Спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об’єкта

1. Спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта, заснований на формуванні потоку інфрачервоного випромінювання заданої довжини хвилі і потужності, модуляції його опорним високочастотним сигналом заданої частоти і амплітуди, направленні модульованого потоку інфрачервоного випромінювання на досліджуваний об'єкт, що розташований на невідомій віддалі Dx, прийому відбитого від об'єкта інфрачервоного випромінювання з огинаючою, що зсунута по фазі (затримана у часі), перетворенні огинаючою прийнятого модульованого потоку інфрачервоного випромінювання у електричний сигнал, виділенні основної гармоніки високочастотного сигналу частоти модуляції, підсиленні його до рівня опорного високочастотного сигналу, підраховуванні та запам'ятовуванні числа повних фаз (періодів), що пройшли від моменту часу випромінювання до моменту часу прийому потоку інфрачервоного випромінювання, тобто за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання, вимірюванні та запам'ятовуванні фазового зсуву x між опорним та зсунутим по фазі високочастотними сигналами частоти модуляції з наступним визначенням віддалі за рівнянням вимірювання, який відрізняється тим, що спочатку вибирають об'єкт з нормованою за значенням віддаллю D0, який розташований у тому ж оточуючому середовищі, що й досліджуваний об'єкт, направляють модульований потік інфрачервоного випромінювання на об'єкт з відомою віддаллю D0, протягом часу проходження потоку інфрачервоного випроміню 2 3 90951 4 ного сигналу, від якого підраховують число повних потоку інфрачервоного випромінювання. фаз високочастотного сигналу за час затримки Винахід належить до галузі вимірювальної техніки, зокрема, до способів вимірювання великих та середніх віддалей та може бути використаний при створенні далекомірів для військовопромислового комплексу, геодезії, навігації, будівництва тощо. Відомий спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта (див. деклараційний патент на винахід №21472 кл. G01С3/00 (Україна) публ. 30.04.1998p. Головко Дмитро Богданович, Скрипник Юрій Олексійович. Фазовий спосіб вимірювання відстані до нерухомого предмета і пристрій для його здійснення), який заснований на тому, що у якості зондуючого променя використовують модульоване гармонічним коливанням лазерне випромінювання, що направлене на контрольований предмет, а час подвійного проходження цим променем вимірюваної віддалі визначають за фазовим зсувом обвідної модуляції цього променя відносно модулюючого сигналу. За цим способом вимірювану віддаль визначають в долях довжини хвилі обвідної модуляції зондуючого променя. У відомому способі неминуча неоднорідність фази модуляції за перерізом зондуючого променя, реальні відхилення закону модуляції лазерного променя від гармонічного, а також фазові набіги, що виникають в процесах модуляції і демодуляції, не дозволяють одержати високу точність вимірювання. Відомий спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта (Большаков В.Д. и др. Радиогеодезические и злектроннооптические измерения. М., Недра, 1985. - с. 156-158), який заснований на створенні зондуючого променя з двох оптичних когерентних випромінювань близьких за частотою, опроміненні контрольованого предмета зондуючим променем, прийомі відбитого променя, його фотоелектричному перетворенні, виділенні електричного сигналу різницевої частоти, вимірюванні фазового зсуву електричного сигналу і визначення віддалі за аналітичним співвідношенням. Віддаль Lx визначають за виразом Lx c 4 F nГ n (1) де с - швидкість розповсюдження світла у вакуумі; F - різниця частот двох оптичних випромінювань; nГ - середнє інтегральне значення групового показника переломлення повітря; вимірюваний фазовий зсув. З відомого співвідношення видно, що вимірювану віддаль одержують у долях довжини хвилі сумарної інтерференційної картини, яка створюється при суперпозиції оптичних когерентних коливань, що одночасно випромінюються на двох близьких частотах. Нестабільність різницевої частоти F і непостійність групового показника переломлення повітря nГ впливають на результат вимірювання. На близьких частотах двох оптичних випромінювань найменші зміни в частоті оптичних коливань викликають великі зміни їх різницевої частоти. Тому що максимальний фазовий зсув не перевищує 2 за сигналом різницевої частоти, то фазові зсуви при фотоелектричному перетворенні і виділенні електричного сигналу різницевої частоти співмірні з корисним фазовим зсувом . Тому сумарна похибка вимірювання віддалі виходить значною. