Двухволновой рециркуляционный дальномер

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Двухволновой рециркуляционный дальномер, содержащий последовательно соединенные блок запуска, блок питания лазера, источник лазерного излучения, оптически связанный с последовательно соединенными фотоприемником, усилителем, компаратором с управляемым порогом, вычислительным блоком, выход которого соединен с первым входом блока запуска, а также логический элемент И и линию задержки, причем первый вход элемента И через линию задержки соединен со вторым входом элемента И, вторым входом блока запуска и выходом компаратора, а выход - с входом вычислительного блока выходы вычислительного блока соединены с входом управления порогом компаратора и входом управления блока питания лазера, отличающийся тем, что него введен амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход соединен с вычислительным блоком, при этом порог регистрации компаратора установлен на линейном участке фронта дистанционного импульса.(56) 1. А.с. СССР 1810753, МПК 01 С 3/08. Рециркуляционный дальномер / С.Д. Жарников, В.Л. Козлов, И.А. Малевич // Бюл.15. - 1993. 2. Патент РБ на изобретение 8172, МПК 01 С 3/08. Прецизионный рециркуляционный дальномер / В.Л. Козлов, 2006. 39942007.10.30 3..,А., Нага Т.-//-1991.- .59 5, . 504-507. 4. Г. Эберт. Краткий справочник по физике. - М. ГИФМЛ, 1963. - С.240-241. Полезная модель относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в геодезии, строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений. Известен лазерный дальномер 1, 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. Наиболее близким к предлагаемому устройству является лазерный дальномер 2, содержащий блок запуска, лазерный излучатель, приемник излучения, усилитель, триггер,линию задержки, элемент И, компаратор с управляемым порогом, вычислительный блок. Введение в устройство компаратора с управляемым порогом обеспечивает повышение точности измерения дальности за счет независимости результата измерений от амплитуды дистанционного импульса. Недостатком этого устройства является то, что повышение точности измерений достигается только в случае, если фронт импульса абсолютно линейный. Реальные импульсы не имеют точно линейного фронта. Поэтому для реальных импульсов повышение точности будет достигается только в случае, когда величина порога регистрации находится на линейном участке фронта импульса, т.е. в пределах 0,20,8 от амплитуды импульса . Если величина порога превысит 0,8 или опустится ниже 0,2 , то возникнет погрешность измерения дальности, обусловленная нелинейностью фронта дистанционного импульса. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения дальности двухволновым рециркуляционным дальномером за счет устранения погрешности измерения дальности, обусловленной нелинейностью фронта дистанционного импульса. Поставленная задача решается путем того, что в двухволновой рециркуляционный дальномер 2, содержащий последовательно соединенные блок запуска, блок питания лазера, источник лазерного излучения, оптически связанный с последовательно соединенными фотоприемником, усилителем, компаратором с управляемым порогом, вычислительным блоком, выход которого соединен с первым входом блока запуска, а также логический элемент И и линию задержки, причем первый вход элемента И через линию задержки соединен со вторым входом элемента И, вторым входом блока запуска и выходом компаратора, а выход - с входом вычислительного блока выходы вычислительного блока соединены с входом управления порогом компаратора и входом управления блока питания лазера, введен амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход соединен с вычислительным блоком, при этом порог регистрации компаратора установлен на линейном участке фронта дистанционного импульса. Сущность полезной модели заключается в реализации режима оптоэлектронной рециркуляции одновременно на двух длинах волн 1 и 2, что позволяет получить информацию о скорости распространения излучения на трассе и учесть ее значение при вычислении дальности и использовании компаратора с управляемым порогом для компенсации влияния различия амплитуд оптических импульсов на длинах волн 1 и 2 на точность измерений, при этом в отличие от прототипа повышение точности измерения дальности достигается за счет устранения погрешности измерения, обусловленной нели 2 39942007.10.30 нейностью фронта дистанционного импульса на начальном и конечном участках, путем введения в устройство амплитудного детектора и соответствующих функциональных связей с блоками дальномера. