Дальномер Советский патент 1990 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к дальнометрии и может быть использовано, в частности при проведении метрологических работ, для высокочастотных геодезических измерений, при юстировке крупногабаритных радиоинтерферометров,

.измерении перемещений земной коры в местах ее естественных разломов и ряде других.,

Известны светодальномеры с (JIOTOэлектрической регистрацией снетоипго потока (фазы),

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дальномер, состоящий из двухчастотного лазерного источника зондирунлцег.о оптического сигнала, оптически связанного с ним светоделительного .элемента, внешнего оптического отражателя, фотоэлектрического преобразователя частот опорного и из|мегительного сигналов, оптически свя|занного со светоделительньш элементом и внещним оптическим отражателем, кварцевого генератора и подключенных к нему умножителя и делителя частоты, подключенной к источнику зондирующего сигнала системы фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генериру 1ми колебаниями, двух синтезаторов - преобразователей информационных сигналов, подключенных к выходам фотоэлек ричеСкого преобразователя частоты опорного и измерительного сигналов, фазометра, подключенного к выходам синтез аторов-преоб разователей, а также калибровочной ко роткозамыкающей оптической линии задержки.

Недостатком известного устройства является ограничение предельной точности измерения расстояний, вызываемое невозможностью уменьщения единицы измерительного масштаба ниже некоторого предельного значения без резкого уменьшения излучаемой лазером мощности оптического сигнала. Действительно, для увеличения разности между излучаемыми двухчастотнь1м лазером оптическими колебаниями (ДГ) необходимо уменьшить длину его оптического резонатора, что при ДГ 500-600 МГц вызывает резкое снижение излучаемой лазером мощности и, при дальнейшем уменьшении длины резонатора, переход в одночастотньш режим работы,

Целью изобретения является повьш1е- ние точности измерения расстояний, .

Поставленная цель достигается тем, что в дальномер, содержащий двухчастотный источник зондирующего оптического сигнала, оптически связанный с ; ним светоделительный элемент, внешний оптический отражатель, фотоэлектрический преобразователь частоты опорного и измерительного сигналов, оптически связанный со светоделительным элементом и внешним отражателем, кварцевый генератор и подключенные к нему умножитель и делитель частоты, систему

фазовой автоподстройки неличины частотного интервала между генерируемыми им колебаниями, подключенную к источнику зондирующего оптического сигнала, фазометр, а также калибровочную короткозамыкающую оптическую линию задержки, введены второй двухчасТО1НЫЙ источник зондирующего оптического сигнала, оптически связанный со светоделительным элементом и внещним оптическим отражателем, подключенная к нему вторая система фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми им колебаниями, подключенный к ней синтезатор частоты, вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь частот, подключенный между источниками зондиругацих оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми колебаниями, и два детектора с интегрирующими фильтрами, подключенные между выходами фотоэлектрического преобразователя частот опорного и измерительного сигналов- и входами фазометра.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Оно содержит двухчастотный источник 1 зондирующего оптического сигнала, второй двухчастотный источник 2 зондирующего оптического сигнала, подключенную к источнику зондирующего оптического сигнала систему 3 фазовой автоподстройки величины частот- ного интервала между генерируемыми колебаниями, подключенную к второму источнику 3ондиругацего оптического сигнала систему 4 фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми им колебаниями, фотоэлектрический преобразователь частот 5, подключенный между источ-.никами оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки, фотоэлек-. трический преобразователь 6 частот опорного и измерительного сигналов, оптически связанный со светоделительным элементом 7 и внешним одтическим . отражателем 8, кварцевый генератор 9 и подключенные к нему умножитель 10 и делитель 11 частоты, подключенный к дели1елю частоты синтезатор частот 12, выход которого подключен к системе 4 фазовой автоподстройки величины частотного интервала второго источника зондирующего сигнала, детекторы 13

