ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2008 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к лазерной дальнометрии и может быть использовано для измерения расстояний до различных объектов на транспорте, в строительстве, машиностроении и других областях.

Известны лазерные дальномеры времяпролетного типа, в которых расстояние до объекта определяется по времени запаздывания отраженного от объекта светового сигнала [1]. Недостатком таких дальномеров является невысокая точность.

Известны лазерные дальномеры, измеряющие расстояние до объекта по изменению фазы непрерывного модулированного светового сигнала при прохождении им двойного измеряемого расстояния [2, 3]. Они характеризуются сложностью схемной реализации, которая увеличивается при повышении требований к точности измерений.

Известны также лазерные дальномеры, в которых расстояние до объекта определяется по изменению частоты отраженного сигнала [4, 5]. Основной недостаток дальномеров указанного типа обусловлен нелинейной частотной характеристикой источника излучения, что, в конечном итоге, ограничивает предельно достижимую точность измерений.

Наиболее близким устройством к заявляемому техническому решению является лазерный дальномер, включающий источник излучения, выполненный в виде полупроводникового лазера, канал управления источником излучения, содержащий генератор импульсов тока накачки и инвертор, канал калибровки, выполненный в виде поворотной призмы для ввода части излучения в устройство сравнения эталонного и отраженного сигналов, канал измерения, фотоприемник, частотомер и блок обработки данных [6]. Расстояние до объекта в указанном устройстве определяется по частоте следования световых импульсов, генерируемых лазером, значение которой зависит от расстояния до объекта, и по частоте калибровочного сигнала, соответствующей некоторому калиброванному расстоянию.

Недостатком указанного дальномера, принятого за прототип, является ограниченный динамический диапазон (диапазон измеряемого расстояния до объекта). Минимальная величина измеряемого расстояния составляет не менее 1 м, так как практически дальномер не может работать на частотах выше 150 МГц. Это обусловлено следующим. Измеряемая в указанном дальномере эталонная частота F_o (частота калибровки), соответствующая некоторому известному (калиброванному) расстоянию L_o, обратно пропорциональна суммарному времени распространения сигнала в оптическом тракте (поворотной призме) - τ₀, и во внутренних электрических цепях - τ_сх. Значение τ_сх можно оценить в 1 мкс, что соответствует некоторой эквивалентной длине L^экв _cx, которая в известном устройстве значительно больше калиброванного расстояния L_o, равного пути, проходимому светом в поворотной призме. Малая величина L_o обусловлена фактическим отсутствием в канале калибровки оптической линии задержки, поскольку поворотная призма ввиду своей малой длины (а реализовать указанный дальномер с поворотной призмой достаточно большой длины не представляется возможным) не может рассматриваться как линия задержки. Поэтому при процедуре калибровки, проводимой в устройстве-прототипе и заключающейся в измерении частоты F_o, соответствующей некоторому расстоянию L_o, даже при допущении, что τ₀<<τ_сх, погрешность измерения частоты F_o и, соответственно, измеряемого расстояния будет определяться, по крайней мере, значением τ₀.

Отметим, что выбор больших значений F_o нецелесообразен, поскольку при этом затрудняется реализация схемной части дальномера.

Отсутствие задержки отраженного от объекта сигнала в канале измерения может приводить к ситуации, когда при небольшой величине измеряемого расстояния частота отраженного от объекта сигнала F_c будет практически равна эталонной частоте F_o, что, в свою очередь, приведет к ухудшению точности измерений.

Максимальное измеряемое расстояние в известном дальномере определяется мощностью полупроводникового лазера, а другой тип лазера, например газоразрядный или твердотельный лазер, не представляется возможным использовать из-за сложности управления источником накачки на высоких частотах (около 10 МГц). Схема управления лазерным генератором в известном устройстве практически применима только к полупроводниковым лазерам, питание которых осуществляется невысоким напряжением (до 5 В). При включении и выключении, например, газоразрядного лазера приведенная схема управления неприменима, так как коммутация высоковольтного напряжения порядка 10-15 кВ с частотой несколько десятков мегагерц является очень сложной технической задачей.

