Способ измерения расстояния Советский патент 1993 года по МПК G01C3/06 

(Л

С

Использование: в системах связи оптической локации. Сущность изобретения: способ включает изменение оптического пути светового потока путем перемещения блока модулятора-демодулятора до получения электрического сигнала, устанавливают режим питания модулятора-демодулятора света в пределах 0,35 - 0,65 и фиксируют режим питания, соответствующий максимальной крутизне изменения соотношения UOM/UH, где UQM - амплитуда модулирующего колебания; Un - полуволновое напряжение. 3 ил.

Изобретение относится к методам и средствам для измерения расстояний при специальных инженерно-геодезических работах и может применяться для создания высокоточных измерителей расстояний в системах связи, оптической локации, допле- ровских измерителях скорости, в оптоэлек- тронном приборостроении, для построения высокоточных светодальномеров геодезического и специального назначения.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что изменением режима питания модулятора демодулятора света в пределах

-гг 0,35...0,65 получают информационные характеристики, выявляют точки максимальной крутизны (особые точки), при выбранном оптимальном режиме питания и фиксированных особых точках снимают де- модуляционную характеристику, по которой

определяют положение модулятора-демодулятора света, соответствующего минимуму электрического сигнала и измеряемое расстояние.

Рассмотрим демодуляционную характеристику (ДМХ) процесса модуляции-демоду- ляции светового потока в электрооптическом модуляторе-демодуляторе света, имея ввиду, что полезная информация содержится в фазе поднесущей.

Относительная интенсивность светового потока на входе фотоприемного устройства (ДМХ) фазового светодальномера, показанного на фиг.1, равна

00

А

о ч о VJ

(2A

-Чг

(1)

где

Do

Un

- режим питания модулятора-демодулятора света на электрооптическом элементе, под которым понимается

нормированное значение модулирующего колебания, т.е. отношение его амплитуды к полуволновому напряжению; D - измеряемое расстояние;

Дм-длина волны модулирующего колебания;

- функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Анализируя в целом ход кривых на фиг.2 можно отметить, что несмотря на некоторые различия между максимальными значения l/io, существенными представляются различия в области минимумов характеристики.

При любом режиме UoM/Un частота следования минимумов демодулированного светового потока на выходе демодулятора равна частоте модуляции со и сохраняется при изменении Uow/Un. При этом основное требование к выбору режима UoM/Un сводится к условию, при котором исходная рабочаяточка системы модулятор-демодулятор стабильна и сохраняет свое положение на модуляционной характеристике.

При фотоэлектрической регистрации сигнала, полученного на выходе демодулятора, изменение интенсивности на выходе анализатора вызывает соответствующие изменения фототока на выходе ФПУ,

При работе на линейном участке амплитудной характеристики ФПУ функция (D) с точностью до постоянного коэффициента будет совпадать с ДМХ, В прототипе способа индикация осуществляется по экстремальным (нулевым) точкам ДМХ. В этом случае точность функции нулевых точек ограничивается действием помех, обусловленных собственными шумами ФПУ. В предлагаемом способе индикацию осуществляют в точках ДМХ с наибольшей крутизной, а фиксацию - в точках кривой (D), рассчитываемых на уровне порога чувстви- тельности ФПУ.

Подобные точки определены как особые.

Крутизна изменения сигнала на выходе ФПУ (обусловливающая чувствительность светодальномера, т.е. интервал значений, определяющих точность фиксации домера фазового цикла) пропорциональна крутизне изменения ДМХ. Следовательно, оценка крутизны ДМХ при минимальных (пороговых) значениях относительной интенсивности 1/10 на выходе системы равнозначна оценка крутизны в особой точке кривой (D). Очевидно, что особая точка имеет координату, зависящую от режима питания

модулятора-демодулятора света и интенсивности приемного света.

Таким образом максимальная крутизна ДМХ Smax для данного режима

d § В° опРеДеленная в особой точке LN может служит параметром, характеризующим точность индикации величины демодулированного светового потока.

Определяемая крутизна ДМЗ для схемы, представленной на фиг., ориентируясь на соотношение (1)

d(l/l0)/ jjp

2л:2 UQM „,„2лгР , /0, 2л:Оч

тзгГ 2 wcos -тс-

Р)

На фиг.З представлена зависимость крутизны S ДМХ от режима питания модулятора-демодулятора в области точки LN, рассчитанная по формуле (2) для случая /lo const, UOM - 0. Как следует из кривой фиг.З в интервале значений U0M/Un 0,3-0,65 зависимость крутизны S от амплитуды переменного напряжения носит линейный характер.

