Спосіб світловіддалемірних вимірювань

УКРАЇНА (19) UA (11) 94154 (13) C2 (51) МПК G01C 3/08 (2006.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ СВІТЛОВІДДАЛЕМІРНИХ ВИМІРЮВАНЬ 1 Більш точним є фазовий спосіб. У ньому як вимірювальний пристрій використовують фазометр, що вимірює різницю фаз між прямими (безпосередніми) і відбитими від об'єкта коливаннями, що пройшли подвійну відстань між приймачем (випромінювачем) і об'єктом. При відомій частоті випромінюваних коливань, швидкості поширення їх у повітрі та виміряній різниці фаз між прямими і відбитими від об'єкта коливаннями вимірюють відстань. Великим недоліком фазового методу є те, що фазометри вимірюють тільки фазовий домір, що призводить до задачі багатозначності [1]. Для зменшення впливу помилки вимірювання різниці фаз на точність визначення довжини лінії потрібно збільшувати частоту. Такі засоби дозволяють вимірювати дистанцію до об'єкта з достат (13) 94154 (11) де: S* - наближене значення вимірюваної відстані; V - швидкість поширення світлових імпульсів у даному середовищі;  - час проходження світловими імпульсами подвійної вимірюваної відстані 2S* , при цьому визначають наближене значення числа довжин хвиль на частоті f: 2f n*  S*, V де: n* - наближене значення числа довжин хвиль на частоті f; f - значення масштабної частоти в момент появи подвійної частоти, та обчислюють точне значення вимірюваної відстані за формулою: V S n, 2f де: S - точне значення вимірюваної відстані; n - число довжин хвиль на частоті f - округлене до цілого значення n*. C2 V , 2 UA Запропонований спосіб належить до геодезії, зокрема до віддалемірних вимірювань, і є представником імпульсно-частотного методу вимірювання відстаней. Існує три основні методи вимірювання дальності: часовий (імпульсний), фазовий та частотний. Четвертим методом є комбінований, що може поєднувати деякі основні. Наприклад, часовий метод визначення відстані від випромінювача до відбивача заснований на вимірюванні годинних інтервалів проходження випроміненим імпульсом відстані від випромінювача до відбивача і назад. Недоліком цього пристрою є низька точність визначення часу (10 нс), яка задовольняє геодезистів при вимірюванні ліній довжиною 100 км [1]. S*  (19) (21) a200909306 (22) 10.09.2009 (24) 11.04.2011 (46) 11.04.2011, Бюл.№ 7, 2011 р. (72) БЕЛЕНОК ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ, БУРАЧЕК ВСЕВОЛОД ГЕРМАНОВИЧ, МАЛІК ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА, ПАРАНІЧ ВІКТОР ПЕТРОВИЧ (73) КОЛЕДЖ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ЗЕМЛЕВПОРЯДКУВАННЯ НАУ (56) UA 27651 U, G01B9/00, публ. 12.11.2007. UA 86917 C2, G01S13/00, публ. 25.12.2008. UA 27649 U, G01C3/00, G01B7/00, публ. 12.11.2007. EP 2034334 А1, G01S17/10, публ. 11.03.2009. US 4881809, G01C3/08, публ.21.11. 1989. (57) Спосіб світловіддалемірних вимірювань, заснований на методі імпульсної світлолокації з плавною зміною частоти світлових імпульсів, який відрізняється тим, що змінюють частоту проходження імпульсів до отримання подвійної частоти імпульсів відносно масштабної, фіксують значення масштабної частоти в момент появи подвійної частоти, одночасно виконують визначення наближеного значення вимірюваної відстані S* за часом проходження імпульсами подвійної відстані 2S* : 2 3 ньою для геодезії точністю при частотах не менших 10 МГц [1]. Ще одним недоліком фазового методу є складність апаратури та методики для фазових вимірів. Найбільш близьким аналогом до запропонованого способу є імпульсний світловіддалемір із плавною зміною частоти випромінювання, який можна прийняти за прототип [2]. Задачею винаходу є створення способу вимірювання відстаней, що дозволяє спростити процедуру вимірювання, підвищити точність та швидкість вимірювань. Поставлена задача вирішується за рахунок створення способу світловіддалемірних вимірювань, заснованого на методі імпульсної світлолокації з плавною зміною частоти світлових імпульсів, який відрізняється тим, що змінюють частоту проходження імпульсів до отримання подвійної частоти імпульсів відносно