и Kfc интегрируюшчми }яшьтрам11, подключенные к выходам фотоэлектрического преобразователя 6 частот опорного и измерительного сигналов, фазометр 15, подключенный к выходам этих де-. текторов с интегрирующими фильтрами, два глухих зеркала 16 и 17, оптически связанные с вторым источником зондирующего сигнала иотражателем 8, o тически связанное с отражателем и фотоэлектрическим преобразователем частоты глухое зеркало 18 и калибровочную короткозамыкаю цую оптическую линию 19 задержки. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Однотипные лазеры и 2 работают в двухчастотном режиме, и каждый излучает колебания, состоящие из двух частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные He-Neлазеры сД ft 0,63 мкм и интервалом ча тот между генерируемыми каждый из лазеров двумя колебаниями , 501 МГц и ,5 МГц соответствен но). Каждый лазер имеет электрическую подстройку частоты генерируемых им колебаний за счет установки одного из его зеркал на пьезокерамическо преобразователе. Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала: рабочий через прозрачное зеркало лазера и вспомогательный - через глухое зеркало лазе ра. При этом интенсивность вспомогательного сигнала составляет лишь око ло одного процента от интенсивности рабочего сигнала. Вспомогательные сигналы обоих лазеров поступают на ф тоэлектрический преобразователь 5 частот и используются для автоподстройки величины частотных интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями, Фотоэлектриче кий преобразователь 5 частот предста

ляет собой два отдельных фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), помещенных в коаксиальный резонатор, возбуждаемый электрическим гетеродинным сигналом и создающий переменное электрическое поле в прикатодной области расположенных в нем ФЭУ, Гетеродинный сигнал поступает от умножителя частоты 10, который умножает частоту опорного кварцевого генерато- ее ра 9 (например, частота опорного кварцевого генератора 5 МГц, частота гетеродинного сигнала 500МГц), В фотоэлектрическом преобразователе частоты осуществляется двойное преобразование частоты: на фотокатодах ФЭУ выделяется электрический сигнал с частотой, равной разности частот излучаемых двухчастотным лазером оптических колебаний, и затем за счетпреобразования частоты в прикатодной области образуется электрический сигнал с

измерительного сигналов, а зондируняций сигнал направляется на внешний оптический отражатель 8, расположенный на удаленном конце измеряемого расстояния. Рабочий сигнал (луч) лазера

0 2 при помощи зеркал 16 и 17 направляется п-араллельно рабочему сигналу лазера 1 и также поступает на светоделительный элемент 7, который делит его разностной частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждения коаксиального резонатора, (XciK, в нашем примере при величине интервала частот лазера 1 uf. 500,501 МГц, и интервала частот лазера 2 ,5 МГц на выходах ФЭУ фотоэлектрического преобразователя 5 частот появляются электрические сигналы с частотами 501 и 500 кГц соответственно). Эти сигналы поступают на фазовые детекторы отдельных систем автоподстройки величин частотных интервалов этих лазеров и сравгшваются по фазе с сигналами той же частоты, поступающими от делителя частоты 11 для авто под стройки, лазера 1 и поступающими от синтезатора частот 12 для автоподстройки лазера 2, Получаемые на фазовых детекторах сигналы рассогласования усиливаются и подаются на пьезокерамические преобразователи соответствующих лазеров , которые изменяют длину их оптических резонаторов и, таким образом, поддерживают номинальные значения интервалов частот между ,генерируемыми оптическиьш колебаниями. Рабочий сигнал (луч) лазера поступает на светоделительный элемент (полупрозрачное зеркало), который делит его на опорный и зондирующий сигналы. Опорный сигнал поступает непосредственно на фотоэлектрический преобразователь 6 частот опорного и опорный и зондирунщий си1налы. Опорный сигнал вместе с опорным сигналом от лазера 1 поступает непосредственно на фотоэлектрический преобразователь б, а зондиру сщий сигнал направляется на внешний оптический отражатель 8, По пути к внешнему оптическому отражателю 8, расположенному на удаленном конце измеряемого расстояния, зовдирующие сигналы лазера 1 и лазера 2 образуют общий зондирующий сигнал, который после отражения возвращается и зеркалом 18 направляется на второй отдельный вход этого же фотоэлектрического преобразователя частот. Фотоэлектрический преобразователь 6 частот устроен аналогично фотоэлектрическому преобразователю 5, и их коаксиальные резонаторы возбуждают с я от общего умножителя 10, В фотоэлектрическом преобразователе 6 частот также производится двойное преобразование частоты. Так как на фотокатоды ФЭУ сигналы от лазера 1 и от лазера 2 поступают несогласованными по плоскости оптических колебаний то преобразование частоты излучения каждого лазера на фотокатоде происходит независимо друг от друга. Поэтому на фотокатоде каждого ФЭУ выделяется два электрических сигнала с 4acf тотами, равными разности частот излучаемых двухчастотными лазерами 1 и 2 оптических колебаний (в нашем гфиме- ре частоты этих электрических сигналов будут , 501 МГц и ufj, 499,5 МГц), Затем за счет преобразования частот в прикатодной области каждого ФЭУ образуются электрические; , сигналы с разностными частотами между частотами выделенных на фотокатодах электрических сигналов и частотой возбуждения коаксиального резонатора сигналом гетеродинной частоты. Образующиеся в результате преобразовав НИН частоты электрические сигналы с суммарной частотой и сигналы с частотой вьщеленн з1х на фотокатодах разностных частот лежат вне полосы пропускаемых ФЭУ частот и на его выход не проходят, (в нашем примере на выходе каждого ФЭУ будут присутствовать сигналы с частотами 501 и 500 кГц), Эти сигналы отдельно для каждого ФЭУ

