Спосіб надлишкових вимірювань дальності

Спосіб надлишкових вимірювань дальності, заснований на формуванні короткого імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості, подачі його на об'єкт дослідження, фотоелектричному перетворенні сформованого та відбитого від об'єкта імпульсного оптичного сигналу, багаторазовому рециркуляційному вимірюванні дальності протягом заданого інтервалу часу Dt 0 з врахуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єкта дослідження) та його нормованої на час t лз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Nx, який відрізняється тим, що, до вимірювання дальності Dx до досліджуваного об'єкта, спочатку C2 2 79976 1 3 79976 льсный лазерный дальномер], оснований на формуванні короткого імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості, подачі його на об'єкт дослідження, фотоелектричному перетворенні сформованого та відбитого від об'єкта імпульсного оптичного сигналу, багаторазовому рециркуляційному вимірюванні дальності на протязі заданого інтервалу часу Dt 0 з вра хуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єктa дослідження) та його нормованої на час tлз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Ν х. Відомий спосіб має недостатню точність вимірювання, яка обумовлена нестабільністю параметрів першого та другого фотоприймачів. Крім того, відомий спосіб вимірювання дальності не враховує вплив коефіцієнта поглинання світлового потоку середовищем на результат визначення дальності. Як зазначають самі автори, максимальна дальність дії забезпечується по багатогабаритним об'єктам типу міських будівель при нормальних метеорологічних умовах видимості (»20км). Найбільш близьким до запропонованого є спосіб вимірювання дальності [див. деклараційний патент на винахід №43209 А, кл. G01С3/00 (Україна) публ. 15.01.2001р. Й.Й. Білинський, О.В. Федун. Світлодалекомір], оснований на формуванні короткого імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості, подачі його на об'єкт дослідження, фотоелектричному перетворенні сформованого та відбитого від об'єкта імпульсного оптичного сигналу, багаторазовому рециркуляційному вимірюванні дальності на протязі заданого інтервалу часу Dt 0 з врахуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єкта дослідження) та його нормованої на час tлз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Nх. Відомий спосіб має недостатню точність вимірювання, обумовлену нестабільністю часу проходження імпульсного оптичного сигналу через елементи оптичного тракту та по електронному каналу, в тому числі по лінії затримки, тобто за рахунок нормованої та ненормованої (випадкової) затримки імпульсу. Крім того, відомий спосіб не забезпечує виключення похибки вимірювання дальності, обумовленої невідповідністю геометричної довжини шляху та оптичної довжини хвилі, тобто не враховує середньоінтегральне значення показника заломлення повітря вздовж траєкторії розповсюдження електромагнітних хвиль. В основу винаходу покладена задача створення такого способу надлишкових вимірювань дальності, у якому, шляхом введення заданої кількості, послідовності і умов виконання операцій та обробки результатів проміжних вимірювань по заздалегідь заданому рівнянню надлишкових вимірювань, забезпечується підвищення точності визначення дальності при нестабільній функції перетворення оптичного сигналу в електричний сигнал. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що спосіб надлишкових вимірювань дальності, оснований на формуванні короткого імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості, подачі його на об'єкт дослідження, фотоелектричному пере 4 творенні сформованого та відбитого від об'єкта імпульсного оптичного сигналу, багаторазовому рециркуляційному вимірюванні дальності на протязі заданого інтервалу часу Dt0 з врахуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єкта дослідження) та його нормованої на час tлз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Νх, від прототипу відрізняється тим, що, до вимірювання дальності Dx