Фазовий оптико-електронний далекомір

1. Фазовий оптико-електронний далекомір, що містить блок вимірювання дальності і блок вимірювання різниці фаз, в якому блок вимірювання дальності містить випромінювач, фотоприймач, основний генератор, гетеродин, два підсилювачі потужності, два перемножувачі, два фільтри низької частоти, два підсилювачі-обмежувачі, при цьому вихід основного генератора через підсилювач потужності з’єднаний з випромінювачем, а через перемножувач, фільтр низької частоти і підсилювач-обмежувач зв’язаний з першим входом блока вимірювання різниці фаз, вихід гетеродина зв’язаний з другим входом перемножувачів, а блок вимірювання різниці фаз містить лічильник і масш U 2 (19) 1 3 21631 4 також пов’язаного з першим входом блоку вимірюНедоліком цього пристрою є необхідність вання різниці фаз через перемножувач, фільтр створення і використання для збільшення точності низької частоти і підсилювач-обмежувач, гетеровимірювань нестандартного елементу - блоку дисдина, вихід якого пов’язаний з другим входом пекретних фазових затримок у вигляді гібридної мікремножувачів, а блок вимірювання різниці фаз росхеми. складається з лічильника і масштабного генератоНайближчим з відомих є лазерний далекомір ра, де вхід лічильника з’єднаний з виходом масш[пат. UA 58480 С2 G01З3/06, публ.15.08.2003. Латабного генератора, блок вимірювання дальності зерній віддалемір. Сидоренко Г.С., Купко B.C., додатково містить резонансний підсилювач потужЛукін І.В., Соболь В.В., Ковшов С.Б ., Лукін О.В., ності фотоприймача і контур автоматичного регуРасчектаєва A.I.], узятий як найближчий аналог. лювання підсилення, з’єднуючий вихід фільтра Відомий далекомір містить оптично зв’язані лазернизької частоти фотоприймача з підсилювачем ний випромінювач, зовнішній оптичний відбивач і потужності випромінювача, а блок вимірювання фотоелектричний приймач, генератор масштабних різниці фаз додатково містить формувач часових частот, зв’язаний виходом з лазерним випромінюінтервалів і мікроконтролер, при цьому вхід форвачем і змішувачем, генератор гетеродинних часмувача часових інтервалів з’єднаний з виходами тот, зв’язаний першим виходом з фотоелектричпідсилювачів-обмежувачів блока вимірювання даним приймачем і змішувачем, а також пов’язаний з льності, вхід мікроконтролера з’єднаний з виходафотоелектричним приймачем і змішувачем фазоми формувача часових інтервалів і лічильника, а вимірювальний пристрій, комутатор електричних вихід мікроконтролера з’єднаний з входом лічильсигналів, зв’язаний першим входом з виходом геника. нератора масштабних частот і другим входом з Загальними ознаками найближчого аналога і виходом генератора гетеродинних частот, а перзапропонованого фазового оптико-електронного шим виходом пов’язаний з лазерним випромінюдалекоміра є наступні: найближчий аналог і запровачем і змішувачем і другим виходом - з фотоелепонований далекомір містять випромінювач, фоктричним приймачем і змішувачем. тоелектричний приймач, основний генератор, геУ лазерному далекомірі задача підвищення теродин, а блок вимірювання різниці фаз містить точності вимірювання відстаней розв’язується лічильник і масштабний генератор. Відмітними шляхом одиничного вимірювання дальності в два ознаками запропонованого фазового оптикоетапи в результаті своєрідного „обміну” масштабелектронного далекоміра від найближчого аналога ною і гетеродинною частотами між каналами інє те, що блок вимірювання дальності додатково формаційних сигналів. містить резонансний підсилювач потужності фотоПерший етап аналогічний традиційному, при приймача і контур автоматичного регулювання якому вимірювання дальності робиться по фазопідсилення потужності випромінювача, а блок вивому зсуву інформаційних сигналів. При цьому мірювання різниці фаз