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб надлишкових вимірювань віддалі (див. деклараційний патент на винахід №79976 кл. G01С3/00 (Україна) публ. 10.08.2007р., Бюл. №12, 2007р. Кондратов Владислав Тимофійович, Руденький Олександр Миколайович. Спосіб надлишкових вимірювань віддалі), який заснований на формуванні короткого імпульсного потоку інфрачервоного випромінювання 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 t0 з врахуванням часу проходження імпульсного оптичного сигналу заданої тривалості (до і від об'єкта дослідження) та його нормованої на час лз і ненормованої затримки з наступним визначенням числа циркуляцій Νx. Проте, на результат вимірювання впливає похибка через фазовий зсув в електричному та оптичному каналах. А також даний метод передбачає обов'язково наявність набору оптичних ліній затримки, характеристики яких впливають на похибку результату вимірювання. Вибір штучної віддалі D не враховує стан навколишнього середовища на даній віддалі, що приводить до додаткових похибок визначення швидкості розповсюдження потоку інфрачервоного випромінювання. Крім цього, недоліком даного методу є велика кількість арифметичних операцій обчислення в рівнянні вимірювання. Поставлена технічна задача в створенні такого способу надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта, який би забезпечував виключення адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибок, виключення впливу фазового набігу сигналів в електричному та оптичному каналах, а також виключення впливу швидкості розповсюдження потоку інфрачервоного випромінювання в навколишньому середовищі на результат вимірювання. Поставлена технічна задача вирішується тим, що спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта, заснований на формуванні потоку інфрачервоного випромінювання заданої довжини хвилі і потужності, модуляції його опорним високочастотним сигналом заданої частоти і 5 90951 6 амплітуди, направленні модульованого потоку N 1 N 3 ( NDx D 0 інфрачервоного випромінювання на досліджува(3) N 2 N 3 ний об'єкт, що розташований на невідомій віддалі Dх, прийомі відбитого від об'єкта інфрачервоного випромінювання з огинаючою, що зсунута по фазі якщо {Dx0}={Dx}+{D0}). (затримана у часі), перетворенні огинаючої прийнСпосіб за п.1 відрізняється тим, що випроміятого модульованого потоку інфрачервоного винювання потоку інфрачервоного випромінювання промінювання у електричний сигнал, виділенні здійснюють у момент часу переходу через нуль (у основної гармоніки високочастотного сигналу часдодатному напрямку) модулюючого високочастоттоти модуляції, підсиленні його до рівня опорного ного сигналу, від якого підраховують число повних високочастотного сигналу, підраховуванні та зафаз (360°) високочастотного сигналу за час запам'ятовуванні числа повних фаз (періодів), що тримки потоку інфрачервоного випромінювання. пройшло від моменту часу випромінювання до На рисунку представлена схема пристрою, моменту часу прийому потоку інфрачервоного виякий реалізує запропонований спосіб надлишкових промінювання, тобто за час затримки потоку інфвимірювань віддалі до нерухомого об'єкта, де 1 рачервоного випромінювання, вимірюванні та зацифровий відліковий пристрій, 2 - цифровий фапам'ятовуванні фазового зсуву х між опорним та зометр, 3 - генератор оптичного випромінення з зсунутим по фазі високочастотними сигналами внутрішнім модулятором, 4 - блок керування, 5 частоти модуляції з наступним визначенням відфотоприймач, 6 та 7 - система дзеркал, 8 - формувач імпульсів, 9 - тригер, 10 - лічильник імпульдалі за рівнянням вимірювання, відрізняється тим, що спочатку вибирають об'єкт з нормованою за сів. В основу способу надлишкових вимірювань значенням віддаллю D0, який розташований у тому ж оточуючому середовищі, що й досліджуваний віддалі до нерухомого об'єкта покладено фазовий метод вимірювання. Його суть полягає у визнаоб'єкт, направляють модульований потік інфрачервоного випромінювання на об'єкт з відомою відченні фазового зсуву між опорним (модулюючим) і зсуненим по фазі (відбитим і демодульованим) даллю D0, протягом часу проходження потоку інфрачервоного випромінювання до і від об'єкта сигналами. Віддаль визначається згідно рівняння вимірювання дослідження підраховують та запам'ятовують число повних фаз (N1·360), вимірюють фазовий зсув c 1 між опорним та зсунутим по фазі високочастотDx (4) х ними сигналами частоти модуляції, отримане знаk 0 fм ' чення 1 1 N1 360 запам'ятовують, після де x - фазовий зсув, що вносяться в електринаправлення модульованого потоку інфрачервочний сигнал при визначенні віддалі до об'єкта; fм ного випромінювання на об'єкт з невідомою відчастота модульованого високочастотного сигналу; даллю Dx, підраховування та запам'ятовування с - швидкість розповсюдження потоку інфрачервочисла повних фаз (N2·360), за час затримки потоку ного випромінювання в навколишньому середоінфрачервоного випромінювання та вимірювання вищі; k0=4 . Сутність способу надлишкових вимірювань ' фазового зсуву 2 N2 360 між опорним 2 віддалі до нерухомого об’єкта, заснований на формуванні потоку х інфрачервоного випромінюта зсунутим по фазі високочастотними сигналами вання заданої довжини хвилі 0 і потужності, мочастоти модуляції і запам'ятовування отриманого дуляції його опорним високочастотним сигналом значення, за допомогою системи дзеркал направзаданої частоти і амплітуди ляють модульований потік інфрачервоного випромінювання на досліджуваний об'єкт таким чином, (5) u1(t)=Umsin( мt+ 0) щоб він пройшов віддаль Dx0, яка збільшена (чи зменшена) за своїм розміром на значення віддалі D0, підраховують число повних фаз (N3·360) за час де 0 - початковий фазовий зсув; Μ=2· ·fм затримки потоку інфрачервоного випромінювання, кутова частота модуляції; Um - амплітуда опорного електричного сигналу; t - час. ' N3 360 вимірюють фазовий зсув 3 3 Модульований потік інфрачервоного випромінювання х направляють на досліджуваний об'єкт, між опорним та зсунутим по фазі високочастотнищо розташований на невідомій віддалі Dx. Прийми сигналами частоти модуляції, отримане знамають відбитий від об'єкта ослаблений за потужнічення фазового зсуву запам'ятовують, а про дійс' з не значення віддалі Dx до досліджуваного об'єкта стю потік інфрачервоного випромінювання х судять за рівнянням числових значень огинаючою, що зсунута по фазі на (затримана у часі на tDx). Огинаючу прийнятого модульованого N 3 N 1 потоку інфрачервоного випромінювання перетвоNDx D 0 (2) N 3 N 2 рюють (демодульовують) у електричний сигнал якщо {Dx0}={Dx}+{D0}, або u2(t)=Umsin( мt+ 0+ + οκ+ эк) (6) де Um - амплітуда сигналу; - фазовий зсув між опорним та прийнятим (зсунутим по фазі) ви 7 90951 8 сокочастотними сигналами частоти модуляції; эк k 0 D 0 fм c (10) οκ - фазові зсуви електричних та оптичних сигна1 лів, що пройшли відповідні канали. Виділяють основну гармоніку високочастотноПісля цього модульований потік інфрачервого сигналу частоти модуляції. Отримують сигнал, ного випромінювання направляють на об'єкт з непідсилюють його до рівня опорного. Після цього відомою віддаллю Dx. Підраховують та запам'ятопідраховують та запам'ятовують число повних фаз вують число повних фаз (N2·360) за час затримки (N·360°), що пройшло від моменту часу випроміпотоку інфрачервоного випромінювання. Потім нювання до моменту часу прийому потоку інфравимірюють фазовий зсув 2 між опорним (5) та червоного випромінювання, тобто за час затримки зсунутим по фазі високочастотним сигналом часпотоку інфрачервоного випромінювання. Далі витоти модуляції: мірюють значення фазового зсуву = м· tDx між опорним та зсунутим по фазі високочастотними (11) u4(t)=Umsin( мt+ 0+ 2+ οκ+ эк) сигналами частоти модуляції. В результаті отримують числове значення де 2 значення фазового зсуву між опорним та зсунутим по фазі високочастотними сигналами (7) N =S0· =S0[ м tDx+ 0+ οκ+ эк] частоти модуляції, що несе інформацію про віддаль Dx. код якого запам'ятовують. Після визначення Отримане числове значення повних фаз та числового значення N , у відомих способах дійсне фазового зсуву запам'ятовують: значення віддалі визначають за відомим рівнянням числових значень (1). Запропонований спосіб надлишкових вимірювань віддалі до нерухомого об’єкта від відомих відрізняється тим, що спочатку вибирають об'єкт з нормованою за значенням віддаллю D0, як правило відомий об'єкт розташовують