Итак, для повышения точности измерения расстояний рекомендуемый режим питания модулятора-демодулятора света должен быть выбран в интервале UoM/Un

0,35-0,65.

Реализация способа измерения расстояний осуществляется светодальномером, функциональная блок-схема которой приведена на фиг.Т. Светодальномер содержит

лазерный генератор 1, свет которого через блок модулятора-демодулятора 2 направляется на измеряемую трассу. Отразившись от зеркального отражателя 3, световой поток вновь принимается на блок модулятора-демодулятора и направляется на фотоприемное устройство (ФПУ) 4, включающий в себя анализатор света (не показанный на рисунке). Электрический сигнал с ФПУ 4 усиливается усилителем 5 и поступает на

аналого-цифровой преобразователь 6. Информация с выхода аналого-цифрового преобразователя 6 поступает на вход микропроцессора 7. Выход высокочастотного генератора 8 подключен к блоку 3 для

осуществления модуляции демодуляции светового луча. Перемещение блока модулятора-демодулятора 2 осуществляется шаго- вым двигателем 9. Выходы микропроцессора 7 подключены к индикатору 10, высокочастотному генератору 8 и шаговому двигателю 9 для их управления.

Светодальномер работает следующим образом. Модулирующие колебания от высокочастотного генератора 8 подаются на блок модулятора-демодулятора 2. Луч лазерного генератора 1, проходя через модулирующий элемент блока 2, модулируется и направляется вдоль измеряемой трассы на отражатель 3 и, возвращаясь, вновь попада- ет в блок 2, где демодулируется и после трансформации в анализаторе света в амп- литудно-модулированный принимается на ФПУ 4. Электрический сигнал с ФПУ усиливается усилителем 5.

До начала процесса измерения расстояния осуществляем юстировку измерительного тракта светодальномера, в частности определяем режим питания UoM/Un модулятора-демодулятора света, соответствующий максимальной крутизне ДМХ. С этой целью шаговый двигатель 9 перемещает блок модулятора-демодулятора 2 от одного крайнего положения в другое. После каждого шага шагового двигателя 9 производится иэмере- ние выходного напряжения усилителя 5 и преобразование его в цифровой код анало- ro-цифровым преобразователем 6. Информация с выхода аналого-цйфрового преобразователя записывается в память микропроцессора 7.

В результате в памяти микропроцессора накапливаются дискретные значения (Si, $2...,5м) семейства кривых среднеинтег- ралы-юго светового потока. Далее микропроцессор 7 по заданной программе анализирует поступившую информацию, вычисляет положение особых точек по оптимальному режиму питания модулятора- демодулятора света и соответствующее

положение модулятора-демодулятора 2. Завершение операции означает готовность светодальномера к проведению измерения расстояния.

Цикл измерения расстояния включает снятие одной кривой среднеинтегрального светового потока для выбранного режима питания UoM/Un, вычисление положения модулятора-демодулятора 2 при минимуме электрического сигнала на основе обработки измеренных значений всей кривой среднеинтегрального светового потока, вывод информации об измеренном значении расстояния на табло цифрового индикатора 10. Работой узлов, а именно высокочастотного генератора 8, шагового двигателя 9, аналого-цйфрового преобразователя 6 и индикатора 10 управляет микропроцессор 7 по заданной программе измерений, которую можно изменять в зависимости от конкретной задачи измерения.

Формула изобретения Способ измерения расстояния свето- дальномером, включающий изменение оптического пути светового потока путем перемещения блока модулятора-демодулятора света до получения минимального электрического сигнала, последовательную фиксацию блока модулятора-демодулятора света с измерением положений точек фиксации и обработку результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, перед перемещением блока модулятора-демодулятора света, устанавливают режим питания UoM/Un модулятора-демодулятора света в пределах 0,35 - 0,65, где UOM - амплитуда модулирующего колебания, Un полуволновое напряжение, и фиксируют режим питания, соответствующий максимальной крутизне изменения соотношения UoM/Un.

0,125 0.25 0,5

Фиг.1

0,75

1

dS