додатково містить формувимірювальний сигнал формується за рахунок вач часових інтервалів і мікроконтролер. проходження лазерним променем з основною часНа Фіг. показана структурна схема фазового тотою вимірюваної дальності, а опорний сигнал - в оптико-електронного далекоміра. результаті проходження сигналу з гетеродинною Запропонований фазовий далекомір складачастотою по внутрішніх ланцюгах далекоміра. На ється з 2-х блоків - блока І вимірювання дальності і другому етапі робиться повторне вимірювання блока II вимірювання різниці фаз. дальності при другому положенні комутатора елеБлок І містить основний генератор 1, підсилюктричних сигналів, при якому випромінювач геневачі потужності 2 і 6, випромінювач 3, фотоприйрує оптичні імпульси з гетеродинною частотою, а мач 5, гетеродин 7, перемножувачі 8 і 9, фільтри на фотоприймач поступає електричний сигнал низької частоти 10 і 11, підсилювачі-обмежувачі 12 основної частоти. В результаті відбувається часті 13. кова компенсація паразитних фазових зсувів інфоБлок II складається з формувача часових інрмаційного сигналу у вн утрішніх ланцюга х далетервалів 14, лічильника 15, масштабного генеракоміра. тора 16 і мікроконтролера 17. Недоліком далекоміра-найближчого аналога є Працює фазовий оптико-електронний далеконедостатня точність вимірювань дальності за рамір таким чином. хунок неповної компенсації паразитних фазових Сигнал з частотою модуляції, наприклад, зсувів інформаційних сигналів, що виникають в 7,5мГц, з основного генератора 1 через підсилюрезультаті неідентичності параметрів оптичних вач потужності 2 поступає на випромінювач 3. У сигналів в зовнішньому і внутрішньому каналах випромінювальному каналі за допомогою випромідалекоміра. нювача 3, відповідних генеруючого 1 і підсилюваУ основу корисної моделі поставлена технічна льного 2 елементів формується оптичний ВЧзадача підвищення точності вимірювань малих сигнал. Підсилювальна частина випромінювальнодальностей (до10м). го каналу містить високоомний буферний підсилюПоставлена задача розв’язується тим, що у вач на виході основного генератора 1 і підсилювач фазовий оптико-електронний далекомір, що міспотужності 2 типу «перетворювач напруга-струм», тить 2 блоки - блок вимірювання дальності і блок безпосередньо навантажений на випромінювач 3. вимірювання різниці фаз, де блок вимірювання Модульований ВЧ-сигналом світловий потік дальності складається з випромінювача і фотовипромінювача 3, відбившись від поверхні об’єкту приймача, основного генератора, з’єднаного з ви4, поступає на фотоприймач 5. Відбитий оптичний промінювачем через підсилювач потужності, а сигнал реєструється і перетворюється фотоприйції. 5 21631 6 мачем 5, який навантажується на резонансний Потім в мікроконтролері 17 обчислюється поконтур підсилювача 6, налаштований на частоту точне значення вимірюваної дальності S, відповідмодуляції. но до основної формули фазового методу вимірюЕлектричній сигнал фотовідповіді з виходу вання дальності [Костецкая Я.М. Свето- и фотоприймача 5, посилений резонансним підсирадиодальномеры. - Львов: Вища школа. Изд-во лювачем 6, поступає на вхід перемножувача 8. В при Львовском государствнном университете, той же час на вхід перемножувача 9 ВЧ-сигнал 1986.] поступає безпосередньо з основного генератора 1. S=[Dj/(2 p)]×[c/(2f)], Таким чином, сигнал з основного генератора 1 Де f - частота модуляції сигналу; с - швидкість поступає на вхід перемножувача 8 через часову світла в повітрі. лінію затримки, утворену елементами відкритого У вимірювальний канал далекоміра введений оптичного каналу далекоміра, а на вхід перемнорезонансний підсилювач потужності 6 фотоприйжувача 9 - напряму. мача 5, здійснюючий зміщення діапазону вимірюОпорний сигнал формується в перемножувачі вань у