поступают и суммируются на детекторах 13 и 14 с интегрирующими фильтрами соответственно. Постоянная времени этих фильтров значительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода биений между этимичастотами (в нашем примере 1/500 кГцб

;)/1 кГц), В результате этого на выходе каждого фильтра выделяется сигнал с частотой биения (в нашем примере с частотой 1 кГц), Фазы калсдого из электрических сигналов (501 и

500 кГц), выделяющихся на выходе ФЭУ измерительного канала, несут информацию о величине измеряемого расстояния, причем фазы, этих электрических сигналов имеют противоположные знаки. Фаза электрического сигнала, снимае-, мого с выхода детектора 14 с интегри-pyюш м фильтром (в нашем примере 1 кГц), также несет информацию о величине измеряемого расстояния, Однако ввиду того, что этот электрический сигнал получен суммированием электрических сигналов, имеющих разные знаки фазовой зависимости от величины измеряемого расстоянияр фазовый сдвиг этого сигнала будет равен сумме фазовых сдвигов этих сигналов. Измерение фазы этого сигнала производится фазометром 15 по отношению к фазе сигнала, снимаемого с выхода детектора 13 с ин4045 50 рирующим фльтром. Измеряемое рас яние определяется из выражения - -2ШГ-Щ с - скорость света; ДГ, - разность частот излучаемых первым лазером оптических колебаний; - разность частот излучаемых вторым лазером оптических колебаний; И - чиЬло уложенных целых периодов;U - дробная часть периода; Р - приборная поправка.

во

ДАЛЬНОМЕР, содержащий двухчастотный источник зовдирукнцего.оптического сигнала, оптически связанный с. ним светоделительный элемент, внешний оптический отражатель,фотоэлектричест кий преобразователь частот опорного и измерительного сигналов,оптически связанный со светоделительным элементом и внешним оптическим отражателем, кварцевый генератор и подключенные к нему умножитель и делитель частоты, систему фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми колебаниями, подкл(очен1гую к источнику зондирующего оптического сигнала, а такле калибровочную короткозамыкающую оптическую задержки, отличающийся тем, что,, с целью повышенияточности измереш1я расстояний, в него введены второй . двухчастотный источник зондиругацего оптического сигнала, оптически связанный со светоделительным элементом и внешним оптическим отражателем, подключенная к нему вторая система фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируg емыми им колебаниями, подключенный к ней синтезатор частоты, вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь частот, подключенный между истошшками зондирующих оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки ве)еХЕ& личйны частотного интервала генеО1 Трируемыми колебаниям и два детектора с интегрирукщими фильтрами, подключенГчЭ ные между выходами фотоэлектрического СО преобразователя частот опорного и измерительного сигналов и входами фазосо метра.

feV

I

Sid