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит блок запуска 1, блок питания лазера 2, источник лазерного излучения 3,приемник излучения 4, усилитель 5, компаратор с управляемым порогом 6, вычислительный блок 7, элемент И 8, линию задержки 9, амплитудный детектор 10. В качестве источника излучения в дальномере используется полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн 3. Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени по сигналу с вычислительного блока 7 через блок запуска 1 блок питания лазера 2 формирует импульс тока амплитудой 2 для генерации лазера на длине волны 2. Прошедший измеряемую дистанцию и отраженный от объекта оптический импульс попадает на приемник изучения 4, усиливается усилителем 5, его амплитуда фиксируется амплитудным детектором 10 и ее значение передается в вычислительный блок 7. Сигнал с вычислительного блока устанавливает порог регистрации компаратора 6 в диапазоне 0,20,8, где- амплитуда дистанционного импульса, т.е. на линейном участке фронта импульса. Затем 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 6 и поступают в блок запуска 1, где формируются импульсы для очередного запуска лазера 3 и направления излучения на дистанцию. Информационные импульсы также поступают в вычислительный блок 7, который по каждому последующему импульсу запускает блок питания 2 и лазер 3 поочередно то на длине волны 1, то на длине волны 2. Следовательно, 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. 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 1-6. На дистанцию поочередно посылаются оптические импульсы на различных длинах волн 1 и 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,(1) где 2/ - время задержки излучения на дистанции,- длина измеряемой трассы,коэффициент преломления воздуха для данной длины волны рециркуляции, с - скорость света в вакууме,- время электрической задержки в блоках 1-5,- время задержки в компараторе 6. Время задержки в компараторе 6 будет равно 39942007.10.30 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., где . длительность задержки линии задержки 9. В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержек , и 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 запуска 1 и вычислительного блока 7 импульсов на различных длинах волн, что обеспечивает большую надежность работы системы. Линия задержки 9 конструируется с помощью известных технических средств, например интегральных логических элементов или отрезка коаксиального кабеля. Вычисление дальности производится следующим образом. Значение 12 также можно определить по разности оптических задержек(5)2 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)/(2- 1), оказывается постоянной и не зависит от условий окружающей среды. Из этой формулы следует тождество 21 01 0 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 4 39942007.10.30 в условиях измерений соответственно. Для удобства используем значения 0 и 0 при стандартных условиях окружающей среды, т.е.0 С и р 760 мм рт.ст. Эти значения рассчитываются из справочных данных и 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. Это обеспечивается сигналом с вычислительного блока 7. 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 при пороге компаратора , второй - при уменьшенном в два раза пороге р 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 , а другой с периодом рециркуляции 2 при пороге компаратора р 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(9)222 В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержек , и за число периодов рециркуляции 1 разность задержек станет равной 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 7, где регистрируется значение числа 1. Таким образом, время задержки импульса в компараторе 6 будет равно Так как частоту следования импульсов можно измерить более просто и с большей точностью, чем короткий временной интервал, то значениеопределяется по величине час тоты рециркуляции 2 при пороге 20,5 на длине волны 2 с учетом задержки импульса в компараторе. Из (1), (2), (10)(11) 0,5 122 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 1 на первом и втором этапах измерений могут быть равны ТТ 1. Отметим, что на втором этапе измере 5 39942007.10.30 ний 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. Введение в устройство амплитудного детектора обеспечивает установку порога регистрации компаратора в диапазоне 0,20,8, где- амплитуда дистанционного импульса, т.е. на линейном участке фронта импульса, что устраняет погрешность измерения дальности,обусловленную нелинейностью фронта дистанционного импульса на начальном и конечном участках фронта. Если фронт импульса линеен только, например, на участке 0,30,7, то порог регистрации следует устанавливать на этом участке. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6