УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01C3/00 

Изобретение относится к геодезическому приборостроению и может быть использовано для измерения расстояния в маркшейдерии, геодезии, строительном деле.

Известен лазерный фазовый дальномер (авт.св. CCCP N 1462104, кл. G 01 C 3/03), содержащий последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, излучатель, отражатель, фотоприемник, преобразователь и блок измерения, фотоприемник опорного канала и преобразователь опорного канала и умножитель частоты, причем он снабжен блоком контроля частоты, подключенным к выходам преобразователя и кварцевого генератора, а выходом связанным с входом установки на "0" блока измерения.

Недостатком такого дальномера являются высокие требования к обеспечению синфазности фотоприемников, что наталкивается на значительные трудности при практической реализации устройства и не позволяет обеспечить высокую точность измерений.

Известен также лазерный дальномер (Маркшейдерские импульсные дальномеры и их применение. Ворковастов К.С., Щербатов В.М. М.: Изд-во ЦНИИ экономики и информации цветной металлургии, 1990, с.31-35), содержащий последовательно соединенные синхронизатор, блок обработки информации, блок выдачи информации и индикатор, последовательно соединенные блок управления генератором импульсов тока, высоковольтный блок, генератор импульсов тока и лазер, последовательно соединенные фотоприемное устройство, блок компараторов и измеритель временных интервалов, выход которого соединен с блоками обработки и выдачи информации.

В данном устройстве измерение временного интервала, пропорционального расстоянию до цели, производится методом прямого счета импульсов стабилизированного генератора.

Недостатком дальномера является низкая точность однократного измерения. Для уменьшения погрешности измерения дальности производятся последовательно 400 измерений и определяется среднее арифметическое значение расстояния. Кроме того контролируется характер информации по окончании каждого цикла измерения, и неудачный цикл измерения исключается.

Ближайшим к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство для измерения расстояния (авт.св. N 586701, кл. G 01 C 3/00), содержащее генератор масштабных частот, излучатель, коммутатор измерительного и опорного каналов, фотоприемник, гетеродин, усилитель-формиро- ватель и цифровой фазометр с генератором счетных импульсов, в устройство введены дополнительно электронный ключ, триггер, две схемы совпадения и генератор управляющих импульсов, причем выход триггера соединен с электронным ключом, а входы подключены к выходам схем совпадения, входы которых соединены с усилителем-формирователем и генератором управляющих импульсов.

В прототипе фазовые сдвиги принимаемого сигнала, пропорциональные измеряемому расстоянию, выделяются триггером. Надежное выделение обеспечивается при соотношении сигнал/шум на входе измерителя не менее 10.

При соотношении сигнал/шум, равном 5, т.е. при увеличении измеряемого расстояния, прототип становится неработоспособным. Для обеспечения работоспособности прототипа при больших расстояниях (при соотношении сигнал/шум до 10) необходимо значительно увеличивать избирательность цепей фотоприемника и усилителя-формирователя. Однако это приводит к увеличению крутизны фазовых характеристик перечисленных блоков, что, в свою очередь, снижает точность измерения за счет увеличения фазовых флуктуаций при измерении температуры, питающих напряжений и т.д. цепей фотоприемника и усилителя-формирователя.

Таким образом недостатком устройства-прототипа является низкая точность при измерении больших расстояний за счет снижения качества приема при больших соотношениях сигнал/шум.

Целью изобретения является повышение точности измерения расстояний.

С этой целью в устройство, содержащее генератор масштабных частот, излучатель, гетеродин, индикатор, последовательно соединенные коммутатор, фотоприемник, усилитель-формирователь, первый и второй логические элементы, первыми входами соединенные с выходом усилителя-формирователя, последовательно соединенные генератор импульсов, ключ и первый счетчик, причем выход гетеродина соединен с вторым входом фотоприемника, выход генератора масштабных частот соединен с входом излучателя, дополнительно введены второй счетчик, первый вход которого подсоединен к выходу ключа, решающий блок, времязадающий делитель, первый и второй регистры, информационные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, а выходы - с первым и вторым входами решающего блока, делитель частоты, входом подсоединенный к выходу генератора масштабных частот, а первым и вторым выходами - с вторыми входами первого и второго логических элементов соответственно, причем вход времязадающего делителя соединен с выходом генератора импульсов, а выходы - с управляющими входами коммутатора, ключа, первого и второго счетчиков, вторыми входами первого и второго регистров, решающего блока, выходы которого соединены с входом индикатора, выходы первого и второго логических элементов соединены с вторыми входами первого и второго счетчиков соответственно, а третьи входы первого и второго регистров соединены с выходами времязадающего делителя.

В предлагаемом устройстве фазовый сдвиг определяется сравнением количества счетных импульсов, проходящих с генератора импульсов через первый счетчик и первый регистр и второй счетчик и второй регистр на решающий блок, причем время прохождения импульсов на каждый вход определяется первым и вторым логическими элементами при перемножении обработанного входного сигнала синусной и косинусной составляющими опорного сигнала, выдаваемого делителем частоты.

