Фазовый светодальномер Советский патент 1986 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к измерению расстояний с помощью источников света и может быть использовано для точного измерения расстояния до объекто в геодезии, топографии, маркшейдерском деле.

LIe. изобретения - повышение точности измерений за счет исключения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала.

На чертеже представлена схема фазового светодальномера.

Устройство содержит блок 1-управления, первый генератор 2, выход которого связан с излучателем 3 (напри мер светодиодом). Оптическое излучение последнего после прохождения по трассе и отражение от объекта поступает через оптическую приемную систему на конический световод 4, меньшее сечение которого находится в контакте с торцовой поверхностью фотоэлектронного умножителя 5. На торцовой поверхности ФЭУ размещен внешний электрод,6, подключенньй к выходу второго генератора 7. Выход блока питания ФЭУ 8 связан с входом питания ФЭУ, выход которого соединен с входом первого усилителя 9, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра 10. Выход фильтра через фазовращатель 11.соединен с первым входом первого фазового дискриминатора 12, к второму входу которого подключен выход соединенных последовательно первого смесителя 13 первогофильтра низких частот 14 и второго усилителя 15. Выход фазового дискриминатора 12 подключен к первому входу переключателя 16, выход которого соединен с входом регистратора 17. Выход второго генератора 7 подключен к второму входу смесителя 13. Выход третьего генератора 18 соединен через управляемый аттенюатор 19 с дополнительным излучателем 20, оптически связанным со световодом 4. Управляющий вход аттенюатора 19 соединен через выпрямитель 21 с выходом первого полосового фильтра 10. Выход первого усилителя 9 соединен с вторым фильтром 22, подключенным к первому входу , второго фазового дискриминатора 23, выход которого соединен с вторым входом переключателя 16.

Второй вход второго фазового дискриминатора 23 подключен к выходу

0

5

каскадно включенных второго смесителя 24, второго фильтра 25 низких частот и третьего усилителя 26. Пер- вьй вход смесителя 24 связан с выходом второго генератора 7, а.второй вход - с выходом третьего генератора 18. Вход масштабного усилителя 27 подключен к выходу второго фазового дискриминатора 23, выход - к фазовращателю 11, а управляющий вход - к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу переключателя 16.

Устройство работает следующим образом.

Ток первого генератора 2 поступает на излучающий диод 3. Оптическая система (не показана) направляет оптическое модулированное с частотой генератора 2 излучение на объект, расстояние до которого необходимо измерить. Отраженная от объекта вол- на фокусируется коническим световодом 4 на определенную фиксированную площадку фотокатода ФЭУ, благодаря чему исключается зависимость фазы выходного сигнала ФЭУ от угла прихода волны. Необходимое для нормаль- Q-ной paбotы ФЭУ напряжение питания подается с выхода блока питания 8. Напряжение генератора 7, поступающее на внешний электрод 6,- расположенный на торцовой поверхности ФЭУ, создает высокочастотное электрическое поле с частотой f-j. f, где частота генератора 1 ., ,

Вследствие нелинейного взаимодействия фотоэлектронного потока и электрического поля, созданного .в прикатодной области напряжением, приложенным к внешнему электроду относительно катода, создаются условия для смешения указанных частот.

На выходе ФЭУ после усиления линейным усилителем 9 на выходе фильтра 10 вьщеляется разностная частота f (г -{,

5

0

5

Указанный сигнал поступает через фазовращатель 11 на первьй вход фазового дискриминатора 12, на второй вход которого подается сигнал, полученный путем Смешения в первом смесителе 13 напряжений первого 2 и второго 7 генераторов с последующим усиением и селекцией сигнала с частотой f - f (блоки 14 и 15). Таким образом, на входа х фазового дискриминатора 12 частоты сигналов равны, а фазы сдвинуты на некоторый угол, зависящий от расстояния до- объекта.

Напряжение с выхода фазового дискриминатора 12, пропорциональное указанному фазовому углу, поступает через переключатель 16, открытый по первому входу в блок регистрации 17. Это напряжение оказывается пропорциональным расстоянию до объекта, так как приращение фазы принимаемого сигнала пропорционально времени распространения излученной волны до объекта и обратно.