Техническим результатом заявляемого устройства является расширение динамического диапазона лазерного дальномера с сохранением высокой точности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что лазерный дальномер, включающий источник излучения, генерирующий световые импульсы с эталонной частотой F_o и сигнальной частотой F_c, канал калибровки, канал измерения, фотоприемник, частотомер, канал управления источником излучения, содержащий инвертор и блок управления и питания, и блок обработки данных, при этом выход фотоприемника подсоединен к входам инвертора и частотомера, выход инвертора связан с первым входом блока управления и питания, а выход частотомера подключен к блоку обработки данных, снабжен первой оптической линией задержки, размещенной в канале калибровки, второй оптической линией задержки, размещенной в канале измерения, первым оптическим затвором, установленным в канале калибровки, вторым оптическим затвором, установленным в канале измерения, и таймером, при этом первый и второй выходы таймера подсоединены, соответственно, к первому и второму оптическим затворам, третий выход подключен ко второму входу блока управления и питания, первая и вторая оптические линии задержки выполнены в виде волоконных световодов, длины которых L_o и L_c, соответственно, выбираются из условия

а частоты F_c и F_o связаны с измеряемым расстоянием L соотношением

где с - скорость света, ΔF=F_c-F_o, n₀ - показатель преломления световодов, n_в - показатель преломления воздуха.

Источник излучения выполнен в виде лазера с модулированной амплитудой излучения.

Лазерный дальномер снабжен светоделительной пластиной, расположенной между источником излучения и первой оптической линией задержки.

Канал измерения снабжен приемной оптической системой для фокусировки отраженного от объекта излучения во вторую оптическую линию задержки, при этом приемная оптическая система выполнена в виде линзы со сквозным осевым отверстием, а входная линза второй оптической линии задержки расположена на оптической оси приемной оптической системы.

Волоконные световоды снабжены входными и выходными линзами.

Инвертор выполнен в виде логического элемента ИЛИ.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображен заявляемый лазерный дальномер.

Лазерный дальномер включает источник излучения с модулированной амплитудой излучения 1, выполненный в виде твердотельного или газового лазера, снабженного модулятором, который может быть выполнен в виде акусто-оптического затвора или ячейки Керра, или в виде полупроводникового лазера; светоделительную пластину 2, первую оптическую линию задержки 3, расположенную в канале калибровки, вторую оптическую линию задержки 4, расположенную в канале измерения и осуществляющую задержку отраженного от объекта сигнала, оптические затворы 5 и 6, подсоединенные, соответственно, к первому и второму выходам таймера 7 и размещенные, соответственно, перед первой и второй линиями задержки 3 и 4; приемную оптическую систему, выполненную в виде линзы 8 со сквозным осевым отверстием, фотоприемник 9, канал управления источником излучения 10, включающий инвертор 11, выполненный на логическом элементе ИЛИ, при этом вход инвертора 11 соединен с выходом фотоприемника 9, а выход подключен к первому входу блока управления и питания 12, второй вход которого соединен с третьим выходом таймера 7, а выход связан с источником излучения 1; частотомер 13, вход которого подключен к выходу фотоприемника 9, а выход связан с входом блока обработки сигнала 14. Первая и вторая оптические линии задержки 3 и 4 выполнены в виде волоконных световодов длиной L_o и L_c, соответственно. Для повышения точности измерений желательно выбрать длину первого световода 3 L_o, удовлетворяющей условию L_o=L^экв _cx, что соответствует значению эталонной частоты