бік великих значень зсуву фази Dj. 9. Гетеродинне перетворення частоти вимірюваНеобхідність прийому обумовлена тим, що льного і опорного сигналів робиться з використанвимірювання малих дальностей використаним ням загального гетеродина 7, що визначає частоту методом при малих значеннях зсуву фази Dj сугетеродинного сигналу кожного каналу. Високий проводжується погіршенням точності в результаті ступінь стабільності ВЧ-сигналів основного генезменшення числа імпульсів, заповнюючих вимірюратора 1 і гетеродина 7 досягається за допомогою вальні часові інтервали t і Т і використовуваних кварцових резонаторів, частоти яких відрізняються для розрахунку їх усереднених величин. При часна необхідну величину проміжної частоти, напритоті модуляції сигналу f порядку 5мГц зміна зсуву клад 6,66кГц. фази Dj вимірювального і опорного сигналів, проВимірювальний сигнал з виходу перемножувапорційна діапазону вимірюваних дальностей ча 8 і опорний сигнал з виходу перемножувача 9 S=0,3...10,0м, складає Dj=3,6...120°. За допомогою поступають на входи фільтрів низької частоти 10 і розстроювання резонансного підсилювача потуж11, відповідно. Вимірювальний і опорний сигнали ності 6 у вимірювальному каналі формується понизької частоти виділяються за допомогою фільтстійний фазовий зсув Djдод між вимірювальним і рів низької частоти 10 і 11. Таким чином, створюопорним сигналами Djдод=30°. Це дозволяє змісються умови для вимірювання різниці фаз на низьтити діапазон вимірювання фази у бік збільшення, кій проміжній частоті, що забезпечують високу внаслідок чого Dj=33,6...150°. При цьому зменшуточність вимірювань. ється відносна зміна вимірювального інтервалу Dj З виходів фільтрів 10 і 11 НЧ-складові вимірюз 33 до 4,5 разів, а також переноситься вимірювального і опорного сигналів через підсилювачівання зсуву фази Dj, пропорційне мінімальній виобмежувачі 12 і 13 поступають на вхід формувача мірюваній дальності, на ділянку більших значень часових інтервалів 14 блоку II вимірювання різниці різниці фаз. фаз, де робиться аналіз часових зсувів вимірюваТаким чином, саме введення резонансного льного і опорного сигналів. підсилювача потужності фотоприймача приводить Вимірювальний імпульс позитивної полярносдо підвищення точності вимірювань на малих даті, тривалість якого пропорційна різниці фаз вимільностях (до 10м). рювального і опорного сигналів, з виходу формуУ блок І вимірювання дальності далекоміра вача часових інтервалів 14 поступає на вхід введений контур автоматичного регулювання підмікроконтролера 17. По позитивному фронту вимісилення по випромінювальному каналу для стабірювального імпульсу мікроконтролер 17 формує лізації рівня відбитого оптичного сигналу, що посигнал дозволу рахунку на лічильник 15, на рахунступає на фотоприймач 5, і відповідного ковий вхід якого поступають імпульси еталонної збільшення точності вимірювань. Контур автомачастоти з масштабного генератора 16. тичного регулювання підсилення охоплює весь З виходу лічильника 15 вимірювана величина високочастотний тракт і з’єднує вихід фільтра нив чисельному двійковому вигляді поступає на вхід зької частоти 10 вимірювального каналу з підсимікроконтролера 17. Тривалість вимірювального лювачем потужності 2 випромінювача 3. Необхідімпульсу в цифровому вигляді записується в ність введення петлі автоматичного регулювання пам’ять мікроконтролера 17 у момент приходу непідсилення обумовлена достатньо широким динагативного фронту сигналу з ви ходу формувача мічним діапазоном (»120дБ) оптичного сигналу, часових інтервалів 14. По наступному позитивному що поступає на фотоприймач 5 у разі відсутності фронту си гналу в пам’ять мікроконтролера 17 затакого регулювання. Обробка оптичного сигналу з писується в цифровому вигляді тривалість періоду таким