Спосіб світловіддалемірних вимірювань

Спосіб світловіддалемірних вимірювань, заснований на світлолокації з плавною зміною частоти світлових імпульсів, який відрізняється тим, що при світлолокації зі змінюваною частотою фіксують момент проходження прямих і відбитих імпульсів світла з рівними часовими інтервалами відносно один одного за виникненням подвійної частоти відносно частоти випромінювання, отриману подвійну частоту поділяють навпіл і порівнюють з частотою випромінювання, а виміряну відстань визначають за формулою щонайменше для двох частот f1 і f2 : Запропонований спосіб відноситься до геодезії і, зокрема, до віддалемірних вимірювань. Відомі світлолокаційні способи вимірювання дальності, наприклад, світловіддалемірний спосіб визначення відстані від випромінювача до відбивача, засновані на вимірюванні годинних інтервалів проходження випроменюваним імпульсом відстані від випромінювача до відбивача і назад [1]. Недоліком цього способу є низька точність визначення часу. Більш точним є фазовий метод. Фазовий метод припускає створення безперервних гармонійних коливань уздовж лінії від випромінювача до об'єкта і назад. Коливання, що випускає випромінювач, проходять вимірювальну лінію, відбиваються від об'єкта, знову проходять ту ж дистанцію і приймаються приймачем. Одночасно на приймач подаються коливання випромінювача безпосередньо. Як вимірювальний пристрій використовують фазометр, що вимірює різницю фаз між прямими (безпосередніми) і відбитими від об'єкта коливаннями, що пройшла подвійну відстань між приймачем (випромінювачем) і об'єктом. При відомій частоті випромінюваних коливань, швидкості поширення їх у повітрі й виміряній різниці фаз між прямими і відбитими від об'єкта коливаннями вимірюють відстань [2]. При цьому способі вплив помилки виміру різниці фаз на точність визначення відстані залежить від частоти випромінювання. Практика показала, що для зменшення впливу помилки виміру різниці фаз на точність виміру відстані до об'єкта необхідно збільшувати частоту [2]. Способи, засновані на вимірі різниці фаз, дозволяють вимірювати дистанцію до об'єкта з достатньою, для геодезії точністю при частотах не менш 10МГЦ. Недоліком фазового методу є складність апаратури та методики для фазових вимірів. S= uDn 4(f1 - f2 ) , (13) 86917 (11) UA (19) частот, при цьому ni - ціле число періодів проходження імпульсів прямих і відбитих в інтервалі S часу t = ; u fi - робоча частота прямих і відбитих імпульсів при вимірі в момент, коли при розподілі навпіл вона дорівнює частоті випромінювання, при цьому враховують, що Dni - парне число. C2 де u - швидкість світла в атмосферному повітрі; Dn = n1 - n2 - різниця чисел періодів ni для двох 3 86917 Найбільш близьким аналогом при вимірюванні відстаней є фазовий спосіб із плавною зміною частоти випромінювання для виключення багатозначності вимірів [2]. Задачею винаходу є створення способу виміру відстаней, що дозволяє спростити процедуру виміру і підвищити точність виміру відстаней. Поставлена задача вирішується за рахунок створення способу світловіддалемірних вимірювань, заснованого на світлолокації з плавною зміною частоти світлових імпульсів, що відрізняється тим, що при світлолокації зі змінюваною частотою фіксують момент проходження прямих і відбитих імпульсів з рівними тимчасовими інтервалами відносно один одного по виникненню подвійної частоти щодо частоти випромінювання, отриману подвійну частоту поділяють навпіл і порівнюють з частотою випромінювання, а виміряну відстань визначають з вираження: uDn S= 4( f1 - f2 як мінімум для двох частот f1 і f2, де u - швидкість світла в атмосферному повітрі; Dn= n1-n2- різниця чисел періодів ni для двох частот, ni ціле число періодів проходження імпульсів прямих і відбитих в інтервалі часу S t= ; u fi - робоча частота прямих і відбитих імпульсів при вимірі в момент, коли при розподілі навпіл вона дорівнює частоті випромінювання, при цьому враховують, що Dni - парне число. Технічним результатом є спрощення процесу виміру і підвищення точності за рахунок виключення фазових вимірів. На фіг. 1 представлена блок-схема приладу, що реалізує запропонований спосіб. 