Лазерный фазовый дальномер Российский патент 2017 года по МПК G01C3/08 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, для измерения расстояния до различных предметов, используется в геодезии, строительстве, топографии, области вооружений.

Известен лазерный дальномер (патент РФ №2343413 C1, G01C 3/08, заявл. 03.04.2007). Лазерный дальномер содержит первый импульсный полупроводниковый лазер, формирующую оптическую систему, генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов, ключевую схему, приемную оптическую систему, фотоприемник, считывающее устройство и индикатор. Недостатком данного лазерного дальномера является большая погрешность измерения (0,5-1 м в лучших дальномерах), присущая всем импульсным лазерным дальномерам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является фазовый светодальномер (патент РФ №2139498 C1, G01C 3/08, заявл. 28.05.1998), принятый за прототип. Фазовый светодальномер состоит из корпуса, установленного в нем передающего блока, состоящего из источника излучения в виде полупроводникового лазера, коллиматора лазерного излучения, поворотного зеркала, поворотной призмы, и приемного блока, состоящего из приемного объектива, фотоприемника, выполненного в виде лавинного фотодиода, усилителя, амплитудного детектора, высоковольтного источника, гетеродинного генератора, смесителя и фазоизмерительного устройства. В передающем блоке лазерное излучение модулируется масштабным генератором. Измерение фазы выполняется на низкой частоте путем преобразования передающей и приемной частоты сигнала. Преобразование передающей частоты выполняется на смесителе путем перемножения сигнала масштабного генератора и сигнала гетеродинного генератора, в результате на выходе получается сигнал разностной частоты. Преобразование приемной частоты выполняется самим лавинным фотодиодом. Напряжение сигнала гетеродинного генератора изменяет коэффициент умножения лавинного фотодиода, в результате входной световой поток перемножается на переменный коэффициент умножения и на выходе выделяется разностный по частоте низкочастотный сигнал.

Недостатком данного устройства является высокий уровень помех на входе усилителя, приводящий к уменьшению точности измерения и относительно широкая полоса пропускания усилителя из-за отсутствия фильтров, сужающих шумовую полосу пропускания усилителя. Высокий уровень помех обусловлен тем, что на выходе лавинного фотодиода кроме полезного сигнала разностной частоты Fc-Fг присутствуют следующие частоты нелинейного преобразования - Fc+Fг, Fг и др., где

Fг - частота гетеродинного генератора;

Fc - частота входного оптического сигнала, равная масштабной частоте.

Особенно большой по уровню является частота Fг, т.к. кроме преобразования на лавинном фотодиоде она также просачивается на вход усилителя через паразитную емкость катод-анод фотодиода. Этот паразитный сигнал может перегружать входные цепи усилителя и приводить к дополнительным погрешностям измерения.

Вторым существенным недостатком прототипа является автоматическая регулировка уровня принимаемого сигнала, состоящая из последовательно соединенных лавинного фотодиода, усилителя, амплитудного детектора, управляемого высоковольтного источника. При малых уровнях сигнала, соответствующих большим дальностям, устанавливается более высокое напряжение на лавинном фотодиоде, что значительно уменьшает отношение сигнал/шум, чем при высоких уровнях. Ситуация ухудшается при высокой температуре окружающей среды, для лавинного фотодиода требуется еще более высокое напряжение, чем при низкой температуре, поэтому в диапазоне температур динамический диапазон регулирования усиления сужается и тем самым уменьшается максимальная дальность.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности измерения и увеличение максимальной дальности.

Функциональная схема лазерного фазового дальномера представлена на Фиг. 1. Дальномер состоит из корпуса 1, установленного в нем передающего блока, состоящего из источника излучения в виде полупроводникового лазера 2, коллиматора лазерного излучения 3, поворотного зеркала 4, поворотной призмы 5, и приемного блока, состоящего из приемного объектива 6, фотоприемника, выполненного в виде лавинного фотодиода 7. Кроме этого дальномер содержит масштабный генератор 13, гетеродинный генератор 10, смеситель 14 и управляемый высоковольтный источник 12. Для уменьшения шумовой полосы и фильтрации частоты гетеродинного генератора и других паразитных частот добавлен узкополосный полосовой фильтр 8, с центральной частотой, настроенной на сигнал разностной частоты (масштабная минус гетеродинная). Также добавлен сумматор 11, управляемый усилитель 9, микроконтроллер 15 и датчик температуры 16. Функцию автоматической регулировки напряжения (АРУ) выполняет управляемый усилитель. Выходной сигнал этого усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. Микроконтроллер измеряет амплитуду входного сигнала, сравнивает с заданным значением и далее корректирует уровень сигнала с помощью выходного управляющего сигнала, поступающего на вход управления усилителя, поддерживая выходной сигнал усилителя на относительно постоянном уровне.