до досліджуваного об'єкта, спочатку формують (вибирають) наперед задану і нормовану за розміром дальність D1, визначають число циркуляцій N1 при вимірюванні нормованої за розміром дальності D1 протягом інтервалу часу Dt0, отриманий результат запам'ятовують, далі формують (вибирають) другу наперед задану і нормовану за розміром дальність D2, значення якої відрізняється від значення дальності D1 на нормовану за розміром величину DD, тобто {D2}={D1}+{DD}, де {DD} - значення приросту дальності D1, визначають число циркуляцій Ν 2 при вимірюванні дальності D2 також протягом інтервалу часу Dt0 , отриманий результат запам'ятовують, формують невідому за розміром дальність D3, яка відрізняється від значення дальності DX на нормовану за розміром величину DD, тобто {D3}={Dx}+{DD}, визначають число циркуляцій N3 при вимірюванні невідомої за розміром дальності D3, отриманий результат запам'ятовують, після визначення числа циркуляцій Nx при вимірюванні невідомої за розміром дальності Dx до досліджуваного об'єкта, та запам'ятовування числа циркуляцій Nx про дійсне значення дальності судять за рівнянням надлишкових вимірювань (N2 - N3 ) × (D1 + DD) Dx = D D × . (N1 - Nx ) × D1 - (N2 - N3 )× (D1 + DD) Суть запропонованого способу надлишкових вимірювань дальності пояснюється структурною схемою пристрою наведеною на рисунку, де 1 джерело оптичного випромінювання; 2 - напівпрозора пластина; 3 - дзеркало; 4 та 5 - перша та друга діафрагми з ручним управлінням; 6 - об'єкт дослідження; 7 - збиральна лінза; 8, 9, і 10 - перша, друга і третя оптичні лінії затримки; 11 - світловод; 12 - складена призма; 13 - фокусуюча лінза; 14 імерсійний фотоприймач; 15 - компаратор; 16 лічильник імпульсів; 17 - електрична лінія затримки. Припустимо, що перетворення імпульсного оптичного сигналу в електричний здійснюється за допомогою фотоприймача, робоча точка якого розташована на лінійній ділянці характеристики. Будемо вважати, що ця ділянка описується лінійною функцією перетворення виду (1) Uн=S'лФх+DU'н де S'л - параметр (чутливість) реальної функції перетворення ({S'л}={Sл}·(1+gл); gл - відносне відхилення чутливості фотоприймача від номінального значення (gл={DSл}/{Sл})); DU'н - реальне за розміром зміщення функції перетворення ({DU'н}={DUн}+{Dа}); DUн - номінальне за розміром зміщення функції перетворення; Dа - адитивна складова похибки перетворення. 5 79976 В цілому будемо вважати, що перетворення імпульсного оптичного сигналу та підрахунок перетворених імпульсів здійснюється по лінійному закону для кожної з вимірюваних дальностей, тобто число імпульсів, що підраховуються, пропорційне дальності. Запропонований спосіб надлишкових вимірювань дальності, оснований на формуванні короткого імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості, подачі його на об'єкт дослідження, фотоелектричному перетворенні сформованого та відбитого від об'єкта імпульсного оптичного сигналу, багаторазовому рециркуляційному вимірюванні дальності на протязі заданого інтервалу часу Dt 0 з врахуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єкту дослідження) та його нормованої на час tлз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Nx. Згідно із запропонованим способом, до вимірювання дальності Dx до досліджуваного об'єкта, спочатку формують (вибирають) наперед задану і нормовану за розміром дальність D1. Визначають число циркуляцій N1 при вимірюванні нормованої за розміром дальності Dx протягом інтервалу часу Dt 0. В результаті одержують: {S' } N1 = л + DN (2) {D1} де S'л - реальна функція перетворення, DN похибка визначення дальності. Отриманий результат (2) запам'ятовують. Далі формують другу наперед задану і нормовану за розміром дальність D2. Причому значення дальності D2 вибирають таким, щоб воно відрізнялося від значення дальності D1 на нормовану за розміром величину DD, тобто {D2}={D1}+{DD}, де {DD} - приріст дальності D1. Визначають число циркуляцій N2 при вимірюванні нормованої за розміром дальності D2 також протягом інтервалу часу Dt0 і отримують Dx = 6 N2 = {S'л } {D1} +{ DD } + DN (3) Отриманий результат (3) також запам'ятовують. Формують невідому за розміром дальність D3 таким чином, щоб значення дальності D3 відрізнялося від значення дальності Dx на нормовану за розміром величину DD, тобто {D3}={D x}+{DD)}, де {DD} - значення приросту дальності Dx. Визначають число циркуляцій N3 при вимірюванні невідомої за розміром дальності D3. В результаті одержують число циркуляцій {S' л} + DN N3 = (4) {Dх }+ {DD} Отриманий результат (4) запам'ятовують. Визначають число циркуляцій Nx при вимірюванні невідомої за розміром дальності Dx до досліджуваного об'єкта. {S' } Nх = л + DN (5) {Dх } Отримане значення (5) запам'ятовують. Про дійсне значення судять за рівнянням надлишкових вимірювань виду (N2 - N3 ) × (D1 + DD) Dx = D D × (N1 - Nx ) × D1 - (N2 - N3 )× (D1 + DD) (6) В результаті виконання описаних операцій та обробці отриманих даних досягається виключення впливу на результат визначення дійсного значення дальності середньоінтегрального значення показника заломлення повітря впродовж траєкторії розповсюдження електромагнітних хвиль, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки, обумовлених нестабільністю функції перетворення оптичних сигналів в електричні та їх підрахунок. Покажемо, що дійсно за допомогою запропонованого рівняння надлишкових вимірювань забезпечується одержання позитивного ефекту. Для цього в рівняння (6) підставимо аналітичні вирази (2...5) та зробимо спрощення: S'л D D(D1 + D D)(D x - D1 ) D D(D x - D1 ) = =Dx éæ S'л (D x - D1 ) ö ö 1 S'л (D x - D1 )(D1 + DD) ù (D + DD )(D - D )æ 1 ç ÷ ÷D1 (D1 + DD )(Dx + DD )êç 1 x 1ç ÷ ç ÷ D1 × D x (D1 + DD )(D x + DD ) ú êè ú è D x D x + DD ø ø ë û Аналіз рівняння надлишкових вимірювань (6) показав, що обробка результатів проміжних вимірювань зазначеним чином забезпечує виключення впливу абсолютних значень параметрів лінійної функції перетворення оптичного випромінювання в напругу, а також їх змін в часі та від температури, відносно номінальних значень. Таким чином, запропонований спосіб надлишкових вимірювань дальності забезпечує виключення адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибок та виключення впливу середньоінтегрального значення показника заломлення повітря і часових затримок на результат вимірювання. Позитивний ефект отриманий завдяки введенню нової сукупності та послідовності операцій вимірювання різних за розмірами дальностей і вико ристання нового рівняння надлишкових вимірювань. Покажемо сутність запропонованого способу надлишкових вимірювань дальності на прикладі роботи пристрою, структурна схема якого наведена на рисунку. Причому, джерело оптичного випромінювання 1 оптично зв'язане через напівпрозору пластину 2, першу діафрагму 4 з об'єктом дослідження 6 і з дзеркалом 3, яке оптично зв'язане через другу діафрагму 5, складену призму 12 і фокусуючу лінзу 13 з імерсійним фотоприймачем 14, вхід якого оптично з'єднаний з об'єктом дослідження 6 через фокусуючу лінзу 13, складену призму 12, одну з ліній затримки 8, 9 і 10, відповідно, збиральну лінзу 7, напівпрозору пластину 2 і першу діафрагму 4. Ви хід імерсійного фотоприймача 14 з'єднаний зі входом компаратора 15. Вихід ком 7 79976 паратора 15 підключений до з'єднаних між собою входів лічильника імпульсів 16 та з входом електричної лінії затримки 17. Вихід електричної лінії затримки 17 з'єднаний зі входом управління джерела оптичного випромінювання 1. Крім того, оптичні лінії затримки 8, 9 і 10 та світловод 11 встановлюються між збиральною лінзою 7 та складеною призмою 12 вручну. Робота вимірювача дальності, структурна схема якого наведена на рисунку, складається з чотирьох тактів вимірювання різних за значенням дальностей і одного такту обчислення отриманих результатів. В першому такті перша і друга діафрагми 4 і 5 встановлюються в закрите положення, при якому переривається проходження потоку випромінювання від дзеркала 3 до складеної призми 12 та від об'єкта дослідження 6 до збиральної лінзи 7. Між збиральною лінзою 7 та складеною призмою 12 встановлюють