ДИСПЕРСИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2009 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения больших расстояний в открытой атмосфере при геодинамических исследованиях.

Известен дисперсионный дальномер, содержащий аргоновый лазер, гелий-неоновый лазер, сервопривод, призму Волластона, модулятор света, два фотоумножителя, контур резонатора, дихроичное зеркало, компенсатор, контуры вычета эффекта мерцания, управляемый СВЧ-диод, счетчик частоты, основной генератор, опорный импульсный генератор, два синхронных детектора, управляемый по напряжению СВЧ-генератор [1].

В процессе работы данного устройства измеряются две оптические длины до уголкового отражателя на длине волны аргонового лазера и на длине волны гелий-неонового лазера. По измеренным двум оптическим длинам вычисляется корректированное геометрическое расстояние до уголкового отражателя, относительно слабо зависящее от атмосферных условий на трассе измерений.

Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения расстояния из-за применения оптического модулятора света на электрооптическом кристалле, который не позволяет точно измерять оптические длины на двух оптических несущих из-за температурных нестабильностей в кристалле, приводящих к различным направлениям распространения света с двумя различными длинами волн при нестабильных диаграммах направленности используемых лазеров [2, 3, 4]. Из-за погрешностей измерения оптических длин возникают погрешности определения корректированного геометрического расстояния.

Известен дисперсионный светодальномер, содержащий лазер на AIG:Nd с удвоением частоты, модулятор лазерного излучения, два кварцевых генератора с различающимися частотами, умножители частоты, делители частоты, передающий телескоп, приемный объектив, дихроичное зеркало, интерференционные фильтры, фотоприемники, интегрирующие цифровые фазометры, смесители частоты, цифровое табло, уголковый отражатель [5].

Устройство работает следующим образом. Измеряются оптические длины до уголкового отражателя на двух длинах волн λ₁ и λ₂. По известной зависимости показателя преломления от длины волны света можно определить групповой показатель преломления воздуха [5]

где D - измеряемое геометрическое расстояние, ΔL - измеренная разность оптических длин для двух длин волн света λ₁ и λ₂, n₀ - групповой показатель преломления воздуха в стандартных условиях для той длины волны λ₁, для которой предполагается вычислить n_гр, Δn₀ - разность групповых показателей преломления в стандартных условиях для λ₁ и λ₂, (ν₀ -1) - преломляющая способность водяного пара, равная (17,044-0,558/λ)·10^-6, причем Δν₀ - разность значений ν₀ для λ₁ и λ₂; Т, е - температура воздуха и давление водяных паров (мм рт. ст.) в точке расположения прибора. Как правило, вторым слагаемым в формуле (1) можно пренебречь. Поэтому уравнение (1) упрощается, и формула для определения геометрического расстояния выглядит следующим образом:

где L=D·n_гр - оптическая длина до уголкового отражателя.

Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения оптических длин из-за применения оптического модулятора света на электрооптическом кристалле, который не позволяет точно измерять оптические длины на двух оптических несущих из-за температурных нестабильностей в кристалле, приводящих к различным направлениям распространения света с двумя различными длинами волн при нестабильной диаграмме направленности используемого лазера; наличия нелинейного кристалла - удвоителя частоты, по-разному влияющего на оптические несущие. Применение двух фотоприемников также ведет к некоррелируемым ошибкам при смещении принимаемых лучей по фоточувствительным площадкам [6]. Из-за погрешностей измерения оптических длин возникают и погрешности определения корректированного геометрического расстояния.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения геометрических расстояний.

Указанный технический результат достигается тем, что в дисперсионный лазерный дальномер, содержащий лазер, передающий телескоп, приемный объектив, интерференционный фильтр, фотоприемник, уголковый отражатель, установленный на объекте, цифровое табло, при этом оптический выход передающего телескопа соединен с оптическим входом уголкового отражателя, оптический выход которого соединен с оптическим входом приемного объектива, оптический выход которого соединен с оптическим входом интерференционного фильтра, оптический выход которого соединен с оптическим входом фотоприемника, введены генератор импульсов, блок управления и тактирования, измеритель временных интервалов, измеритель длительности импульса, амплитудный детектор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, причем оптический выход лазера соединен с оптическим входом передающего телескопа, а вход соединен с выходом генератора импульсов и первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника, входом измерителя длительности импульса и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом измерителя длительности импульса, третий вход сумматора соединен с выходом измерителя временных интервалов, а выход сумматора соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока управления и тактирования, первый выход которого соединен с первым входом цифрового табло, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а третий выход блока управления и тактирования соединен со входом генератора импульсов.

На чертеже представлена блок-схема устройства, содержащая лазер 1, фотоприемник 2, интерференционный фильтр 3, передающий телескоп 4, приемный объектив 5, генератор импульсов 6, измеритель временных интервалов 7, измеритель длительности импульсов 8, амплитудный детектор 9, сумматор 10, блок управления и тактирования 11, аналого-цифровой преобразователь 12, цифровое табло 13, уголковый отражатель 14.