1 - блок обробки інформації і управління; 2 - генератор змінної частоти; 3 - випромінювач світлових імпульсів; 4 - відбивач; 5 - оптико-електронний прийомний пристрій; 6 - змішувач частот(опорної і прийнятої); 7 - дільник частоти; 8 - блок порівняння частот; 9 - блок виміру-фіксації частоти; 10 - блок обчислення відстані; 11 - блок індикації; 12 - блок запису і збереження інформації. Власне світловіддалемір (блоки поз. 1,2,3,5,6,7,8,9,10,11,12 на фіг. 1) виконаний у корпусі з підставкою і при роботі його встановлюють на штативі і центрують над геодезичним знаком на початку вимірюваної лінії. Відбивач 4 установлюють на штативі над точкою(знаком), що фіксує кінець вимірюваної лінії. На фіг. 1 одинарними лініями зі стрілками позначені електричні зв'язки, подвійними лініями зі стрілками - оптичні зв'язки. Опис роботи даного приладу пояснює сутність запропонованого способу і полягає в наступному: із блоку 1 (обробки інформації і управління) подають сигнал на включення генератора 2. Генератор 2 виробляє частоту і передає її в блок світлового 4 випромінювання 3, при цьому випромінювач блоку 3 через формуючу оптику блоку посилає світлові імпульси на відбивач 4. Відбиті імпульси приймаються прийомним оптико-електронним блоком 5 на його фотоприймач і перетворюються в електричний сигнал. Частота випромінюваних імпульсів дорівнює: fU (t ) = 1 , T (1) 1 , T (2) де Т-період проходження імпульсів. При цьому частота відбитих імпульсів буде такою же: f 0 (t ) = Після попереднього посилення цей сигнал із блоку 5 надходить у змішувач частот 6. У блок 6 також надходить сигнал з генератора 2, що має частоту і фазу випромінюваного блоком 3 сигналу. При прийомі прямих і відбитих імпульсів у прийомний канал будуть надходити дві однакові частоти fU і f0 , що мають деяку різницю фаз, що може бути виражена в тимчасовому проміжку(затримці) t. Тоді відстань буде дорівнювати: S= u ×n , 2 f0 (3) де nі - число цілих періодів проходження імпульсів. При плавній зміні частоти, вироблюваної генератором 2, настає момент, коли часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами, що надійшли в блок 6, буде дорівнювати різниці фаз випромінюваного і відбитого імпульсів. Плавно змінюючи частоту fU(t) при вимірі відстані S, одержують момент, при якому величина затримки буде t1 = T1 , 2 при цьому частота f 1 проходження послідовності прямих і відбитих імпульсів буде дорівнювати: f1 ( t ) = 2 1 = , T1 t 1 (4) т.е. fі = 2fU - таким чином у прийомному каналі одержують частоту f 1 у два рази вище ,ніж частота випромінювання fU(1). При цьому блок 6 сформує подвійну частоту щодо частоти, поданої генератором 6, і передає цей сигнал у блок 7. У блоці 7 отриману частоту поділяють на 2 і з блоку 7 сигнал цієї зниженої вдвічі частоти передають у блок 8 - порівняння частот. У блок 8 також надходить сигнал з генератора 2 (з частотою випромінювання). Таким чином, у блоці 8 виконують порівняння частот: 1) частоти отриманої в блоці 6 і діленої на 2 у блоці 7; 2) частоти генератора 2. При розподілі частоти f 1 навпіл і порівнянням нової перетвореної частоти конують контроль збігу частот f1 2 частотою fU(1) ви 5 86917 f1 = fU (1) 2 (5) При визначенні ідентичності частот із блоку 8 у блок 1 передають сигнал про настання моменту рівності частот. Одночасно з блоку 6 у блок 9 (виміру частоти) надходить сигнал подвійної частоти, сформованої в блоці 6. По команді блоку 1 у момент збігу частот у блоці 8 блок 9 передає значення виміряної частоти в блок 10 (обчислення відстані). При цьому з блоку 1 віддають у блок 10 значення виправлень за температуру, атмосферний тиск і вологість навколишнього середовища. Ці дані можуть бути введені в блок 1 за допомогою ручного набору чи безпосередньо від відповідних датчиків. З блоку 10 у блок індикації 11 передають результати вимірів, інформація про результати вимірів також передається в блок 12 - запису і збереження інформації. Продовжуючи плавно змінювати частоту fU, f пр ( 2 ) одержують f2 = fU ( 2 ) . 2 f = 2 2 одів ni В кожний момент фіксації блоком 8 fi = fU (i ) в порівнянні з попереднім 2 f i -1 = fU (i -1) число цілих періколи 2 змінюється Dn= n(i ) - n(i -1) = 2 . на 2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун періоди. Тобто Очевидно, що при пода льшій зміні частоти завжди Dn- парне число. Як мінімум на двох частотах, наприклад, f1 і f2 обчислюють обмірювану відстань на основі вираження: un1 S= , (6) 4 f1 де ni - ціле число періодів проходження імпульсів прямих і відбитих в інтервалі часу t= S u , ni непарне число. При цьому можна записати: un1 un2 n1 n1 - Dn = = , 4 f1 4 f 2 n1 - n2 = Dn, f1 f2 Dn × f1 , n1 = (7) f1 - f 2 Тоді: S= і контролюють умову збігу частот моментом, 6 uD n 4( f1 - f 2 ) (8) Тобто з огляду на відоме значення частот fi, різниці Dn, що визначається по числу збігів частот у блоці 8, швидкість світла в даному середовищі u - визначають величину S. Таким чином, запропонований спосіб світловіддалемірних вимірювань дозволяє одержати підвищення точності вимірів за рахунок виключення вимірів різниці фаз частот проходження випромінюваних і відбитих імпульсів, а також дозволяє враховувати зміну частоти випромінювання, використовуваної для виміру по сигналах збігу частот: змішаної, поділеної на два й опорної. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601