Лазерный дальномер Советский патент 1987 года по МПК G01C3/08 

Предлагаемое устройство для измерения расстояния относится к области дальнометрии и может быть использовано, в частности в метрологических целях, для высокоточных геоде зических измерений, при юстировке крупногабаритных радиоинтерферометров и ряде других работ. Известен лазерный дальномер, со. держащий лазер, фотоприемник, генератор опорного напряжения и фазовый детектор. Недостатком его является низкая точность измерения дальности примени тельно к требованиям прецизионных из мерений. Наиболее близким к настоящему устройству является лазерный дальномер, используемый в качестве дальномерной части поверочной установки высшей точности. Он содержит двухчас тотный лазер, фотопреобразователи измерительного и опорного каналов, опорный кварцевый генератор, умножитель частоты, делитель частоты, фазо вый детектор и синтезаторы-преобразователи измерительного и опорного каналов. Недостатком его является недостаточно высокая точность измерений дал ности за счет влияния фазовых сдвиго информационных сигналов, происходящих во внутренних цепях лазерного дальномера. Целью изобретения является повыше ние точности измерения. Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройств содержащее первый лазер, с первым вы ходом которого оптически связаны последовательно установленные .светоделитель, внешний оптический отражател и плоское зеркало, оптически связанное со входом первого фотоэлектричес кого преобразователя, подключенного выходом через первый детектор с филь ром нижних частот к первому входу фа зометра, оптически связанный входом со светоделителем второй фотоэлектри ческий преобразователь, подключенный выходом через второй детектор с филь ром нижних частот ко второму входу фазометра, фотоэлектрический преобра зователь частот, входом оптически св занный с вторым выходом первого лазе ра, а выходом - с первым входом первого блока фазовой автоподстройки, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к управляющему входу первого лазера, атакже кварцевый генератор, первый вход которого через умножитель частоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выход подключен ко входу делителя частоты, дополнительно введены второй лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аннтеюаторы со входами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, последовательно включенные двухканальный синтезатор частот j коммутатор и второй блок фазовой айтоподстройки, выход которого подключен к управляющему входу в торого лазеоа. пси этом фотоэлектрический преобразователь , частот выполнен двухканальным, вход его второго канала оптически соединен со вторым выходом второго лазера, выход - со вторым входом второго блока фазовой автоподстройки, а вход двухканального синтезатора частот подключен к выходу делителя частоты. На чертеже изображена структурная схема лазерного дальномера, в состав которого входят: первый лазер 1, второй лазер 2, первый блок фазовой автоподстройки 3, второй блок фазовой автоподстройки 4, двуканальный фотоэлектрический преобразователь частот 5, первый фотоэлектрический преобразователь 6, светоделитель 7, внешний оптический отражатель 8, кварцевый генератор 9, умножитель частоты 10, делитель частоты 11, двухканальный синтезатор частот 12, коммутатор 13, первый детектор с фильтром нижних частот 14, второй детектор с фильтром нижних частот 15, фазометр 16, второй фотоэлектрический преобразователь 17, плоское зеркало 18, первый оптический аттенюатор 19, второй оптический аттенюатор 20. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Лазеры 1 и 2 работают в двухчастотном режиме и каждый излучает колебания, состоящие из двух частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные He-Ne-лазеры с Л S 0,63 мкм и интервалом частот между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями около 500,5 Мгц). Каждый лазер имеет электрическую подстройку частоты генерируемых кояебаний за счет установки одного из его зеркал на пьезокерамическом преобразователе. Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала: зондирующий - через прозрачное зеркало лазера и опорный - через глухое зеркало лазера. При этом интенсивност ,опорного сигнала составляет около одного процента от интенсивности зондирующего сигнала. Опорные сигналы обоих лазеров поступают на двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 и используются для автоподстройки величины частотны интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями. Двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 представляет собой два отдельных фотоэлектрических умножителя (ФЭУ), помещенных в о щий коаксиальный резонатор, возбужда мый электрическим гетеродинным сигна лом и создающий переменное электриче кое поле в прикатодной области расположенных в нем ФЭУ. Гетеродинный сигнал поступает от умножителя частоты 10, который умножает частоту опорного кварцевого ген ратора 9 (например, частота опорного кварцевого генератора - 5 МГц, часто та гетеродинного сигнала - 500 МГц). В двухканальном фотоэлектрическом преобразователе частоты осуществляется двойное преобразование частоты: на фотокатодах ФЭУ вьщеляется электри ческий сигнал с частотой, соответственно, равной разности частот, излучаемых двухчастотными лазерами оптических колебаний, и затем, за счет преобразования частоты в прикатодной области образуется электрический сигнал с разностной частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждения коаксиального резонатора (так, при в.