Рециркуляционный светодальномер Советский патент 1993 года по МПК G01C3/08 

L-

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: рециркуляционный дальномер содержит 1 блок запуска (1), 1 источник излучения (2), 2 приемника излучения (3, 7), 2 линии задержки (4, 11), 1 вычислительный блок (5), 1 спектральный селектор (6), 2 формирователя импульсов (8, 9), 1 триггер (10), 1 элемент И (12), 1 элемент ИЛИ (13), 1 источник тока (14). 1-13-4-2, 6-3-8-10-5-1, 6-7-9-10-13, 8-11-12-1, 9- 12-5-10. 2 ил.

I---У

00

о -ч ел со

Изобретение относится к дальномер- ным устройствам и может быть использовано в геодезии, строительстве, монтаже крупных инженерных сооружений.

Цель изобретения - повышение точности измерения расстояний.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит последовательно соединенные блок запуска 1, элемент ИЛИ 13, первую-линию задержки 4, источник излучения 2, второй вход которого соединен с источником постоянного тока 14, а также спектральный селектор 6, выходы которого оптически связаны с приемниками излучения 3.7, соединенными через формирователи импульсов 8, 9 к S- и R-входам триггера 10, выход которого соединен с входом элемента ИЛИ 13, элемент И 12, вторая линия задержки 11, вычислительный блок 5, счетные входы которого соединены выходом триггера 10, а информационный - с выходом элемента И 12.

Для лучшего понимания сущности изобретения поясним в начале работу источника излучения 2. В качестве источника излучения в заявляемом устройстве используется полупроводниковый лазер. Источник тока 14 задает через лазерный диод постоянный ток, величина которого несколько превышает пороговое значение, при котором начинается генерация лазерного излучения. Если затем на постоянное смещение накладывать импульсы длительностью 50-100 не, то во время действия электрического импульса лазер начинает светить в другой спектральной области, т.е. при отсутствии импульса лазер излучает на одной длине волны А2, а при подаче импульса излучает на длине волны AI причем Аг At (во время действия импульса спектр излучения сдвигается в коротковолновую область).

На фиг. 26 показано излучение лазера на длине волны , на фиг. 2в - на длине волны Ki. Разность Аа -Ai может достигать величины 50-100 А.

Перейдем к описанию работы заявляемого устройства в начальный момент времени по сигналу внешнего запуска, блок запуска 1 формирует импульс (фиг. 2а), который через элемент ИЛИ 13 и линию задержки 4 поступает на источник излучения 2. Источник тока 14 задает режим работы лазера по постоянному току таким образом, чтобы он непрерывно генерировал лазер- kpe излучение, В момент импульса запуска также происходит обнуление триггера 10 по

0

5

0

5

0

5

0

5

С-входу, а вычислительный блок приходит в исходное состояние. Оптическое излучение лазера 2, отраженное от объекта, попадает на спектральный селектор 6, в котором происходит пространственное разделение излучения на два пучка, в одном из них концентрируется излучение с длиной волны AI (фиг. 26) и попадает на приемник излучения 3, в другом - с длиной волны Аа (фиг. 2в) и попадает на приемник излучения 7.

Спектральное разрешение этих систем таково, что позволяет выделить составляющие спектра излучения, находящиеся на межмодовых расстояниях, т.е. 5-10 А. После регистрации оптических импульсов под положительному перепаду напряжения на выходах приемников излучения 3, 7 (из лог. О в лог. 1) формирователи импульсов 8, 9 формируют импульсы (фиг. 2г, д соответственно), которые по S- и R-входам переключат триггер 10, таким образом, что на его выходе формируется импульс (рис. 2ж), длительность которого равна разности времен прихода с дистанции оптических импульсов с разной длиной волны излучения AI и А 2. Электрический импульс с выхода триггера 10 затем через элемент ИЛИ 13 и линию задержки 4 поступает в блок 2 и на дистанцию снова посылается оптический импульс на длине волны AI . Следовательно, в системе установится процесс рециркуляции, период которого будет определяться задержкой излучения на дистанции и постоянной электрической задержкой, определяемой длительностью задержки в линии 4.

Таким образом, во время действия электрического импульса на дистанцию посылается оптический импульс на длине волны, после окончания электрического импу/1ьса на дистанцию посылается излучение с длиной волны АЙ. Так как скорость распространения оптического излучения в воздухе зависит от длины волны, причем Аа AI , то задержки на дистанции излучения с длиной волны AI будет больше, чем с А2 .

