Устройство для дистанционного измерения расстояний Советский патент 1985 года по МПК G01C3/08 G01B9/02 

Изобретение относится к области геодезического приборостроения и мо жет использоваться для измерения расстояний между объектами, Известно устройство для дистанци онного измерения расстояний, содер.жащее двухлзгчевой интерферометр и измеритель дробной доли порядка интерферешщи lj. Это устройство позволяет измерить смещение концевого отражателя двухяучевог о интерферометра с точностью примернб 10 доли интерфереивдонной полосы, что составляет 5.-10 мкм. Однако этим устройством невозмож но измерить целые числа порядков интерференции, что делает его непригодным для уточнения расстояний, если оно предварительно не известно с точностью до половины длины волны излзгчения используемого источника. света (0,2-0,4 мкм). Известно устройство для дистанци онного измерения расстояний, содержащее двухчастотньй лазер и измеритель дробных долей порядков интерфе рендан на частотах излучения лазера С23, Недостатком этого устройства явл ется наобходимость перестройки частоты в диапазоне между реперными частотами. Это приводит к использованию дорогих перестраиваемых лазеров. Крсциетого, при выполнении высокоточных: измерений больших рассто яний (д0 1 км) необходима точная фиксация концевых частот, что возможно осущ&с:твить, В частности, с помощью дополнительного стабилизированного лазера и монохроматора D При этом, измеряемое расстояние вьиисляют по формуле г(,- скорость света в воздухе;концевые частоты; N - число сосчитанных импул сов (разность порядков интерференции). Это устройство предназнйченр для измерения длины интерферомегра, т.е для измерения небольших расстояний (дъ нескольких метров) в условиях стационарной атмосферы и обладает сложной конструкцией. Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для дистанционного измерения расстояний, содержащее интерферометр Майкельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор, сое;щненный с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок fA. Недостатком этого устройства является небольшой диапазон измерений (несколько десятков метров), так как в нем не предусмотрено исключение влияния атмосферы. Цель изобретения - увеличение длительности действия. Цель достигается тем, что устройство для дистанционного измерения расстояний, содержащее интерферометр Майкельсона, двухчастотный Стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор, соединенньй с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок, снабжено генератором парных импульсов, коммутатором частот лазера и измерителем дробной доли порядка интерференции, соединенньм входом с выходом фотоприемника, а вькодом со входом вычисли- тельного блока, при этом генератор парных импульсов -соединен выходом со вторым входом вычислительного блока и со входом коммутатора частот лазера, соединенного выходом с двухча.стотным стабилизированным лазером. Кроне.того поставленная цель дополнительно достигается тем, что измеритель дробной доли порядка интерференции состоит из резонансного усилителя, .соединенного входом с выходом фотоприемника, и измерителя амплитуды первой гармоники, соединенного входом с выходом реэонансного усилителя, а выходом с первым входом вычислительного блока. На чертеже представлена функциональная схема устройства для дистанционного измерения расстояний. Устройство для дистанционного измерения расстояний содержит интерферометр Майкельсона, состоящий из полупрозрачного зеркала 1, отражате3ля 2 рабочего канала и отражателя 3 опорного канала, двухчастотный стабилизированный лазер 4 и фотоприемник 5, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, измеритель 6 дробной доли порядка интерференции, соединен ньй входом с выходом фотоприемника 5 вычислительный блок 7, соединенньй первым входом с выходом измерителя 6 дробной доли порядка интерференщш, генератор 8 парных импульсов, соединенный выходом со вторым входом вычислительного блока 7, коммутатор частот лазера .4, соединенный входом .с выходом генератора 8 парных импуль сов, а выходом с двухчастотным стаби лизированньгм лазером 4, и модулятор 10, соединенный с отражателем 3 опор ноге канала интерферометра Майкельсо При этом измеритель 6 дробной дол порядка интерференции состоит из резонансного усилителя 11, соединенного входом с выходом фотоприемника 5, и измерителем 12 амплитуды первой гармоники, соединенного входом с выходом резонансного усилителя 11,а выходом с первым входом вычислительного блока 7; модулятор 10 может быть выполнен, например, пьезокерамическим. Устройство для дистанционного измерения расстояний работает следующим образом.Стабилизированньй двухчастотный лазер 4 излучает на частоте за время длительности одного изпарных импульсов, вырабатываемых генератором 8 парных импульсов, и на ч астоте -02 .за время длительности второго парного импульса. Излучение на часто тах - и л) поступает в интерферометр Майкельсона, расщепляется полупрозрачным зеркалом 1 и, отразившис от отражателя 2 и 3 рабочего и опорного каналов сводится в один пучок полупризрачным зеркалом 1 и направляется им на светочувствительную площадку фотоприемника 5. Измерител 6 дробной доли порядка интерференции измеряет дробную долю интерфере ционной полосы и вьфабатывает электрический сигнал, пропорциональный этой доле интерференционной полосы, поступающий на первый вход вычислительного блока 7. Генератор 8 парны импульсов управляет переключением 0 частот двухчастотного стабилизированного лазера 4 с помощью коммутатора 9 частот лазера 4 и этим же сигналом, поступающим на второй вход вычислительного блока 7, определяет время усреднения сигналов от измерителя 6 дробной доли порядка интерференции, поступающих на первый вход вычислительного блока 7. При этом, пьезокерамический модулятор 10, изменяя положение отражателя 3 опорного канала, вызьшает модуляцию оптической разности хода на выходе интерферометра.. Сигналы с выхода фотоприемника 5 поступают на резонансный усилитель 11,. . на частоту модуляции положения -;05:ряжателя .3 опорного канала HHTep tepoiieVpu Шйкельсона. Резонансный усилитель t J вьщеляет из них первую rapMoraiKy, величину которой определяет измеритель 12 амплитуды первой гармоники. Величина сигнала на выходе измерителя 12 амплитуды пропорциональна дробной доли порядка интерференции. При этом дистанционное определение расстояния осуществляется в вычислительном блоке 7 следуюпщм образом. Предварительно по величине расстояния D , измеренного с точностью -- 2 см, например, с помощью светодальнометра, вычисляется по формуле (1) разность целых порядков интерференции И на частотах излучения лазера л), , 1 . Затем вводят в вы-; .числительный блок 7 измеренные с помощью измерителя 6 дробной доли порядка интерференции дробные доли порядков интерференции Д,, Д соответственно. частотах VT г Производится вычисление целого числа порядков интерференции М на частоте излучения -J лазера по формуле . (.A, где Д,, ДЛИНЫ волн, соответствуюп91е частотам из-, лучения -V, , зера. Искомое уточненное расстояние определяется по формуле: D(. Из формулы (3) видно, что относительная ошибка измерения определяется стабильностью частоты лазера, которая имеет величину 10. тепьно, если исключить влияние сферы на результат измерений, то от- носительная .погрешность измере1Шй величины расстояния О так же составит величину 10.

