Устройство для измерения расстояний Советский патент 1985 года по МПК G01C3/08 

I1 Изобретение относится к свето- дальномерным автоматическим ристемам и предназначен для автоматизации измерения расстояний до различных объектов с высокой точностью, например, для измерения деформации сооружений. Известно йазерное устройство для измерения расстояний, состоящее из опорного генератора, выход которого через последовательно соединенные модулятор, источник света, переключающее устройство, детектор и второй усилитель подключен к первому входу сравнивакщего устройства, выход которого соединен с индикатором а второй вход через первый усилитель подключен к выходу модулятора, другой выход второго усилителя соединен с устройством коррекции амплитуды L Однако в данном устройстве не учитывается изменение условий окружающей среды, происходящее непосредственно в процессе проведения измерений. Для уменьшения погрешностей от влияния среды на трассе прохождения луча применяется многократное измерение расстояния и осреднение результатов измерений. Это приводит к увеличению времени, необходимого для проведения измерений, т. е. ухудшаются динамические свойства измерителя при незначительном увеличении точности. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения расстояний, содержащее излучатель, на оптической оси ко торого находятся модулятор, отражаю пшй элемент, имекшщй отверстие и расположенный под углом к оптической оси, и отражатель, установленный на объекте, оптически связанный чер отражающий злемент, имеющий отверстие, с входом первого Щ)ием1а1ка, выход которого через первый вход первого фазометра соединен с регист рирующим устройством, а второй вход первого фазометра подключен к управ лянщему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, вход которого соединен с выходом модели среды И , Однако в указанном устройстве используется статическая неточная модель атмосферы, не гчитьшающая динамических изменений метеоусловий 7 непосредственно в процессе измерений, влияющих на показатель преломления среды на трассе и снижающих точность измерений. Целью изобретения является повышение точности измерений путем непрерьшного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления, Для достижения поставленной цели устройство для измерения расстояний, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель, модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединён с рв гистратором, а второй вход фазометра подключен к управлякядему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, снабжено дополнительным отражателем, вторым приемником, вторьм фазометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между модулятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответствующим оптическим осям, а выход второго приемника через первые входы последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого генератора, второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра - с управляющим входом модулятора и с выходом управляемого генератора. На чертеже представлено предлагаемое устройство. Устройство родержит интегратор 1, модель 2 среды, управляемый генератор 3, модулятор 4, излучатель 5, первое Полупрозрачное зеркало 6, отражатель 7, имеющий отверстие, объект 8, второе полупрозрачное зеркало 9, дополнительный отражатель 10, второй приемник 11, второй фазометр 12, сумматор 13, первый приемник 14, первый фазометр 15, регистратор 16, Сущность изобретения заключается в следукмцем. Для измерения дальности используется фазовый метод, Посылаемое на трассу оптическое излуче-. ние модулируется по интенсивности. По разности; фаз -огибающих посланного и отраженного сигнала определяется дальность объекта. Дальность 1 связана с измеряемым фазовым сдвигом йЦ соотношением -Щ, 4 7 .p где Сд - скорость света в вакууме; f, - частота модуляции по интенсивности непрерывного лазер ного излученияj - групповой показатель прелом ления, усредненньй по всей трассе измерений. Для уменьшения погрешности вводится дополнительный тестовый канал измерения эталонного расстояния (контрольного базиса) до отражателя, при. чем метеорологические условия на .трассе измерения расстояний отражателя и объекта одинаковы. Поскольку Контрольный базис известен и посто.анен, можно выявить ошибку измерения дальности, вызванную изменением Прр т.е. внешней средой, и автоматически скорректировать измерения дальности объекта. Комплекс строится таким образом, что в отличие от основного канала измерения дальности объекта, являющегося разомкнутым, тестовьш канал является замкнутой автоматической системой и отрицательной обратной связью. Эта замкнутая систе- ма стабилизирует заданный фазовый сдвиг,:соответствующий контрольному базису при номинальных значениях f и Прр . Если групповой показатель преломления при измерении контрольного базиса из-за влияния среды на трассе отличается от номинального то и измеренный фазовый сдвиг будет отличаться от заданного. Сигнал разности этих фазовых сдвигов воздействует в конечном итоге на частоту модуляции f и изменяет ее так, чтобы Скомпенсировать ошибку в фазовых сдвигах. Таким образом, несмотря на изменения п.