Взаимное сравнение синусной и косинусной составляющих сигнала позволяет сохранять высокую точность устройства при отношении сигнал/шум на входе до единицы и менее.

Эквивалентная схема измерения фазового сдвига в предлагаемом устройстве соответствует оптимальному алгоритму измерителя фазы, приведенному в кн. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы, Изд-во Советское радио. М. : 1968, с. 379, 380. Данное измерение фазы характеризуется тем, что может выполняться при любом соотношении сигнал/шум на входе, в том числе при соотношении сигнал/шум меньше единицы. В прототипе же надежное измерение фазовых сдвигов обеспечивается только при больших соотношениях сигнал/шум, например до 10, а при дальнейшем уменьшении соотношения сигнал/шум случайные погрешности измерителя значительно увеличиваются. Погрешности триггерных фазометров рассмотрены, например, в книге Смирнов П.Т. Цифровые фазометры (Изд-во Энергия, Л. : 1974, с. 94-111), где на рис.34 (с. 111) приведены зависимости случайной погрешности измерения фазового сдвига для оптимального и цифрового триггерного фазоизмерителей от соотношения сигнал/шум на входе. Кроме того, в триггерных фазометрах при воздействии шумов возникает систематическая погрешность, величина которой зависит от соотношения сигнал/шум и измеряемого фазового сдвига. Эта погрешность значительно увеличивается с приближением фазового сдвига к точкам разрыва фазовой характеристики (0^о, 360^о) и достигает десятков градусов при соотношении сигнал/шум менее 5 (см. например, в кн. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Л.: Энергия, 1974, рис. 32).

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.3 - блок-схема алгоритма работы решающего блока.

Устройство содержит генератор 1 масштабных частот, излучатель 2, входом соединенный с выходом генератора 1 масштабных частот, последовательно соединенные коммутатор 3, фотоприемник 4 и усилитель-формирователь 5, гетеродин 6, выходом соединенный с вторым входом фотоприемника 4, генератор 7 импульсов, времязадающий делитель 9, входом соединенный с выходом генератора 7 импульсов, делитель 10 частоты, входом соединенный с выходом генератора 1 масштабных частот, последовательно соединенные решающий блок 11 и индикатор 12, а также два идентичных канала обработки сигнала, содержащие последовательно соединенные соответственно первый логический элемент 13 и второй логический элемент 14, первый счетчик 15 и второй счетчик 16, первый регистр 17 и второй регистр 18, вторые входы первого и второго логических элементов 13, 14 соединены с выходами делителя 10 частоты, первые входы первого и второго логических элементов 13, 14 соединены с выходом усилителя-формирователя 5, первые входы первого и второго счетчиков 15, 16 соединены с выходом ключа 8, вторые входы первого и второго регистров 17, 18 соединены с выходом времязадающего делителя 9, а выходы - с первым и вторым входами решающего блока 11, выходы времязадающего делителя 9 - с управляющими входами ключа 8, первого и второго счетчиков 15 и 16, первого и второго регистров 17 и 18, решающего блока 11, коммутатора 3, а выход излучателя 2 связан оптическим каналом с первым входом коммутатора 3.

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 масштабных частот вырабатывает высокочастотное колебание, которое модулирует излучатель 2. Модулированный световой поток может поступать двумя путями: непосредственно на первый вход коммутатора 3 и после отражения от объекта - на второй вход коммутатора 3.

Коммутатор 3 за счет команд, поступающих на управляющий вход с времязадающего делителя 9, поочередно подсоединяет к фотоприемнику 4 уходящий и пришедший сигналы.

Фотоприемник 4 преобразует эти сигналы к частоте F с помощью частоты подставки гетеродина 6, так что на вход усилителя-формирователя 5 поступают пачки синусоид с частотой F, преобразуемые в прямоугольные импульсы (фиг.2, эп. 1), поступающие на первые входы первого и второго логических элементов 13 и 14. Длительность пачек равна времени измерения и задается с времязадающего делителя 9.

На вторые входы первого и второго логических элементов 13 и 14 поступают импульсы с делителя частоты 10 (фиг.2, эп.2 и 3), частота которых равна частоте F измеряемого сигнала, а их взаимный сдвиг составляет четверть периода; импульсы являются опорными, относительно них определяется фазовый сдвиг сигнала с выхода коммутатора 3. Первый и второй логические элементы 13 и 14 реализуют функцию перемножения входных сигналов, результат (пачки импульсов) используется для управления работой счетчиков 15 и 16 (фиг.2, эп. 4 и 5).

Счетчики 15 и 16 принимают эти группы и определяют суммарное количество счетных импульсов в них, поступающих в течение времени, определяемого временем команды, поступающей на первые входы с ключа 8 (фиг.2, эп. 6).