масштабної, фіксують значення масштабної частоти в момент появи подвійної частоти, одночасно виконують визначення наближеного значення вимірюваної відстані S* за часом проходження імпульсами подвійної відстані 2S*: V S*  , (1) 2 де S* - наближене значення вимірюваної відстані; V - швидкість поширення світлових імпульсів у даному середовищі; - час проходження світловими імпульсами подвійної вимірюваної відстані 2S*, при цьому визначають наближене значення числа довжин хвиль на частоті f: 2f n*  S* , (2) V де n* - наближене значення числа довжин хвиль на частоті f f- значення масштабної частоти в момент появи подвійної частоти, обчислюють точне значення вимірюваної відстані за формулою: V S n, (3) 2f де S - точне значення вимірюваної відстані; n - число довжин хвиль на частоті f - це є заокруглене до цілого значення n*. Технічним результатом є збільшення швидкодії світловіддалемірних вимірювань та підвищення їх точності. На фіг.1 представлена блок-схема пристрою, який реалізує запропонований спосіб. Відповідними цифрами на ній позначено: 1 - блок керування та обробки інформації; 2 - генератор електричних імпульсів змінної частоти; 3 - випромінювач світлових імпульсів; 4 - відбивач; 5 - оптико-електронний прийомний пристрій; 6 - змішувач частот (прямих та відбитих імпульсів); 7 - блок ділення змішаної частоти прямих та відбитих імпульсів; 94154 4 8 - блок порівняння частот; 9 - блок ділення масштабної частоти навпіл; 10 - блок вимірювання та фіксації частоти; 11 - блок фільтра низької частоти; 12 - генератор гетеродинної частоти; 13 - змішувач частот (масштабної та гетеродинної); 14 - обчислювальний вузол; 15 - блок індикації. 16 - блок запису і збереження інформації. Власне світловіддалемір (блоки 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 та 16 на фіг.1) виконаний у корпусі з підставкою і при роботі його встановлюють на штативі й центрують над точкою (геодезичним знаком) на початку вимірюваної відстані. Відбивач 4 встановлюють на штативі над точкою (знаком), що фіксує кінець вимірюваної відстані. На фіг.1 суцільними лініями зі стрілками позначені електричні зв'язки, а штриховими лініями зі стрілками - оптичні зв'язки. Опис роботи даного пристрою пояснює сутність запропонованого способу і полягає в наступному. Із блока керування та обробки інформації (блок 1) надходить сигнал про початок роботи генератора (блок 2). Генератор виробляє сигнал масштабної частоти fм і передає його в випромінювач світлових імпульсів (блок 3), який переробляє електричний сигнал від генератора і через формуючу оптику посилає світлові імпульси такої ж частоти на відбивач (блок 4). Відбиті імпульси приймаються на площину фотокатоду оптикоелектронного прийомного пристрою (блок 5) і детектуються в електричний сигнал з частотою, що дорівнює масштабній, але з іншою фазою. Одночасно з цим на модулюючий електрод блока 5 подаються імпульси з допоміжного генератора - гетеродину (блок 12), який є некогерентним до основного - з частотою fг, яка є близькою до масштабної. Завдяки цьому високочастотні імпульси на виході блока 5 перетворюються в низькочастотні сигнальні імпульси частоти fс, підсилюються і через фільтр низької частоти (блок 11) направляються в обчислювальний вузол (блок 14). У обчислювальний вузол також направляються і опорні імпульси fоп, частота яких сформувалась у змішувачі (блок 13) із імпульсів масштабної частоти fм, що йдуть від генератора, і частоти гетеродинного генератора fг. Імпульси, що надходять у блок 5 з відбивача, після попереднього підсилення надходять у змішувач частот (блок 6), куди також надходять прямі імпульси від генератора масштабної частоти fм. При плавній зміні частоти, що виробляється генератором, можна отримати момент, коли часова затримка (різниця фаз) між прямими і відбитими імпульсами, що надійшли у змішувач частот (блок 6), буде дорівнювати половині періоду проходження імпульсів. При цьому у блоці 6 отримують частоту F результуючого імпульсу, у два рази вищу, ніж частота випромінювання fм:F=2fм. При цьому блок 6 передає сигнал подвійної частоти F у блок ділення частоти (блок 7), який, у свою чергу, сигF нал зниженої вдвічі подвійної частоти передає 2 в блок 8 (блок порівняння частот). У блок 8 також 5 надходить сигнал з генератора з частотою прямих імпульсів fм. При діленні частоти F навпіл у блоці 8 F виконують контроль збігу частот fм  .