СВЕТОДАЛЬНОМЕР Российский патент 2001 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к дальнометрии и может быть использовано в геодезии, строительстве, и т.д. для измерения расстояний до труднодоступных объектов (по диффузно отраженному излучению) или удаленных объектов (по зеркально-отраженному излучению от уголковых отражателей).

Известно устройство (cм. Журнал "Оптико-механическая промышленность", 1970 г, N 6, стр. 27-29), включающее полупроводниковый лазер, высокочастотный модулятор, фазовый детектор, приемник. Измерение расстояний в данном устройстве осуществляется с помощью фазового детектора по запаздыванию фазы промодулированного с глубиной модуляции m лазерного излучения.

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве необходимость высокочастотной модуляции импульсов малой длительности приводит к серьезному усложнению аппаратуры, повышает массогабаритные характеристики из-за неполного использования мощности излучения на величину m/m+1.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является светодальномер, содержащий полупроводниковый лазер с генератором тока накачки, приемник излучения (см. Сборник статей, посвященный 80-летию со дня рождения акад. А.А. Лебедева под ред. Мирошникова М. М. - Л. : Машиностроение, 1973, стр. 273-274), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся сложность конструкции, использование в качестве приемника габаритного ФЭУ резонансных усилителей, гетеродина.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Существует несколько типов светодальномеров:
а) импульсно-компактные устройства, измеряемые расстояния по времени запаздывания отраженных световых сигналов от объекта измерения, но имеющие небольшую точность измерения дальности - не менее 1 м.

б) импульсно-фазовые - сложные устройства, измеряемые дальность по запаздыванию фазы модулированного света при прохождении им двойного измеряемого расстояния, при этом точность измерения составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров (см. Сборник статей, посвященный 80-летию со дня рождения акад. А.А. Лебедева под ред. Мирошникова М.М. - Л.: Машиностроение, 1973, стр. 266).

Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства, сочетающею в себе компактность и простоту импульсного светодальномера и высокую точность измерения, свойственную импульсно-фазовому светодальномеру.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в импульсном светодальномере, содержащем полупроводниковый лазер, генератор импульсов тока накачки, поворотную призму для ввода части излучения в устройство сравнения для калибровки дальномера, приемник излучения, инвертор и частотомер, при поступлении ни вход генератора импульсов тока накачки сигнала с выхода приемника, полупроводниковый лазер переходит в режим генерации световых импульсов излучения с частотой Fc, которая связана с измеряемым расстоянием L соотношением
L = с(F_о-F_с)/4·F_o·F_c. - Lo, (1)
где с - скорость света, F_о - опорная частота, пропорциональная калиброванному расстоянию L_o, причем для уменьшения среднеквадратической ошибки измерения амплитуды сигналов, пропорциональные измеряемым L и калиброванным L_о расстояниям, уравниваются.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - фрагмент электрической схемы генератора импульсов тока накачки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Импульсный светодальномер включает в себя полупроводниковый лазер 1, питание которого осуществляется генератором тока накачки 2, передающий объектив 3 для коллимирования излучения, поворотную призму 4 для ввода части излучения в устройство сравнения с целью калибровки устройства непосредственно перед измерением расстояния, устройства сравнения 5 компараторного типа, частотомера 6 (может использоваться портативный частотомер), исполнительного механизма для ввода поворотной призмы в зону излучения, приемного объектива 8, фотоприемника 9, усилителя 10 отраженного сигнала, инвертора 11.

Устройство работает следующим образом.

После подачи питания на генератор импульсов тока накачки 1 (фиг. 1) и отсутствия сигнала с фотоприемника 9 (например, устройство направлено на бесконечно удаленный объект или полностью задиафрагмированно) па выходе инвертора 11 присутствует положительный уровень и транзистор VTI открыт (фиг. 2), при этом открывается и транзистор VT2 и через полупроводниковый лазер VD1 течет ток, и он начинает излучать. Излучение полупроводникового лазера 2 коллимируется передающим объективом 3 и направляется на объект, расположенный на расстоянии L.

Отраженное от объекта излучение попадает на приемный объектив 8, фокусируется и попадает на фотоприемник 9, усиливается в усилителе 10 и через инвертор 11 поступает на вход генератора импульсов тока накачки 1 (на базу транзистора VTI - фиг. 2). Транзисторы VT1 и VT2 закрываются, полупроводниковый лазер VD1 перестает излучать, следовательно, на выходе фотоприемника 9 и усилителя 10 сигнал отсутствует, а на выходе инвертора 11 присутствует положительный уровень и транзисторы VT1 и VT2 открываются. Полупроводниковый лазер 2 начинает излучать.