На управляющие входы первого и второго счетчиков 15 и 16 поступают с времязадающего делителя 9 импульсы, приводящие счетчики 15 и 16 в исходное состояние (фиг.2, эп. 7).

В моменты времени t₂ происходит параллельная перезапись содержимого счетчиков 15, 16 в регистры 17, 18 и затем обнуление счетчиков (фиг.2, эп. 7, 8). Регистры 17, 18 могут быть выполнены сдвиговыми с параллельной записью и последующим последовательным сдвигом информации со счетчиков 15, 16 на входы решающего блока 11, так как время обработки, как правило, достаточно велико (фиг.2, эп. 10, 11, 9).

Импульсы (фиг.2, эп. 12) от времязадающего делителя 9 поступают на решающий блок 11, синхронизируя его работу.

Фазовый сдвиг, необходимый для определения расстояния, находится в решающем блоке как разность между фазовыми сдвигами, полученными в режиме измерения ϕ_п и калибровки ϕ_к (фиг.2, эп. 13), которые отличаются только положением коммутатора 3:
ϕ_р=ϕ_п-ϕ_к, причем ϕ_п и ϕ_к определяются как
ϕ_п,к= arctg , где А, В - числа, накопленные в счетчиках 15, 16 соответственно;
N - суммарное количество импульсов генератора 7 за время наблюдения t₂-t₁, const.

Расстояние определяется как
α = λ m + , где λ - длина волны;
m - целое число длин волн до объекта.

Длительность времени наблюдения t₂-t₁ и количество циклов измерения m определяются в конкретном случае, исходя из необходимой точности.

Реализация некоторых узлов. Генератор 1 масштабных частот представляет собой кварцевый генератор на частоту единицы - десятки мГц. Коммутатор 3 в простейшем случае может быть выполнен в виде механической заслонки объективов с отражающей внутренней поверхностью.

Фотоприемник 4 содержит кроме фотоэлемента с усилителем еще и смеситель на единицы - десятки мГц и фильтр на метрическую частоту (например, 10 кГц).

Усилитель-формирователь 5 представляет собой ограничитель и элементы, согласованные с логическими микросхемами.

Времязадающий делитель 9 выполнен либо на сдвиговых регистрах, либо на счетчиках, либо на счетчиках и ПЛМ (или ПЗУ). Временные диаграммы на его выходах приведены на фиг.2, эп. 7 - 12. Делитель 10 частоты построен так, что сигналы на его выходах равны по частоте, но сдвинуты на угол 90^о.

Решающий блок 11 может быть реализован на основе, например, контроллера УТК6А, описанного в журнале "Микропроцессорные средства и системы", N 1, 1989, с. 33-35. При этом сигнал с времязадающего делителя 9 подключается к входу КДО, сигналы с регистров 17, 18 - к входам КД1, КД2 соответственно. Поскольку индикатор 12 может быть выполнен цифровым, с динамическим управлением (динамическая индикация), то объединенная шина сегментов индикатора 12 через усилители подключается к выходам 1-УДО-1-УД7, а управление поджигом знакоместа через усилители подключается к выходам 2-УДО-2-УД7.

Таким образом, благодаря новым элементам и связям достигается повышение точности измерения расстояний на порядок и более по сравнению с прототипом при измерении расстояний от единиц метров до сотни метров.

В этом заключается технико-экономический эффект предлагаемого устройства.

Использование: для измерения расстояния в маркшейдерии, геодезии, горном деле. Сущность изобретения: устройство содержит генератор масштабных частот, излучатель, коммутатор, фотоприемник, усилитель-формирователь, гетеродин, генератор импульсов, ключ, времязадающий делитель, делитель частоты, решающий блок, индикатор, первый логический элемент, второй логический элемент, первый счетчик, второй счетчик, первый регистр, второй регистр. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее генератор масштабных частот, соединенный с входом излучателя, гетеродин, индикатор, последовательно соединенные коммутатор, фотоприемник, усилитель-формирователь, первый и второй логические элементы, первыми входами соединенные с выходами усилителя-формирователя последовательно соединенные генератор импульсов, ключ и первый счетчик, причем выход гетеродина соединен с вторым входом фотоприемника, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в устройство дополнительно введены второй счетчик, первый вход которого подсоединен к выходу ключа, решающий блок, времязадающий делитель, первый и второй регистры, информационные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, а выходы - с первым и вторым входами решающего блока, делитель частоты, входом подсоединенный к выходу генератора масштабных частот, а первым и вторым выходами - к вторым входам первого и второго логических элементов соответственно, причем вход времязадающего делителя соединен с выходом генератора импульсов, а выходы - с управляющими входами коммутатора, ключа, первого и второго счетчиков, вторыми входами первого и второго регистров решающего блока, выходы которого соединены с входом индикатора, выходы первого и второго логических элементов соединены с вторыми входами первого и второго счетчиков соответственно, а третьи входы первого и второго регистров соединены с выходами времязадающего делителя.