в тестовом канале все время поддерживается постоянным произведение , равное произведению их номинальных значений. Поскольку оптические части основного и тестового каналов находятся в одних и тех же условиях (одни и те же опти 5еское излучение, частота модуляции ц и показатель Пгр) , то в основном канале поддерживается постоянным произведение f. п.., . Тогда неизвестное расстояние до объекта определяется по формуле (1), в которой коэффициент пропорциональности при измеренном фазовом сдвиге ДСр основного канала уже является постоянным, независящим от изменений Прр . Тем самым, в отличие от прототипа, непрерьшно в процессе измерений автоматически устраняется влияние среды на измерение дальности, а следовательно, повьшается точность. Работа дальномерного комплекса заключается в следующем. Комплекс содержит два канала измерений. Основной канал измерения неизвестного расстояния является разомкнутым. Тестовьй канал измерения эталонного расстояния (контрольного базиса) является замкнутой автоматической системой. Перед началом серии измерений на второй вход интегратора 1 -подается постоянный сигнал начальных условий с выхода модели 2 среды. Этот сигнал формируется на основании физико-метеорологических условий, существующих в момент начала работы комплекса, В первый момент после включения комплекса в работу сигнал на выходе интегратора 1 определяется только начальными условиями, заданными с модели среды. С выхода интегратора 1 сигнал подается на вход управляемого генератора 3. Генератор 3 вырабатывает гармоническое напряжение, частота которого соответствует входному сигналу генератора 3, т.е. в первый момен т времени генератор 3 выдает на управляющий вход модулятора 4 напряжение номинальной частоты модуляции tjM ощ . Излучатель 5 посылает непрерывное излучение на модулятор 4. Модулированное по интенсивности с частотой tw ном излучение, выйдя из модулятора 4, первым полупрозрачным зеркалом 6 разделяется на две части: проходящий поток основного канала поступает через отверстие в отражателе 7 на отражатель, установленный на объекте 8, а отраженный от зеркала 6 поток тестового канала попадает на второе полупрозрачное зеркало 9. Отражаясь от зеркала 9, тестовый поток поступает на трассу измерения контрольного базиса. Контрольный базис ограничен дополнительным отражателем 10.На отражателе 10 устанавливается светсвозвращатель (например, три пель-призма), направляющий проходящий через второе полупрозрачное зеркало 9 поток на второй приемник 11.Оптические трассы основного и тестового каналов находятся в одинаковых метеорологических уелоВИЯХ, т.е. проходя через среду с одним и тем же групповым показателе преломления п,.р . Во втором фотопри емнике 11 вьщеляется огибающая оп-тического излучения и подается на первый вход второго фазометра 12, на второй вход которого подается опорный сигнал с частотой f,« ном выхода управляемого генератора 3. Фазометр 12 измеряет сдвиг фаз своих входных сигналов. Сигнал, прошед ший оптическую трассу и поступивший на первьй вход второго фазометра 12.отстает по фазе от сигнала на втором входе фазометра 12. Пусть групповой показатель преломления на трассе измерений постоянньм, равный своему номинальному значению тогда, в. соответствии с формулой (1), сигнал на выходе второго фазометра 12 равен лс .f СР номз Чном- г„ где й(.,„,, - номинальный фазовьй сдвиг 1 НО И соответствующий произведению номинальных значений частоты модуляции |i группового показателя преломления КБ - контрольный базис. Сигнал с выхода второго фазометра 12 подается на первый вход алгеб раического сумматора 13,на второй вход которого также подается постоянньш сигнал btpm,, Сумматор 13 производит вычитание сигналов, поступающих на его входы. Поск;пьку на входы сумматора 13 подаются одинаковые сигналы, то разность их равна нулю,и выходной сигнал сумматора 13, поступакяций на первый ход инте ратора 1, равен нулю. Поэтому сигнал на выходе интегратора 1. остается постоянным, соответствующим начальным условиям. Следовательно, частота модуляции оптического излучения остается постоянной и равно |и Ном основном канале световозвращатель (например, триппельг-призм или катафот), установленный на объекте 8, направляет световой поток на отражакнций элемент 7, с которого отраженное излучение поступает на вход первого приемника 14. Сигнал огибающей оптического излучения с выхода приемника 14 подается на первый вход первого фазометра 15, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода управляемого генератора 3. Сигнал 4(f сдвига фаз ria выходе первого фазометра 15 несет информацию об измеренной дальности. Этот сигнал подается на вход регистратор. 16, который определяет измеренную дальность D до объекта 8 по формуле Cf CbCf м ном ном где С С„(4 ft, ном- ту ) - ко- . эффициент пропорциональности. В качестве регистратора 16 может быть использован самописец с масштабирующим усилителем на входе (например, самописец марки ЛКД4-003). В 3toM случае входом регистратора 16 будут клеммы Вход самописца ЛКД4-003. Коэффициент усиления масштабирующего усилителя самописца устанавливается постоянным и равным. С, тогда на самописце будет воспроизводиться сигнал дальности D. Если метеоусловия на трассе измерений изменятся , то сигнал на де второго фазометра 12 уже не будет равен i(f Ном чоп влиянием среды изменится групповой показатель преломления, а контрольный базис и частота модуляции останутся прежними. Тогда на выходе сумматора 13 появится разностньй сигнал, по величине и знаку соответствующий величине и знаку отклонения п.. от . Разностный сигнал поступает на первьй вход интегратора 1, начинает изменяться, сигнал на выходе интегратора 1, следовательно, изменяется и частота модуляции на выходе управляемого генератора 3, изменяется сдвиг фаз на выходе второго фазометра 12 до тех пор, пока не станет равным Cf „oj , но уже при других (не номинальных) значениях f j и nj.p HOW rp ном w грЬ Интегратор 1 перестает интегрировать, поскольку сигнал на его первом входе становится равным нулю. Сигнал на его выходе остается постоянным и равным тому значению, которое существовало на его выходе в момент равенства нулю сигнала на его первом входе. В комплексе устанавливается частота модуляции, соответствующая компенсации изменений . В этом случае коэффициент С остается постоянным и для основного канала, следовательно, влияния изменения группового показателя преломления на измерения дальности исключаются.. .