оптичну лінію затримки 8 з часом затримки, який відповідає проходженню імпульсним оптичним сигналом дальності D1. Після включення джерела оптичного випромінювання 1 за допомогою кнопки ,Дуск" (на рисунку не показано) вихідний потік віддзеркалюється від напівпрозорої пластини 2, поступає на закриту першу діафрагму 4, відбивається від неї і, через оптично з'єднані напівпрозору пластину 2, збиральну лінзу 7, оптичну лінію затримки 8, складену призму 12 і фокусуючу лінзу 13 поступає на імерсійний фотоприймач 14. Вихідний сигнал імерсійного фотоприймача 14 поступає на компаратор 15. Переднім фронтом вихідного імпульсу компаратора 15 змінюється стан лічильника імпульсів 16 на одиницю і поступає на електричну лінію затримки 17, де затримується на час tлз. Вихідний імпульс електричної лінії затримки 17 самостійно запускає джерело оптичного випромінювання 1. Аналогічним чином у лічильник імпульсів 16 протягом часу вимірювання Dt0 поступає N1 (2) імпульсів. Отриманий результат запам'ятовується. У другому такті замість оптичної лінії затримки 8 встановлюється оптична лінія затримки 9, яка відповідає проходженню імпульсним оптичним сигналом дальності D2. Згідно з запропонованим способом нормоване значення дальності D1, що забезпечує оптична лінії затримки 9, вибране таким, щоб воно відрізнялося від значення дальності D1 на нормовану за розміром величину DD, тобто {D2}={D1}+{DD}. Процес визначення дальності D2 аналогічним чином (як і у першому такті) повторюється. У другому такті у лічильник імпульсів 16 протягом часу вимірювання Dt0 поступає Ν2 (3) імпульсів. Отриманий результат запам'ятовується. 8 В третьому такті перша діафрагма 4 встановлюється у відкрите положення (див. рисунок). Замість оптичної лінії затримки 9 встановлюється оптична лінія затримки 10, яка відповідає дальності D3. Після включення джерела оптичного випромінювання 1 за допомогою кнопки „Пуск" вихідний потік поступає через напівпрозору пластину 2 на дзеркало 3, відбивається від нього і, через складену призму 12 та фокусуючу лінзу 13 поступає на імерсійний фотоприймач 14. Вихідний сигнал імерсійного фотоприймача 14 поступає на компаратор 15. Переднім фронтом вихідного імпульсу компаратора 15 змінюється стан лічильника імпульсів 16 на одиницю і поступає на електричну лінію затримки 17, де затримується на час tлз. Вихідний імпульс електричної лінії затримки 17 самостійно запускає джерело оптичного випромінювання 1. Одночасно зазначений вихідний потік джерела оптичного випромінювання 1 віддзеркалюється від напівпрозорої пластини 2, поступає через відкриту першу діафрагму 4 на досліджуваний об'єкт 6, відбивається від нього і, через оптично з'єднані напівпрозору пластину 2, збиральну лінзу 7, оптичну лінію затримки 10, складену призму 12 і фокусуючу лінзу 13 поступає на імерсійний фотоприймач 14. Вихідний сигнал імерсійного фотоприймача 14 знову поступає на компаратор 15. Переднім фронтом вихідного імпульсу компаратора 15 змінюється стан лічильника імпульсів 16 ще на одиницю. Одночасно вихідний сигнал компаратора 15 через електричну лінію затримки 17 запускає джерело оптичного випромінювання 1. Аналогічним чином у лічильник імпульсів 16 протягом часу вимірювання Dt0 поступає N3 (4) імпульсів. Отриманий результат запам'ятовується. В четвертому такті між збиральною лінзою 7 і складеною призмою 12 встановлюють світловод 11. Вимірювання дальності до досліджуваного об'єкта 6 здійснюється аналогічним чином. У лічильник імпульсів 16 протягом часу вимірювання Dt0 поступає Ν3 (5) імпульсів. Отриманий результат запам'ятовується. Дійсне значення дальності обчислюється по результатах проміжних вимірювань (2)...(5) згідно з рівнянням числових значень (N2 - N3 )× ({D1}+ {DD}) Dx = {DD}× (N1 - Nx ) ×{D1} - (N2 - N3 )× ({D1 +{ DD ) } } Таким чином, запропонований спосіб надлишкових вимірювань дальності забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. 9 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко 79976 Підписне 10 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