ОПТИЧЕСКИЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01C3/00 G01C3/06 

Изобретение относится к приборам получения информации о дальности до препятствий посредством оптических средств, например до проводов, линий электропередач, опор, столбов, деревьев и т.д.

Известен оптический дальномер, включающий оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера, выход которого сообщен с узлом сканирования луча, причем, данный узел также связан с оптической приемной системой, сообщенной с фотопреобразователем, связанным с видеоусилителем, выход которого подключен к первому входу блока измерения временных интервалов, выход которого связан с блоком индикации. (Патент США N 4613231, опубликован 23.09.86).

При работе такого дальномера имеет место значительная ошибка измерения.

Наиболее близким к заявленному в части дальномера является оптический дальномер, включающий оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера, выход которого сообщен с узлом сканирования луча, причем данный узел также связан с оптической приемной системой, сообщенной с фотопреобразователем, связанным с видеоусилителем, выход которого посредством компаратора подключен к первому входу блока измерения временных интервалов, выход которого связан с блоком индикации, синхронизатор, выход которого посредством модулятора подключен к соответствующему входу лазера, имеющего устройство оптической накачки, входу компаратора и тактовым входам блока измерения временных интервалов. (Патент США N 4620788, опубликован 04.11.86).

Следует отметить, что при работе такого дальномера невозможно добиться высокого, порядка нескольких сантиметров на расстоянии в сотни и тысячи метров, разрешения, которое требуется для решения большинства задач, поскольку это требует настолько высокого быстродействия отдельных элементов, добиться которого в настоящее время не представляется возможным даже с использованием экспериментальных образцов интегральных микросхем.

Техническим результатом настоящей разработки является реализация его высокой разрешающей способности наряду с низким уровнем стоимости устройства относительно аналогичных устройств аналогичного класса точности.

Данный технический результат достигается за счет того, что оптический дальномер, включающий оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера, выход которого сообщен с узлом сканирования луча, причем данный узел также связан с оптической приемной системой, сообщенной с фотопреобразователем, связанным с видеоусилителем, выход которого посредством компаратора подключен к первому входу блока измерения временных интервалов, выход которого связан с блоком индикации, синхронизатор, выходы которого посредством модулятора подключены к соответствующему входу лазера, имеющего устройство оптической накачки, входу компаратора и тактовым входам блока измерения временных интервалов, снабжен схемой выделения фронта сигнала, дифференцирующим звеном, N-канальным аналоговым запоминающим устройством, N элементами задержки, мультиплексором, аналого-цифровым преобразователем и вычислительным блоком, причем выход видеоусилителя через дифференцирующее звено подключен ко всем информационным входам N-канального аналогового запоминающего устройства, выходы которого связаны с соответствующими входами мультиплексора, а выход последнего посредством аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу вычислительного блока, сообщенного с блоком индикации, а его управляющие выходы связаны с соответствующими входами мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя, а выход схемы выделения фронта сигнала подключен ко второму входу блока измерения временных интервалов и через соответствующий K-й элемент задержки подключен к соответствующему K-му управляющему входу аналогового запоминающего устройства, где K = 1, ..., N.

Наряду с этим блок измерения временных интервалов может быть выполнен в виде счетчика адреса и счетчика частоты, тактовые входы которых связаны с выходами синхронизатора, а выход счетчика адреса записи подключен к адресному входу первого запоминающего устройства, шина данных которого подключена к разрядной шине счетчика частоты, а выход связан с соответствующим входом второго запоминающего устройства, к тактовому входу которого подключен соответствующий выход синхронизатора, причем, выход второго запоминающего устройства является выходом блока измерения временных интервалов, а счетный вход счетчика адреса записи и управляющий вход записи первого запоминающего устройства являются соответственно первым и вторым входами блока измерения временных интервалов.

Причем, вычислительный блок может быть выполнен в виде микропроцессора.

Кроме того, схема выделения фронта сигнала может быть выполнена в виде по крайней мере двух блоков дифференцирования сигнала, включенных последовательно, к выходу последнего из которых подключен блок формирования импульса при смене полярности продифференцированного сигнала.

На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического дальномера, на фиг. 2 - схема блока измерения временных интервалов, на фиг. 3 - общий вид схемы выделения фронта сигнала.