Устройство работает следующим образом. Полупроводниковый лазер 1 модулируется с помощью генератора импульсов 6 короткими импульсами ~0.1 псек. Импульс света передается с помощью передающего телескопа 4 на уголковый отражатель 14, установленный на объекте, который отражает его строго назад. После приемного объектива 5, интерференционного фильтра 3, фотоприемника 2, преобразующего световой импульс в электрический, происходит измерение временного интервала между передаваемым и принимаемым импульсом измерителем временных интервалов 7, измерение длительности пришедшего импульса измерителем длительности импульса 8 и его амплитуды амплитудным детектором 9. Эти три измеренные величины с весовыми коэффициентами подаются в сумматор 10, где получается напряжение пропорциональное измеряемому геометрическому расстоянию. Это напряжение преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 12 и выводится на цифровое табло 13. Блок управления и тактирования 11 синхронизирует работу устройства.

В данном устройстве для измерения расстояний используется тот факт, что при распространении короткого импульса в диспергирующей среде (атмосфере) происходит уширение длительности импульса, и оно тем больше, чем длиннее измеряемое расстояние и чем больше дисперсия воздуха, зависящая от атмосферных условий - температуры и давления. То есть измеритель временных интервалов фактически осуществляет измерение L в формуле (2), а измеритель длительности импульсов фактически осуществляет измерение ΔL в той же формуле (2). При длительности излученного импульса в 0.1 псек и при измеряемой трассе 10 км приемный импульс уширится примерно до 60 псек в силу нормальной дисперсии воздуха в видимом диапазоне длин волн. Причем, поскольку в данном устройстве нет ни модулятора света, ни кристалла-удвоителя, отсутствуют и ошибки измерения оптических длин, связанные с нестабильностями этих элементов. Поскольку в устройстве имеется только один фотоприемник, то отсутствуют ошибки, связанные с некоррелированностью смещений лучей света по фоточувствительным площадкам. Из- за лучшей точности измерения оптических длин на краях спектрального диапазона излученного импульса повышается и точность определения геометрической длины до у толкового отражателя.

Проведенные исследования заявляемого устройства показали, что его погрешность измерения расстояния 10 км в атмосфере составляет 1 мм, причем не требуется длительных усреднений результатов измерений (минуты, часы), что лучше и быстрее как минимум в 2 раза, чем в аналоге и прототипе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Применение лазеров. М.: Мир, 1974, стр.148.

2. Арманд Н.А. и др. Влияние нестабильности оптических диаграмм направленности лазеров на точность дисперсионной линии фазирования разнесенных генераторов. Изм. техника, 1991, №9, стр.33.

3. А.с. №1820212 А1, G01C 3/08.

4. Арманд Н.А. и др. Оценка точности измерения расстояний двухволновым методом. Радиотехника и электроника, 1991, №8, стр.1580.

5. Л.А. Аснис и др. Лазерная дальнометрия. М.: Радио и связь, 1995, стр.80.

6. Григорьевский В.И., Личманов А.А., Соколовский А.А, Яковлев Ю.О. О временной задержке высокочастотных модулирующих сигналов в лавинных фотодиодах, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/186.pdf, Электронный научный журнал.

Заявленное устройство относится к лазерным дальномерам. В данном устройстве для измерения расстояний используется тот факт, что при распространении короткого импульса в диспергирующей среде (атмосфере) происходит уширение длительности импульса, и оно тем больше, чем длиннее измеряемое расстояние и чем больше дисперсия воздуха, зависящая от атмосферных условий. Дальномер содержит лазер, фотоприемник, интерференционный фильтр, передающий телескоп, приемный объектив, генератор импульсов, измеритель временных интервалов, измеритель длительности импульсов, амплитудный детектор, сумматор, блок управления и тактирования, аналого-цифровой преобразователь, цифровое табло, уголковый отражатель. Технический результат: повышение точности измерения расстояний. 1 ил.

Дисперсионный лазерный дальномер, содержащий лазер, передающий телескоп, приемный объектив, интерференционный фильтр, фотоприемник, уголковый отражатель, установленный на объекте, цифровое табло, оптический выход передающего телескопа соединен с оптическим входом уголкового отражателя, оптический выход которого соединен с оптическим входом приемного объектива, оптический выход которого соединен с оптическим входом интерференционного фильтра, оптический выход которого соединен с оптическим входом фотоприемника, отличающийся тем, что в него введены генератор импульсов, блок управления и тактирования, измеритель временных интервалов, измеритель длительности импульса, амплитудный детектор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, причем оптический выход лазера соединен с оптическим входом передающего телескопа, а вход соединен с выходом генератора импульсов и первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника, входом измерителя длительности импульса и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом измерителя длительности импульса, третий вход сумматора соединен с выходом измерителя временных интервалов, а выход сумматора соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока управления и тактирования, первый выход которого соединен с первым входом цифрового табло, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а третий выход блока управления и тактирования соединен со входом генератора импульсов.