Время электрической задержкиопределяется при калибровке системы на нулевом расстоянии. В общем случае временные сдвиги между импульсами Т и Т 1 на первом и втором этапах измерений могут быть равны ТТ 1. Отметим, что на втором этапе измерений принципиально не обязательно уменьшать порог компаратора именно в два раза, необходимо просто уменьшить порог и сделать равным 2, где 0,20,9. При этом в расчетной формуле (12) вместо множителя 0,5 должен стоять множитель (1-). В формуле вычисления дальности (12) третий член в квадратных скобках учитывает влияние на результат измерений амплитуды дистанционного импульса, а четвертый член скорости распространения излучения на дистанции. Как видно из формулы (12), в нее не входят амплитуда дистанционных импульсов, величина порога компаратора, длительность фронта импульса, поэтому при вычислении дальности точность измерений не будет зависеть от амплитуды и длительности фронта импульса, и порога компаратора. Кроме того,одновременное изменение амплитуды дистанционных импульсов на длинах волн 1 и 2,обусловленное, например, изменением параметров окружающей среды, задымленностью,изменением параметров приемно-передающего тракта и т.п., не будет влиять на точность измерений, что повышает надежность работы системы и улучшает точность измерений. 8172 1 2006.06.30 Таким образом, реализация режима оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности, а введение в устройство компаратора с управляемым порогом обеспечивает повышение точности измерения дальности за счет компенсации влияния различия амплитуд оптических импульсов на длинах волн 1 и 2 на точность измерений и за счет независимости результата измерений от амплитуды дистанционного импульса. 1. Патент США 3645624, МПК 01 С 3/08, 1973. 2. А. с. СССР 1810753, МПК 01 С 3/08, 1993. 3..,А., Нага Т.-//. . .-1991. - . 59. -5. - . 504-507. 4. Эберт Г. Краткий справочник по физике. - М. ГИФМЛ, 1963. - С. 240-241. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.