Оптический дальномер включает оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера 1, выход которого сообщен с узлом 2 сканирования луча, причем данный узел 2 также связан с оптической приемной системой 3, сообщенной с фотопреобразователем 4, связанным с видеоусилителем 5, выход которого посредством компаратора 6 подключен к первому входу блока 7 измерения временных интервалов, выход которого связан с блоком индикации 8, синхронизатор 9, выходы которого посредством модулятора 10 подключены к соответствующему входу лазера 1, имеющего устройство оптической накачки 11, входу компаратора 6 и тактовым входам блока 7 измерения временных интервалов. Дальномер также имеет схему 12 выделения фронта сигнала, дифференцирующее звено 13, N-канальное аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 14, N элементов 15 задержки, мультиплексор 16, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17 и вычислительный блок 18. При этом выход видеоусилителя 5 через дифференцирующее звено 13 подключен ко всем информационным входам N-канального аналогового запоминающего устройства 14, выходы которого связаны с соответствующими входами мультиплексора 16, а выход последнего посредством аналого-цифрового преобразователя 17 подключен к информационному входу вычислительного блока 18, сообщенного с блоком индикации 8, а его управляющие входы связаны с соответствующими входами мультиплексора 16 и аналого-цифрового преобразователя 17, а выход схемы 12 выделения фронта сигнала подключен ко второму входу блока 7 измерения временных интервалов и через соответствующий K-й элемент задержки 15 подключен к соответствующему K-му управляющему входу аналогового запоминающего устройства 14, где K = 1, ..., N.

При этом блок измерения временных интервалов 7 может быть выполнен в виде счетчика адреса записи 19 и счетчика частоты 20, тактовые входы которых связаны с выходами синхронизатора 9, а выход счетчика адреса записи 19 подключен к адресному входу первого запоминающего устройства (ЗУ) 21, выполненного в виде быстродействующего ЗУ, шина данных которого подключена к разрядной шине счетчика частоты 20, а выход связан с соответствующим входом второго запоминающего устройства 22, выполненного в виде ЗУ с большим объемом памяти, к тактовому входу которого подключен соответствующий выход синхронизатора 9, причем выход второго запоминающего устройства 21 является выходом блока измерения временных интервалов 7, а счетный вход счетчика адреса записи 19 и управляющий вход записи первого запоминающего устройства 21 являются соответственно первым и вторым входами блока измерения временных интервалов 7. Для миниатюризации дальномера вычислительный блок 18 может быть выполнен в виде микропроцессора или микропроцессорного комплекта, в который входит и блок памяти и соответствующие блоки ввода-вывода информации. Кроме того, схема 12 выделения фронта сигнала может быть выполнена в виде по крайней мере двух блоков 23 дифференцирования сигнала, включенных последовательно, к выходу последнего из которых подключен блок 24 формирования импульса при смене полярности продифференцированного сигнала.

Оптический дальномер работает при этом следующим образом. Твердотельный лазер 1 с постоянно работающим устройством оптической накачки 11 и модулированной добротностью излучает световые импульсы, поступающие на узел сканирования 2 и далее на объект - изучаемую местность. Отраженные импульсы, например, от линий электропередач, проводов, деревьев, столбов и т.д. через этот узел 2 и оптическую приемную систему 3 поступают на фотопреобразователь 4 и далее на видеоусилитель 5. С его выхода сигнал, проходя через дифференцирующее звено 13, получается более "острым", т.е. происходит формирование сигнала, более привязанного к фронту отраженного сигнала или амплитудным перепадам этого сигнала. Продифференцированный сигнал поступает на все информационные входы АЗУ 14. Параллельно с выхода видеоусилителя 5 сигнал поступает на компаратор 6, где ограничивается по уровню и далее посредством схемы 12 выделения фронта сигнала, несколько раз (по меньшей мере дважды) дифференцируется блоками 23, что позволяет до предела "обострить" фронт огибающей видеосигнала и посредством блока 24 сформировать импульс при смене полярности полученного продифференцированного сигнала, который поступает через элементы задержки 15 на управляющие входы АЗУ 14, причем, этот сигнал поступает через первый элемент задержки 15 на первый управляющий вход АЗУ 14, через второй элемент 15 - на второй управляющий вход АЗУ 14 и так далее до N-го входа. Таким образом, на накопительных емкостях АЗУ 14 имеется заряд, пропорциональный мгновенной амплитуде видеосигнала, полученной в момент наличия максимального изменения фронта видеосигнала, что характеризует множественные отражения от предметов, находящихся на пути сканирования. Посредством мультиплексора 16 эти сигналы поступают на АЦП 17 и далее поступают на вход вычислительного блока 18, который по месту расположения максимальных сигналов по сравнению с тактовой частотой и известной скоростью распространения света определяет (как в аналоге и прототипе) дальность до отражающего предмета или цели. Эта информация с блока 18 может отображаться на блоке 8 отображения информации. Описанный канал является каналом высокоточного определения расстояния.