В устройстве возникает последовательность импульсов генерации с частотой F_c, пропорциональная расстоянию до измеряемого объекта, которая фиксируется частотомером 6.

Для калибровки устройства перед каждым измерением с целью исключения влияния схемы на время задержки сигнала во внутренних цепях часть излучения с помощью поворотной призмы 4 направляется в устройство сравнения 5, где сравнивается с амплитудой отраженного сигнала. Уравнение амплитуд опорного и отраженного сигнала происходит по мере ввода поворотной призмы в зону излучения с помощью исполнительного механизма 7. После выравнивания амплитуд опорного и отраженного сигналов излучение с выхода передающего объектива 3 через поворотную призму 4 направляется непосредственно на приемный объектив 8, попадает на фотоприемник 9, усиливается в усилителе 10 и через инвертор 11 поступает на вход генератора импульсов тока накачки 1. Транзисторы VT1 и VT2 закрываются, полупроводниковый лазер VDI перестает излучать, на выходе фотоприемника 9 и усилителя 10 сигнал отсутствует, а на выходе инвертора 11 присутствует положительный уровень и транзисторы VT1 и VT2 открываются. Полупроводниковый лазер 2 начинает излучать.

В устройстве возникает последовательность импульсов генерации с частотой F_o, пропорциональная калиброванному расстоянию L_o, которая фиксируется частотомером 6.

В конкретном варианте макетного образца импульсного светодальномера использовался полупроводниковый лазер ИЛПН-236 с мощностью излучения 15 мВт и длиной волны излучения λ = 670 нм, фотоприемник ЛФД-2. Для обеспечения узконаправленного излучения с расходимостью 0,5 мрад в качестве передающего объектива использовалась градиентная линза с фокусным расстоянием 7 мм. Фокусное расстояние приемного объектива 40 мм, относительное отверстие 1: 1,5. Питание устройства 5 - 6 В от двух литиевых элементов "Блик-2".

Габариты (без частотомера) 155х30х80 мм; вес 350 г. Портативный частотомер подключался с помощью коаксиального кабеля к выходному разъему устройства.

Точность измерения дальности по уголковому отражателю, расположенному на расстоянии 100 м, составила 1 см.

Оценим теоретически реализуемую точность измерения заявленного устройства в пределах расстояний порядка 100 м. Формулу для оценки точности получим, продифференцировав выражение (1).

δL = с/4 · F_c^-2 · δF (2)
При F_о = 10⁶ Гц и F_с = 0,4 ... 0,5·10⁶ Гц и точности измерения частоты δ F 0,1 Гц частотомером, получим значение δ L 0,5 мм.

Изобретение используется в геодезии, строительстве и т.д., для измерения расстояний до труднодоступных объектов по диффузно отраженному излучению или удаленных объектов по зеркально отраженному излучению от уголковых отражателей. Светодальномер содержит лазер, генератор, приемник излучения, частотомер, инвертор, поворотную призму для ввода части излучения в устройство сравнения. Измеряют частоту Fc импульсов излучения, возникающих при подаче на вход генератора импульсов тока накачки полупроводникового лазера сигнала с выхода приемника, причем частота Fc связана с измеряемым расстоянием L соотношением L = с (Fo - Fc)/4 · Fo · Fc - Lo, где с - скорость света; Fo - опорная частота, пропорциональная калиброванному расстоянию L_o. Точность измерения расстояния существенно превышает точность импульсного дальномера и приближается к точности измерения импульсно-фазового дальномера при значительно меньших весогабаритных характеристиках. 2 ил.

Светодальномер, содержащий полупроводниковый лазер, генератор импульсов тока накачки, приемник излучения и частотомер, отличающийся тем, что содержит поворотную призму для ввода части излучения в устройство сравнения для калибровки светодальномера и инвертор, при этом полупроводниковый лазер выполнен с возможностью перехода в режим генерации световых импульсов излучения с частотой F_с при подаче на вход генератора импульсов тока накачки сигнала с выхода приемника через инвертор, причем F_c связана с измеряемым расстоянием L соотношением
L = c(F_o - F_c)/4F_o · F_c - L_o,
где с - скорость света;
F_o - опорная частота, пропорциональная калиброванному расстоянию L_o.