Разность оптических задержек равняется:

0

5

Д1

()(1)

СС

где L - измеряемое расстояние;

С - скорость света в вакууме;

щ, па - коэффициенты преломления воздуха на длинах волн AI , А2 .

Следовательно, фронт оптического импульса с длиной волны А2 придет с дистанции раньше спада импульса с длиной волны AI на величину А г (фиг. 26, в), и длительность импульса на выходе триггера 10 каждый период рециркуляции будет

уменьшаться на At (фиг. 2ж). В начальный момент времени блок запуска 1 формирует импульс, длительностью Т + 1з, где 1з - длительность задержки линии 11. Каждый период рециркуляции длительность импульса на выходе триггера 10 уменьшается на At, и когда она станет равной 1з на входах элемента И 12, импульсы совпадут (фиг. 2д, е) и на его выходе появится импульс (фиг, 2з), попадающий в блок запуска 1, с которого на источник излучения 2 будет подана исходная длительность импульса. Сигнал с выхода элемента И 12 также подается на информационный вход блока 5, где происходит вычисление величины At по следующей формуле

At

N

(2)

где N - число периодов рециркуляции от момента запуска до момента появления импульса на выходе элемента И 12.

При запуске с выхода элемента 12 блок 1 формирует импульс длительностью Т и в режиме рециркуляции он суммируется в элементе ИЛИ 13 с импульсом длительностью ta с выхода триггера 10, и таким образом запускающий импульс равняется Т + тз. При внешнем запуске в начальный момент времени блок 1 формирует импульс Т + тз и, следовательно, запускающий импульс на входе источника излучения 2 остается всегда одинаковой величины.

Поясним алгоритм работы вычислительного блока 5.

В нем по значению частоты рециркуляции определяется время оптической задержки и, значит, дальность до объекта, а по разности оптических задержек на различных длинах волн находится средняя скорость распространения излучения вдоль линии наблюдения, что учитывается при вычислении результата дальности. Этот происходит следующим образом. Справедливо соотношение:

ni Amп. п0 5ь () где no, ni - показатели преломления воздуха для длины волныАч при стандартной температуре (значение берется из справочника) и при условиях измерений, соответственно;

А По, Ащ - разности показателей преломления на длинах волн А2 , AI при стандартной температуре и в условиях измерений, соответственно.

Учитывая (3), дальность вычисляется по формуле:

где torn - время задержки на дистанции излучения с длиной волны AI .

В этой формуле величины п0, Лп0. С известны и берутся из справочника, t0m опре- деляется по частоте рециркуляции, значение Ani находится из формул (1), (2) после небольших математических преобразований

10

Дл, ,-.

i -torn

(5)

Так как в формуле (5) величину At с относительной погрешностью лучше, чем 10 -10 практически определить сложно, то и значение ni следует брать с такой же

погрешностью, т.е. нет необходимости учитывать зависимость от температуры.

Следовательно, вычислительный блок 5 содержит два счетчика, один из которых измеряет частоту рециркуляции, а второй -число периодов рециркуляции до появления импульса на выходе элемента И 12, а также вычислительную схему на базе микропроцессора, производящую математическую обработку полученной информации по

формулам (2), (4), (5).

Таким образом, благодаря использованию оригинального режима работы источника излучения и введению в устройство блоков спектрального селектора, второго

приемники излучения, двух формирователей импульсов, триггера и других, в заявляемом устройстве одновременно с измерением расстояний удается получить информацию о скорости распространения

излучения вдоль линии наблюдения и учесть ее значение при расчете дальности по величине оптической задержки, что повышает точность измерения расстояний. Формула изобретения

Рециркуляционный светодальномер, содержащий блок запуска, источник излучения, первый приемник излучения, первую линию задержки и вычислительный блок, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности, он снабжен спектральным селектором, установленным перед первым приемником излучения, вторым приемником излучения, оптически сопряженным со спектральным селектором, первым и вторым формирователями импульсов, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго приемников излучения, источником постоянного тока, соединенным с источником излучения, второй линией задержки, элементами ИЛИ, И и D-триггером, D-вход которого соединен с общей шиной, S- и R-входы - соответственно с выходами первого и второго формирователей импульсов, С-вход - с входом

сброса вычислительного блока и входом внешнего запуска блока запуска, а выход D-триггера соединен со счетными входами вычислительного блока и входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом блока запуска, а выход через первую линию задержки - с источником излучения,

выход первого формирователя импульсов через вторую линию задержки соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с вторым формирователем импульсов, а выход - с входом блока запуска и информационным входом вычислительного блока.

Л.

Фиг. 2