В случае приближенного измерения расстояния информация с компаратора 6, соответствующая переднему фронту видеосигнала, поступает на вход счетчика адреса записи 19, на тактовый вход которого и тактовый вход счетчика частоты поступают высокочастотные сигналы с синхронизатора, который также управляет работой модулятора 10. С выхода схемы 12 сформированный короткий импульс поступает на управляющий вход быстродействующего ЗУ 21 с малым объемом памяти, шина данных которого связана с разрядной шиной счетчика частоты 20, на счетный вход которого поступает последовательность счетных импульсов от синхронизатора 9, начало счетного цикла счетчика 20 совпадает с передним фронтом зондирующего импульса и записанное в ЗУ 21 показание счетчика в момент формирования измерительного импульса оказывается пропорциональным дальности до первой имеющейся неоднородности. При глубоком обзоре при поступлении с компаратора 6 импульсов на счетный вход счетчика 19 фронтом каждого измерительного импульса производится запись не только показания счетчика 20 в ЗУ 21, но также и формируется новый адрес ячейки ЗУ 21, в которую будет записано показание счетчика 20 в момент прихода следующего измерительного импульса, в результате чего за каждый кадр зондирования в ЗУ 21 будут записаны дальности до всех неоднородностей, после чего информация переписывается в ЗУ 22 с большим объемом памяти и средним быстродействием для разгрузки ЗУ 21 и последующей обработки полученной информации, отображаемой на блоке 8 отображения информации. Таким образом, для получения информации с более грубой шкалой служит блок 7, а для получения большей информации с более высокой разрешающей способностью по дальности служит цепочка из звена 13, АЗУ 24, мультиплексора 16, АЦП 17 и вычислительного блока 18.

Использование оптического дальномера дает возможность с высокой точностью регистрировать дальность до исследуемого предмета или группы предметов.

Изобретение относится к приборам получения информации о дальности до препятствий посредством оптических средств. Оптический дальномер включает оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера, выход которого сообщен с узлом сканирования луча; данный узел также связан с оптической приемной системой, сообщенной с фотопреобразователем, связанным с видеоусилителем, выход которого посредством компаратора подключен к первому входу блока измерения временных интервалов. Выход синхронизатора посредством модулятора подключен к соответствующему входу лазера, имеющего устройство оптической накачки. Дальномер снабжен схемой выделения фронта сигнала, дифференцирующим звеном, N-канальным аналоговым запоминающим устройством, N элементами задержки, мультиплексором, аналого-цифровым преобразователем и вычислительным блоком. Это позволяет также увеличить точность дальномера. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический дальномер, включающий оптическую излучающую систему, выполненную в виде лазера, выход которого сообщен с узлом сканирования луча, причем данный узел также связан с оптической приемной системой, сообщенной с фотопреобразователем, связанным с видеоусилителем, выход которого посредством компаратора подключен к первому входу блока измерения временных интервалов, выход которого связан с блоком индикации, синхронизатор, выходы которого посредством модулятора подключены к соответствующему входу лазера, имеющего устройство оптической накачки, входу компаратора и тактовым входам блока измерения временных интервалов, отличающийся тем, что он снабжен схемой выделения фронта сигнала, дифференцирующим звеном, N-канальным аналоговым запоминающим устройством, N элементами задержки, мультиплексором, аналого-цифровым преобразователем и вычислительным блоком, причем выход видеоусилителя через дифференцирующее звено подключен ко всем информационным входам N-канального аналогового запоминающего устройства, выходы которого связаны с соответствующими входами мультиплексора, а выход последнего посредством аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу вычислительного блока, сообщенного с блоком индикации, а его управляющие выходы связаны с соответствующими входами мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя, а выход схемы выделения фронта сигнала подключен ко второму входу блока измерения временных интервалов и через соответствующий К-й элемент задержки подключен к соответствующему К-му управляющему входу аналогового запоминающего устройства, где К = 1, ..., N. 2. Оптический дальномер по п.1, отличающийся тем, что блок измерения временных интервалов выполнен в виде счетчика адреса записи и счетчика частоты, тактовые входы которых связаны с выходами синхронизатора, а выход счетчика адреса записи подключен к адресному входу первого запоминающего устройства, шина данных которого подключена к разрядной шине счетчика частоты, а выход связан с соответствующим входом второго запоминающего устройства, к тактовому входу которого подключен соответствующий выход синхронизатора, причем выход второго запоминающего устройства является выходом блока измерения временных интервалов, а счетный вход счетчика адреса записи и управляющий вход записи первого запоминающего устройства являются соответственно первым и вторым входами блока измерения временных интервалов. 3. Оптический дальномер по п.1, отличающийся тем, что вычислительный блок выполнен в виде микропроцессора. 4. Оптический дальномер по п.1, отличающийся тем, что схема выделения фронта сигнала выполнена в виде по крайней мере двух блоков дифференцирования сигнала, включенных последовательно, к выходу последнего из которых подключен блок формирования импульса при смене полярности продифференцированного сигнала.