При вико2 нанні рівності частот із блока 8 у блок 1 передають сигнал про настання моменту збігу частот, тобто про появу подвійної частоти F. У випадку, коли часова затримка між прямими і відбитими імпульсами, що надходять у змішувач частот (блок 6), не дорівнює половині періоду проходження імпульсів масштабної частоти, у блоці 6 маємо спектр частот, тобто при подальшому поділу навпіл частоти складного результуючого сигналу із блока 6 у блоці 7 і порівнянні з масштабною частотою генератора у блоці 8, маємо розбіжність F частот і fм. При плавній зміні частоти генерато2 F ра fм і поступовому наближенні частоти до зна2 чення fм, у блоці 8 з'являється низька частота біт (~1 кГц), поява якої характеризує наближення моF менту рівності частот: fм  . 2 На фіг.2 зображено залежність амплітуд гармонік складного результуючого сигналу від різниці фаз прямих і відбитих імпульсів. На фіг.2: − - графік амплітуди першої гармоніки (масштабної частоти);  - графік амплітуди другої гармоніки (подвійної частоти); ∙∙∙∙- графік амплітуди третьої гармоніки. Як видно з фіг.2, при різниці фаз = мінімум амплітуди першої гармоніки відповідає моменту, коли різниця фаз між прямими (випромінюваними) і відбитими імпульсами, що надходять у змішувач (блок 6) з генератора та прийомного пристрою відповідно, дорівнює половині періоду проходження імпульсів і також відповідає моменту, коли у змішувачі буде сформована подвійна частота відносно частоти прямих імпульсів: F=2fм. У момент появи подвійної частоти блок 1 передає сигнал у блок вимірювання та фіксації частоти (блок 10) про обчислення частоти імпульсів заповнення fзап, необхідної для визначення часового інтервалу між опорним fоп і сигнальним імпульсами fс, що відповідає часу  проходження світ 94154 6 ловими імпульсами подвійної вимірюваної відстані. Частота імпульсів заповнення fзап утворюється у блоці 9 (блок ділення масштабної частоти навпіл) шляхом поділу навпіл масштабної частоти fм, що надходить у блок 9 із генератора електричних імпульсів (блок 2). Із блока 9 частота fзап надходить у блок 10 для обчислення її значення. Блок 10 передає обчислене значення fм у обчислювальний вузол. У момент появи подвійної частоти блок 1 також передає сигнал до генератора. Генератор направляє електричний сигнал масштабної частоти fм, на якій було сформовано подвійну частоту F, у блок 10 для обчислення значення fм. У момент появи подвійної частоти обчислювальний вузол визначає часовий інтервал між опорним і сигнальним імпульсами шляхом множення кількості імпульсів заповнення, що вклалися в цьому інтервалі, на період імпульсів заповнення, який визначається, як величина, обернена до частоти fзап, обчисленої в блоці 10. Далі обчислювальний вузол проводить послідовні обчислення за формулами (1-3), у результаті чого визначає вимірювану відстань S. Для обчислення вимірювальної відстані блок 1 передає у обчислювальний вузол 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 блока 14 у блок індикації 15 передають результати вимірів. Інформація про результати вимірювань також передається з блоку 14 у блок 16 блок запису і збереження інформації. Таким чином, запропонований спосіб світловіддалемірних вимірювань дозволяє одержати підвищення точності вимірювань за рахунок виключення необхідності вимірювати різницю фаз між прямими і відбитими імпульсами. Джерела інформації: 1. Костецька Я.М. Геодезичні прилади. Частина II. Електронні геодезичні прилади: Підручник для студентів геодезичних спеціальностей вузів. Львів: ІЗМН, 2000. - 324с 2. Захаров А.И. Геодезические приборы: Справочник. - М.: Недра, 1989. - 314 с: ил. 7 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 94154 8 Підписне Тираж 23 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