широким динамічним діапазоном технічно вимірювального сигналу. Одночасно робиться важко здійснима, а також супроводжується виникобнуління лічильника 15. ненням значної систематичної помилки. ЗменшенУ мікроконтролері 17 спочатку робиться обчиня діапазону зміни оптичного сигналу досягається, слення фазового зсуву Dj, відповідного певній наприклад, за рахунок стабілізації рівня випромідальності S, по двох часових інтервалах відповіднюваної світлової потужності шляхом автоматично до виразу ного регулювання коефіцієнта підсилення підси(1) Dj=(1-t/T)×p, лювача 2 в каналі випромінювача 3. де t - тривалість вимірювального імпульсу; З цією метою в схему випромінювача 3 вклюТ - тривалість періоду вимірювального сигчений каскад регулювання рівня сигналу на двозаналу. 7 21631 8 творному польовому транзисторі. Підвищення точас-фаза, котре робиться мікроконтролером 17 чності вимірювань досягається в результаті регузгідно виразу (1), задовольняє умові лінійності, що лювання рівня випромінювання шляхом керування забезпечує високі метрологічні властивості даленапругою по другому затвор у транзистора підсикоміра. лювача 2 випромінювача 3. В даному випадку заТочність вимірювань часових інтервалів t і Т в стосування, наприклад, транзистора BF998 фірми значній мірі визначається впливом нестабільності Philips дозволяє звузити динамічний діапазон вхічастот основного 1 і гетеродинного 7 генераторів, дного сигналу фотоприймача 5 на 60дБ. При цьоа також масштабного генератора 16. Запропоному систематична помилка зменшується приблизно ваний алгоритм вимірювання Dj, передбачаючий в три рази за рахунок стабілізації рівня шуму. захист від дрейфу частоти генераторів, включає У блок II вимірювання різниці фаз введені фовимірювання абсолютної величини часового інрмувач часових інтервалів 14 і мікроконтролер 17 тервалу t, відповідного зсуву фази, і тривалості для забезпечення точного вимірювання часових періоду вимірювального сигналу T. При цьому поінтервалів. казником зсуву фази Dj є не абсолютна величина Робота блока II вимірювання різниці фаз заt, а її відношення до тривалості вимірюваного песнована на вимірюванні часового зсуву між сигнаріоду T. Це підвищило допустиму нестабільність лами проміжної частоти вимірювального і опорночастоти генераторів до рівня 10-7, що дозволило го каналів, пропорційного фазовому зсуву між виключити вплив нестабільності частот на погрішними. ність вимірювання часових інтервалів і, зрештою, Сигнали з виходів підсилювачів-обмежувачів на точність вимірювання дальності. 12 і 13 вимірювального і опорного каналів блока І Експериментальна перевірка створеного давимірювання дальності поступають на входи форлекоміра показала, що введення в далекомір номувача часових інтервалів 14. На виході формувавих додаткових ознак: у блок вимірювання дальча часових інтервалів 14 формується імпульс поності - резонансного підсилювача потужності зитивної полярності, по тривалості рівний фотоприймача і контур у автоматичного регулючасовому зсуву вимірювального і опорного сигнавання підсилення, а в блок вимірювання різниці лів, і передається на вхід мікроконтролера 17. фаз - формувача часових інтервалів і мікроУ блоці II вимірювання різниці фаз робиться контролера, дозволило збільшити точність вимівимірювання часу t перекриття періодів двох сигрювання дальності удвічі в діапазоні 0,3...10,0м. налів проміжної частоти, а також періоду Т проміДослідний зразок розробленого далекоміра гожної частоти. Вимірювання часових інтервалів t і Т тується до передачі в експлуатацію в будівельній здійснюється методом підрахунку за допомогою організації. мікроконтролера 17 числа імпульсів масштабної частоти у вимірюваному інтервалі. Перетворення Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601