Конструктивно в качестве излучателя 5 может быть использован He-Neлазер, генерирующий непрерьшное оптическое излучение (например, марки ЛГ-56). .Модулятором 4 быть электрооптический модулятор с использованием поперечного эффекта Поккельса. В этом случае оптическим входом модулятора 4 является вход поляризатора, выходом модулятора 4 iвыход модулятора Поккельса, а управляющим входом модулятора 4 - обкладки. Именно на эти обкладки подает;ся сигнал напряжения с выхода управ ляемого генератора 3. Первый 14 и второй 11 приемники конструктивно могут быть выполнены одинаково в

виде фотоэлектронного умножителя с линзой, фокусирующей световой поток на катоде ФЭУ. Первый 15 и второй 2 фазометры могут быть также одинановыми (например, может использоваться серийно выпускаемый фазометр типа Ф2-13). Модель 2 среды KOHCTpyit тивно может представлять собой регулируемый источник напряжения. Управ ляемый генератор 3 технически может быть вьшолнен- по одной из известных схем.

В качестве базового объекта принят промыпшенно выпускаемый светодальномер типа МСД-1.

Аппаратурная точность современный светодальнометрических приборов достигла предела и дальнейшее повышение точности может быть обеспечено, в

основном, за счет более точного оп-ределения среднеинтегрального показателя преломпения на трассе измерений. Поэтому введение дополнительных блоков, по сравнению с прототипом, позволяет учесть влияние среды на трассе измерений, на ошибку измерения дальности, повышая тем самым точность измерений. Дополнительные

блоки, кроме того, позволяют автоматизировать процесс измерений, повысить производительность измерительных работ.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель, модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединен с регистратором, а второй вход фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем непрерывного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления, оно снабжено дополнительным отражателем, вторым приемником, вторым фазометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между моду-, лятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответствующим оптическим осям, а выход втоа рого приемника через первые входы с последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого генератора, .второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра - с управлякицим входом модулятора и с выходом управляемого генератора. со эо