Влияние флюктуации атмосферы на результат измерения можно исключить, например, ограничением времени регистрации интерференционной картины. Для этого выполняется ряд измерений на двук частотак излучеаая -t , А лазера за малые промежутки времени k с послед спщм осреднением в вы числительном блоке 7. Поскольку известно, что спектры флюктуащхи амплитуды и разности фаз не 1февосходят 1 кГц. Следовательно, г следует выбирать л 1 мс.

С другой стороны, корелляхщоаные связи флюктуафш оптич :ко ч сигнала на приземных трассах затухают за время «I с. Поэтому целесообразно выбрать вр енной интервал t между отдел измерениями : 1 с. Величины и Т О11ределяют длительность пар. импульсов генератода 8 парных импульсов и интервал между я1ими«

Предложенное устройство позволяет измерять расстояния до 1 км. в один этап, то есть по дальномерному прин,-7 ципу с относительной погрешностью 10

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее интерферонетр Майкельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор, соединенный с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок, отличающееся тем, что, с целью увеличения дальности действия, оно снабжено генератором парных им-пульсов, коммутатором частот лазера и измерителем дробной доли порядка .интерференции, соединенным входом с выходом фотоприемника, а выходом с входом вычислительного блока, при этом генератор парных импульсов сое динен выходом с вторым входом вычислительного блока и с входом коммутатора частот лазера, соединенного выходом с двухчастотным стабилизированным лазером.. 2. Устройство по П.1, о т л и (Л чающееся тем, что, измеритель дробной доли порядка интерференции состоит из резонансного усилителя, соединенного входом с выходом фотоприемника, и измерителя амплитуды со со перв)й гармоники, соединенного входом с выходом резонансного усилите00 ля, а выходом - с первым входом выоь числительного блока. а

М/Д/ А.х

ю

ипаиш llUIIIIIIf