Выбор требуемой длины L_o производится до начала работы дальномера, например, путем перебора нескольких световодов с различными длинами или посредством использования световода с изменяющейся оптической длиной (последний режим можно осуществить путем использования клина) или измерением интенсивности оптического излучения на различных участках световода по ходу распространения светового сигнала. Типичная длина волоконных световодов 3 и 4 с учетом фактических значений τ_cx в электрических цепях дальномера составляет 1-3 м, что позволяет компактно разместить световоды в пространстве (путем свертывания в кольцо, например, диаметром 15 см, и последовательного наложения колец друг на друга, аналогично пружине) и получить величину F_o меньше 100 МГц, что является вполне приемлемым с точки зрения реализации схемной части дальномера. Волоконные световоды 3 и 4 изготавливаются из кварцевого стекла или полимерного материала, и вблизи торцов световодов размещаются линзы для фокусировки излучения в канал световода. Входная линза 15 второй оптической линии задержки 4 расположена на оптической оси приемной оптической системы, что обеспечивает осевое расположение входа световода 4 по отношению к линзе 8. В этом случае не происходит смещения отраженного светового сигнала по отношению к входу световода 4, что способствует расширению динамического диапазона измеряемого расстояния. При приближении объекта происходит увеличение доли отраженного сигнала и одновременно увеличивается диаметр светового пятна, который становится больше диаметра входной апертуры световода 4, а величина входного сигнала остается практически постоянной во всем диапазоне измеряемых расстояний.

Расстояние между источником излучения 1 и светоделительной пластиной 2 выбирается равным расстоянию между светоделительной пластиной 2 и входной линзой световода 4. Это позволяет определить искомое расстояние L до объекта 16 как расстояние между источником излучения 1 и светоделительной пластиной 2.

Для корректировки ухода частоты при изменении окружающей температуры на входе световода 4 (перед линзой 15 или после нее) может быть установлен оптический клин.

Лазерный дальномер работает следующим образом. С таймера 7 на блок управления и питания 12 подается сигнал логической «1», включающий блок 12. В результате источник излучения 1 начинает генерировать световое излучение. Часть излучения посредством светоделительной пластины 2 направляется на вход световода 3 (в этом режиме посредством таймера 7 затвор 4 закрыт, затвор 3 открыт и отраженное от объекта 16 излучение не поступает на фотоприемник 9). Пройдя через световод 3, излучение попадает на фотоприемник 9. С выхода фотоприемника 9 электрический сигнал в виде логической «1» поступает на вход инвертора 11, который в этом случае вырабатывает на своем выходе сигнал логического «0». С выхода инвертора 11 сигнал логического «0» приходит на блок управления и питания 12, который прекращает генерацию излучения источником 1. Как следствие, на вход инвертора 11 спустя некоторое время, равное времени прохождения светом расстояния (L_o+L^экв _cx), поступает сигнал логического «0», и на выходе инвертора 11 формируется сигнал логической «1», приводящий к возобновлению генерации излучения источником 1. В результате возникает импульсная генерация с эталонной частотой F_o и частотомер 13 регистрирует последовательность световых импульсов с частотой F_o, обратно пропорциональной длине L_o световода 3. После измерения величины F_o в течение определенного промежутка времени, задаваемого таймером 7, открывается затвор 4 и закрывается затвор 3. С выхода фотоприемника 9 электрический сигнал в виде логической «1» поступает на вход инвертора 11, который в этом случае вырабатывает на своем выходе сигнал логического «0». С выхода инвертора 11 сигнал логического «0» приходит на блок управления и питания 12, который прекращает генерацию излучения источником 1. Как следствие, на вход инвертора 11 спустя некоторое время поступает сигнал логического «0», и на выходе инвертора 11 формируется сигнал логической «1», приводящий к возобновлению генерации излучения источником 1. В результате возникает импульсная генерация с сигнальной частотой F_c, регистрируемой частотомером 13. Частота F_c обратно пропорциональна суммарной длине L_с второй линии задержки 4, двойному расстоянию L от источника излучения 1 до объекта 16 и эквивалентной длине L^экв _cx.