Однако, фазовая характеристика реальных фотоприемников, входящих в состав дальномеров, зависит от уровня принимаемого сигнала. В фотоэлектронном умножителе 5 она обусловлена зависимостью времени пролета электронного потока через диодную систему от плотности объемного заряда при высоких уровнях засветки катода.

Экспериментально полученные зависимости фазы от уровня тока ФЭУ показывают, что фаза не зависит от уровня тока в диодной системе на .малых и средних токах и монотонно растет с увеличением уровня тока. Причем, скорость возрастания является функцией частоты сигнала. Рассмотренное явление является источником дополнительных фазовых погрешностей, снижающих точность измерения расстояний.

. Для минимизации указанной погрешности в устройстве введены элементы, компенсирующие эту погрешность.

Сигнал с третьего генератора 18 с частотой f - f через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение которого фоку- сируется коническим световодом 4 в ту же точку катода ФЭУ, что и сигнал, пришедший с дистанции.

Сигнал с частотой биений f|f 3 - fj на выходе ФЭУ выделяется вторым фильтром 22. Частота третьего генератора 18 выбирается таким образом, чтобы частота калибровки f J превьш1ала частоту биений первого и второго генераторов (частоту измерений), f f , например при следующем соотношении частот fj (1,5 - 2,0) f . Сигнал с частотой fJ поступает на первый вход второго фазового дискриминатора 23, идентичного первому (12). На второй

18296

вход второго дискриминатора 23 подается прошедший фильтр низких частот 25 и усиленный усилителем 26 сигнал с выхода второго смесителя 24, на. 5 вход которого поступают напряжения

второго и третьего генераторов. Частота сигнала на втором входе f fJ - f fJ равна частоте сигнала на первом входе. Разностные час10 тоты f и ff выбираются достаточно низкими, порядка единиц десятков килогерц, благодаря чему изменения фазы в описанных элементах устройства оказываются достаточно малыми.

15 Для их минимизации в состав фазового дискриминатора 23 может входить фазовьй корректор, вносящий постоянный фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства.

20 В связи с очевидностью этого решения фазовый корректор на схеме не показан.

Уровень засветки катода ФЭУ свето- диодом 20 изменяется с помощью атте-

25 нюатора 19, управляемого выпрямленным блоком 21 напряжением первой разностной частоты измерений f. Регулирующая характеристика аттенюатора 19 такова, что при увеличении

2Q амплитуды измерительного сигнала - с выхода фильтра 10 коэффициент передачи аттенюатора увеличивается. Цепь автоподстройки интенсивности излуче- . ния светодиода 20 позволяет поддерживать примерное постоянство отношения

А iJ I f

const

где

А - постоянный коэффициент;

I f,.lf| - значения освещенности катода ФЭУ световыми потоками с частотами fj и fJ соответственно.

Передаточная характеристика аттенюатора 19 выбирается таким образом, чтобы 0,1 А 0,3. В этом случае дробовые шумы ФЭУ, обусловленные дополнительным источником 20, малы и практически не снижают пороговую чувствительность фотоприемника.

На низких и средних уровнях засветок катода ФЭУ отраженным сигналом 55 приращения фазы в ФЭУ ничтожны, напряжение на выходе фазового дискрими- натора 23 увеличивается.. На-.настоте , калибровки f зависимость прироста

фазы от тока анода ФЭУ более вьфаже- на, чем на изм.ерительной частоте, так как f f , причем на уровнях тока, где фазовые сдвиги существенны

ГЧ К

14/

(О

где V(I), (I) - фазо-токовые

характеристики ФЭУ на измерительной и калибровочнойчастотах соответственно;К - константа.

Для определения значения коэффициента К снимают зависимость (I) путем установки перед катодом ФЭУ светофильтра с регулируемым коэффициентом пропускания .(не показан) и измерения сдвига фазы регистратором 17. Затем.устанавливают блок 1 управления в состояние,когда сигнал управления с его второго выхода переводит переключатель 16 в открытое с второго входа состояние. Аналогично снимается зависимость У(1) на частоте f2. Коэффициент К определяется в соответствии с соотношением (1). Затем устанавливают с ломощью первого выхода блока 1 управления коэффициент передачи масштабного усилителя 27, равным К.