еличине интервала частот лазера 1 f, 500,5 МГц и интервала частот лазера 2 Jfj 500,505 МГц на выходах ФЭУ появляются электрические сигналы с частотами 500 кГц и 505 кГц, соответственно) . Эти сигналы поступают на фазовые детекторы первого и второго блоков фазовой автоподстройки 3 и 4 и сравниваются по фазе с сигналами, поступающими от делителя частоты 11 - для автоподстройки лазера 1, а поступающими от двухканального синтезатора частот 12 через коммута108 тор 13 - для автоподстройки лазера 2. Получаемые сигналы рассогласования усиливаются и подаются на пьезокерамические преобразователи этих лазеров, которые изменяют длину их оптических резонаторов, и таким образом, поддерживают номинальное значение интервалов частот между генерируемыми оптическими колебаниями. Двухканальный синтезатор частот образует два электрических сигнала с частотами, незначительно отличающимися от частоты сигнала на выходе делителя частоты 11 и симметрично по отношению к ней расположенными (например, частота сигнала на выходе делителя равна 500 кГц, а на выходе синтезатора 495 кГц и 505 кГц). Коммутатор 13 позволяет попеременно подключать один из сигналов с выхода синтезатора 12 на второй блок фазовой автоподстройки 4 лазера 2 и, таким образом, дискретно изменять величину частотного интервала между генерируемыми этим лазером двумя оптическими колебаниями. Таким образом, за счет системы фазовой автоподстройки лазер 1 будет генерировать два оптических колебания с интервалом частот между ними, например, f 500,5 МГц, а лазер 2 с интервалом частот 4f2 500, 495 МГц или 4fJ 500,505 МГц в зависимости от состояния коммутатора 13. Стабильность величины частотных интервалов будет определяться стабильностью частоты кварцевого . генератора .9. Сигнал лазера 1 поступает на светоделитель 7, который делитего на опорный и зондирующий сигналы. Опорный сигнал поступает непосредственно на второй фотоэлектрический преобразователь 17, а зондирующий сигнал направляется на внешний оптический отражатель 8, расположенный на удаленном конце измеряемого расстояния. После отражения зондирующий сигнал возвращается и зеркалом 18 направляется на первый фотоэлектрический преобразователь. Луч лазера 2 при помощи полупрозрачных оптических аттенюаторов 19 и 20 делится на два сигнала, которые под некоторым углом направляются в те же входы первого и второго фотоэлектрических преобразователей, в которые поступают опорный и отраженный внешним отражателем зондирующий сигнал, соответственно. Первый и второй фотоэлектрические преобразователи 6 и 17 устроены аналогично фотоэлектрическому преобразова телю частоты 5 и их коаксиальные резонаторы возбуждаются от умножителя частоты 10, В фотоэлектрических преобразователях 6 и 17 также производи ся двойное преобразование частоты. Так как на фотокатоды ФЭУ сигналы .от лазера 1 и от лазера 2 поступают под разными углами, то преобразование частоты излучения каждого лазера на фотокатод происходит независимо друг от друга и эффект оптического гетеродинирования отсутствует. Поэто му на фотокатоде каждого ФЭУ выделяются два элекрических сигнала с частотами, равными разности частот, излучаемых двухчастотными лазерами 1 и 2 оптических колебаний. За счет пр образования частоты в прикатодной области каждого ФЭУ образуются электрические сигналы с разностными частотами между частотами выделенных электрических сигналов и частотой возбуждения коаксиального резонатора сигналом гетеродинной частоты. Образующиеся в результате преобразования частоты электрические сигналы с суммарной частотой и сигналы с частотой вьщеленных на фотокатодах разностных частот лежат вне полосы пропускания ФЭУ частот и на их выходы не проходят Таким образом, на выходах ФЭУ имеются суммы двух высокочастотных сигна лов с незначительно отличающимися час тотами. Они поступают на детекторы с фильтрами нижних частот 14 и 15. Постоянная времени этих фильтров значительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода . биений между этими частотами, В резул тате этого на выходе каждого фильтра вьщбляется сигнал с частотой биений. Фаза электрического сигнала, снимаемого с выхода фильтра нижних частот 15 измерительного канала несет информацию о величине измеряемого расстояния, причем, единица измерительного масштаба определяется интервалом частот между генерируемыми лазером 1 и двумя оптическими колебаниями. Измерение фазы этого сигнала производится фазометром 16 по отношению к фазе сигнала, снимаемого с выхода детектора с фильтром нижних частот 14. Фазометр 16 измеряет суммарный фазовый сдвиг информационных сигналов, происходящий как за счет прохождения зондирующим лучом измеряемого расстояния, так и за счет прохождения информационных сигналов по внутренним цепям лазерного дальномера. Для уменьшения влияния нестабильности фазовых сдвигов информационных сигналов внутри лазерного дальномера на погрешность измерений расстояний, в процессе измерения может периодически производиться его калибровка при помощи калибровочной короткозамыкающей оптической линии задержки. Повышение точности лазерного дальномера позволяет при его эксплуатации повысить точность, качество и экономическую эффективность метрологических, маркшейдерских и геодезических работ, систем навигации и др., а также получить новые данные о движениях земной коры. Экономический эффект получается за счет снижения себестоимости измерительных работ, требунндих обеспечения высокой точности. Это происходит за счет существенного уменьшения количества измерений, необходимых для получения статистически достоверного результата с заданной точностью.

ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР, содержащий первый лазер, с первым выходом которого оптически связаны последовательно установленные светоделитель, внешний оптический отражатель и плоское зеркало, оптически связанное с - входом первого фотоэлектрического преобразователя, подключенного выходом через первый детектор с фильтром нижних частот к первому входу фазометра, оптически связанный вход,ом со светоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенный выходом через второй детектор с фильтром нижних частот к второму входу фазометра, фотоэлектрический преобразователь частот, входом оптически связанный с вторым выходом первого лазера, а выходом - с первым входом блока фазовой автоподстройки, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к управляющему входу первого лазера, а также кварцевый генератор, первый выход которого через умножитель частоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выход подключен к входу делителя частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, 9 в него дополнительно введены второй ko лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аттенюаторы с входами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, последовательно включенные двухканальный синтезатор частот, коммутатор и второй блок фазовой автоподстройки, выход которого подключен к управляюще 1 му входу второго лазера, при этом фотоэлектрический преобразователь ел частот выполнен двухканальным, вход его второго канала оптически соедиi;o нен с вторым выходом второго лазера, 00 выход - с вторым входом второго блока фазовой автоподстройки, а вход двухканального синтезатора частот подключен к выходу делителя частоты.