Зондирующие световые импульсы с частотой F_c, отражаясь от светоделительной пластины 2, проходят через сквозное отверстие в объективе 8 к объекту 16. Размер сквозного отверстия в линзе 8 выбирается примерно равным диаметру лазерного пучка, формируемого излучателем 1. Отраженное от объекта 16 излучение собирается линзой 8 и фокусируется на входную апертуру световода 4 при помощи линзы 15. Прошедший по световоду 4 отраженный оптический сигнал поступает на фотоприемник 9. С помощью частотомера 13 измеряется частота F_c. В блоке обработки данных 14 рассчитывается разностная частота (F_c-F_o) и по измеренным данным и заранее известным величинам L_c, L_o, с, n₀ и n_в определяется по формуле (2) расстояние L до объекта 16.

Использование изобретения позволяет значительно расширить динамический диапазон и повысить точность измерений. В частности, при использовании в качестве источника излучения полупроводникового лазера, динамический диапазон измерения составляет, по оценкам авторов, от 30 см до 500 м.

Оценим точность измерений при работе заявляемого дальномера на минимальном и максимальном расстоянии. Абсолютная погрешность измерений может быть оценена с помощью следующей формулы:

Если время отклика электрической схемы дальномера не превышает 10 нс, что соответствует эквивалентной длине L^экв _cx ˜3 м, при работе на минимальном расстоянии, равном 30 см, частота F_o составит около 100 МГц, частота F_c может быть выбрана равной 90 МГц. При этих параметрах погрешность измерения δL_min не превышает 0,1 мм, а при работе на максимальном расстоянии δL_макс=1 мм.

Источники информации

1. Патент РФ №2140622, кл. G01C 3/08, 1999 г.

2. Патент США №6483595, НКИ 356/607, 2002 г.

3. Патент США №7023531, НКИ 356/5.01, 2006 г.

4. Патент США №6147638, НКИ 342/109, 2000 г.

5. Патент США №7139446, НКИ 385/12, 2006 г.

6. Патент РФ №2164005, кл. G01C 3/08, 2000 г. (прототип).

Лазерный дальномер содержит источник излучения, светоделительную пластину, первую оптическую линию задержки, расположенную в канале калибровки, вторую оптическую линию задержки, расположенную в канале измерения, первый и второй оптические затворы, размещенные перед первой и второй линиями задержки, соответственно, приемную оптическую систему, выполненную в виде объектива, фотоприемник, таймер, частотомер, канал управления источником излучения, содержащий инвертор и блок управления и питания, и блок обработки данных. Технический результат: расширение динамического диапазона лазерного дальномера с сохранением высокой точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лазерный дальномер, включающий источник излучения, выполненный в виде лазера, генерирующего световые импульсы с эталонной частотой F_o и сигнальной частотой F_c, светоделительную пластину, первую оптическую линию задержки, расположенную в канале калибровки, вторую оптическую линию задержки, расположенную в канале измерения, первый и второй оптические затворы, размещенные перед первой и второй линиями задержки, соответственно, приемную оптическую систему, выполненную в виде объектива, фотоприемник, таймер, частотомер, канал управления источником излучения, содержащий инвертор и блок управления и питания, и блок обработки данных, при этом излучение источника излучения посредством светоделительной пластины направляется на вход первой линии задержки и далее на фотоприемник, а отраженное от светоделительной пластины излучение проходит к объекту, отраженное от объекта излучение собирается объективом на входную апертуру второй линии задержки, пройдя которую поступает на фотоприемник, выход фотоприемника подсоединен к входам инвертора и частотомера, выход инвертора связан с первым входом блока управления и питания, а выход частотомера подключен к блоку обработки данных, первый и второй выходы таймера подсоединены, соответственно, к первому и второму оптическим затворам, третий выход подключен ко второму входу блока управления и питания, первая и вторая оптические линии задержки выполнены в виде волоконных световодов, длины которых L_o и L_c, соответственно, выбираются из условия

L_o≤L_c,

а частоты F_c и F_o связаны с измеряемым расстоянием L соотношением

,

где с - скорость света, ΔF=F_c-F_o, n₀ - показатель преломления световодов, n_в -показатель преломления воздуха.