В рабочем режиме сигнал на втором выходе блока 1 управления отсутствует, на регистратор поступает напряжение с первого фазового дискриминатора 12, работающего на частоте f. Одновременно с помощью блоков 20- 26 оценивается фазовая погрешность на частоте f f , согласно зависимости .,(1).

Положим передаточные характеристики второго фазового детектора К ср. о и управляемого фазовращателя К 6 равными

и.а

К

ф а

«Т-.в

и

му

где иф , - выходные напряжения 55 фазового детектора и масштабного усилителя соответственно.

,

г

к

- сдвиги фаз на частотах калибровки и измерения,

Для получения фазовой компенсации необходимо иметь коэффициент передачи масштабного усилителя К,у равным:

1

му

к

К

«Р. В f-3

к

(2)

Выражение (2) используется для определения коэффициента передачи масштабного усилителя 27. Коэффициенты передачи фазовращателя 11 и фазового детектора 23 постоянны. Поэтому с учетом (1) коэффициент передачи масштабного усилителя 27 также постоянен и не зависит от интенсивности принимаемого сигнала.

Таким образом, в рабочем режиме блоком 17 регистрации измеряется значение фазы отраженного сигнала, пропорциональное расстояние до объекта. Причем, показания уточняются благодаря учету дополнительного фазового сдвига в ФЭУ 5.

Формула изобретения

Фазовый светодальномер, содержащий первый генератор, выход которого связан с излучателем, фотоэлектронный умножитель, вход питания которого подключен к выходу блока питания, второй генератор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, третий генератор, подсоединенный к второму входу второго смесителя, переключатель, выходом связанный с регистратором, а первым входом - с выходом первого фазового дискриминатора, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений за счет исклкУчения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала, в него введены блок управления, конический световод, внешний электрод, первьй и второй фильтры, фазовращатель, первьй и второй фильтры низких частот, первый, второй и третий усилители, управляемый аттенюатор, дополнительньй излучатель, выпрямитель, второй фазовый дискриминатор и масштабный усилитель, при- kieM меньшее сечение конического световода находится в контакте с фиксированной точкой торцовой поверхности фотоэлектронного умножителя, в контакте с которой находится также внешний электрод, соединенный с выходом второго генератора, выход фотоэлектронного умножителя через первый усилитель подключен к входам первого и второго фильтров, выход первого фильт- ра подсоединен через фазовращатель к первому входу первого фазового дискриминатора, вторым входом подсоединенного через последовательно включенные первый фильтр низких частот и второй усилитель к выходу первого смесителя, выход первого фильтра соединен также через выпрямитель с управляющим

18296

входом аттенюатора, сигнальный вход которого подключен к выходу третьего генератора, а вьгход связан с дополнительным излучателем, оптически 5 связанным с коническим световодом, второй смеситель подсоединен через последовательно включенные второй фильтр низких частот и третий усилитель к второму входу второго фазово10 го дискриминатора, первый вход которого подключен к выходу второго фильтра а выход соединен с вторым входом переключателя и входом масщтабного усилителя, управляющий вход которого связан

)5 с первым, выходом блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу переключателя,а выход масштабного усилителя соединен с управляющим входом фазовращателя.

Изобретение относится к области измерения расстояний с помощью источников света и используется в устройстве для точного измерения расстояния до объектов в геодезии, топографии, маркшейдерском деле и позволяет повысить точность измерений за счет исключения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала. Для этого устройство снабжено блоком управления 1, и vчaтeлeм 3, внешним электродом 6, фильтрами низких частот 14, 25, усилителями 9, 15,26.1. Сигнал с генератора 18 через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение фиксируется световодом 4 в ту же точку катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), что и сигнал, пришедший с дистанции. Сигнал с выхода ФЭУ вьщеляется фильтром 22 и поступает на первый вход фазового дискриминатора 23, а на второй его вход - прошедший фильтр низких частот 25 и усилитель 26 сигнал с выхода смесителя 24, на вход которого поступают напряжения второго и третьего генераторов. Разностные частоты выбираются низкими, благодаря чему изменения фазы в описанных элементах малы. Для их минимизации в фазовый дискриминатор 23 входит фазовый корректор, вносящий постоянньй фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства. 1 ил. (Л ю 00 IVD со Од