Микроконтроллер также измеряет окружающую температуру по датчику температуры и выставляет оптимальное постоянное высокое напряжение на лавинном фотодиоде с помощью управляемого высоковольтного источника. Напряжение рассчитывается по температурному коэффициенту напряжения лавинного фотодиода таким образом, чтобы поддерживать заданный коэффициент умножения фотодиода в диапазоне температур. Коэффициент умножения лавинного фотодиода задается таким, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум для конкретного управляемого усилителя. Это позволяет измерять максимально возможную дальность.

Функцию фазометра, а следовательно, и измерителя дальности выполняет микроконтроллер. Измерение дальности производится микроконтроллером по фазовому сдвигу между передающим сигналом разностной частоты (опорным сигналом) и принятым сигналом разностной частоты. Преобразование передающей частоты производится смесителем 14, который выдает цифровой сигнал разностной частоты на вход "защелки" микроконтроллера. Микроконтроллер по фронту сигнала производит запись содержимого внутреннего таймера в регистр защелки, обозначим это значение t_прд. Преобразование принятого сигнала выполняется самим лавинным фотодиодом. Для этого на катод фотодиода подается с сумматора сумма постоянного высокого напряжения и переменного синусоидального напряжения с гетеродинного генератора. Переменное напряжение изменяет синхронно коэффициент умножения лавинного фотодиода, в результате на аноде фотодиода получается сигнал разностной частоты - сигнальная частота минус гетеродинная.

Фаза принятого сигнала определяется следующим образом.

На вход АЦП микроконтроллера 15 поступает синусоидальный сигнал разностной частоты с выхода управляемого усилителя 9. Микроконтроллер выполняет преобразование АЦП с частотой дискретизации, намного превышающей частоту входного сигнала в 20-50 раз, и записывает не только значения АЦП, но и моменты времени внутреннего таймера, соответствующие значениям. На Фиг. 2. показан отрезок синусоиды в момент смены знака сигнала. Время на этом чертеже дискретное, с периодом работы внутреннего таймера. Точки К1 и К2 - это отсчеты АЦП в момент смены знака. Как видно из чертежа, при высокой частоте дискретизации отрезок синусоиды К1-К2 в момент перехода через ноль представляет прямую линию. Задача микроконтроллера найти время t, соответствующее нулевому значению синусоиды. Исходя из подобия треугольников AK1t и BK1K2, можно составить отношение:

Откуда можно найти время t:

Дальность можно определить по следующей формуле:

где С - скорость света;

ϕ - разность фаз принятого и передающего сигнала;

f - частота модуляции лазера (частота масштабного генератора);

N=T/t_clk - количество периодов тактовой частоты таймера в периоде сигнала разностной частоты;

Т - период сигнала разностной частоты;

t_clk - период тактовой частоты таймера;

t_прд - записанное (защелкнутое) значение таймера по фронту передающего сигнала разностной частоты смесителя.

Лазерный фазовый дальномер содержит передающую систему и приемную систему. Передающая система состоит из масштабного генератора, источника излучения в виде лазера, коллиматора лазерного излучения, поворотного зеркала и поворотной призмы. Приемная система состоит из приемного объектива, фотоприемника в виде лавинного фотодиода, полосового фильтра, управляемого усилителя, гетеродинного генератора, смесителя, высоковольтного источника, сумматора, микроконтроллера и датчика температуры. Приемный объектив выполнен с центральным отверстием, в котором установлена поворотная отражательная призма, отражательная грань которой расположена под углом 45° к оптической оси объектива. Технический результат - увеличение максимально измеряемой дальности и снижение погрешности измерения за счет улучшения соотношения сигнал/шум. 2 ил.

Лазерный фазовый дальномер, содержащий корпус, установленные в нем приемную и передающую оптические системы, источник излучения - полупроводниковый лазер, фотоприемное устройство в виде лавинного фотодиода, объектив приемной оптической системы, выполненный с центральным отверстием, в котором через светоизолятор установлена поворотная отражательная призма передающей оптической системы, при этом отражательная грань призмы расположена под углом 45° к оптической оси объектива, масштабный генератор, второй выход которого соединен с входом лазера, а первый выход соединен с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к первому выходу гетеродинного генератора, также содержащий высоковольтный источник, отличающийся тем, что введены сумматор, полосовой фильтр, управляемый усилитель, микроконтроллер и датчик температуры, причем второй выход гетеродинного генератора соединен с первым входом сумматора, а выход высоковольтного источника соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к катоду лавинного фотодиода, анод которого соединен с входом полосового фильтра, а выход его подключен к входу управляемого усилителя, выход которого подается на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, а третий выход микроконтроллера соединен с входом управления управляемого усилителя, причем второй выход микроконтроллера подключен к входу управления высоковольтного источника, первый вход микроконтроллера соединен с выходом смесителя, а второй вход соединен с выходом датчика температуры, а первый выход микроконтроллера является выходом дальномера.