у тому ж оточуючому середовищі. Згідно з запропонованим способом, спочатку направляють модульований потік інфрачервоного випромінювання на об'єкт з відомою віддаллю D0. Приймають відбите від об’єкта інфрачервоне випромінювання з огинаючою, що зсунута по фазі на 1 (затримана у часі на 1 ). Шляхом демодуляції перетворюють м огинаючу прийнятого модульованого потоку інфрачервоного випромінювання у електричний сигнал: t D0 N 2=N2+S0· 2=N2+S0[ 2+ 0+ мt+ 0+ 1+ οκ+ мt+ 0+ 1+ 2+ οκ+ эк) Отримане числове значення повних фаз та фазового зсуву запам'ятовують: N 3=N3+S0·( x+ 0)=N3+S0[ 1 1 N1 S0 1 0 ок эк (9) де N1 - число повних фаз за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання. Отримане числове значення фазового зсуву (9) запам'ятовують. Слід зазначити, що за відомими значеннями D0 і 1 можливо визначити швидкість розповсюдження інфрачервоного випромінювання в оточуючому середовищі, згідно з рівнянням величин м·( 1+ 2)+ 0+ οκ+ эк] (14) де N3 - число повних фаз за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання. Про дійсне значення віддалі Dx до досліджуваного об’єкта судять за рівнянням числових значень (2): N N1 S0 (13) (8) эк) де 1 - значення фазового зсуву між опорним та зсунутим по фазі високочастотними сигналами частоти модуляції. Підраховують число повних фаз (N1·360) за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання та одним із відомих способів вимірюють фазовий зсув 1 між опорним (5) та зсунутим по фазі (8) високочастотними сигналами частоти модуляції. Отримане значення фазового зсуву, що несе інформацію про віддаль D0, запам'ятовують: N (12) де N2 - число повних фаз за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання. Потім, згідно з запропонованим способом, направляють модульований потік інфрачервоного випромінювання на досліджуваний об'єкт таким чином, щоб він пройшов віддаль Dx0, яка збільшена чи зменшена за своїм розміром на значення віддалі D0. Це забезпечується за допомогою системи дзеркал. Як і раніше, відомим способом підраховують число повних фаз (N3·360) за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання та вимірюють фазовий зсув 3 між опорним (5) та зсунутим по фазі високочастотними сигналами частоти модуляції: u5(t)=Umsin( u3(t)=Umsin( οκ+ эк] NDx D0 N де N , N 1 N 3 N 3 2 , N 1 2 3 - результати проміжних вимірювань; {D0} - нормоване значення віддалі. Спосіб по п.1 відрізняється тим, що випромінювання потоку інфрачервоного випромінювання здійснюється у момент часу переходу через нуль (у додатному напрямку) модулюючого високочастотного сигналу, від якого здійснюють підрахування числа повних фаз високочастотного сигналу за 9 90951 10 час затримки потоку інфрачервоного випроміню«лічба» лічильника імпульсів 10 подають дозвовання. ляючий сигнал з прямого виходу тригера 9. Як видно з рівняння вимірювання (2), запропоЗа допомогою фотоприймача 5 приймають вінований спосіб забезпечує виключення адитивної і дбитий від зазначеного об’єкта потік інфрачервомультиплікативної складових систематичних похиного випромінювання з огинаючою, що зсунута по бок, що вносяться функціональними блоками, на2 ). Мофазі на 2 (затримана у часі на t Dx приклад, фотоприймач, фазометр і т.д., а також м виключення похибки від фазового зсуву в електдульований потік інфрачервоного випромінювання ричному та оптичному каналах та похибки від зміперетворюють у електричний сигнал (11). З виходу ни швидкості світла в залежності від стану атмосфотоприймача 5 електричний сигнал (11) подають фери. на другий вхід фазометра 2 та на формувач імпуОпишемо сутність запропонованого способу льсів 8. З виходу формувача імпульсів 8 імпульс на прикладі роботи приладу, структурна схема подають на вхід установки «0» тригера 9, Сигнал якого показана на рисунку. логічного нуля з виходу тригера 9 подають на вхід За допомогою блока керування 4 встановлюлічильника імпульсів 10. Після цього останній приють потрібне значення частоти та амплітуди опорпиняє рахувати. Число повних фаз Ν2 за час заного сигналу. За допомогою генератора оптичного тримки потоку інфрачервоного випромінювання, випромінювання 3 формують потік інфрачервоного що отримують на лічильнику імпульсів 10 запам'явипромінювання заданої довжини хвилі і потужнотовують. сті, який модулюють опорним високочастотним За допомогою фазометра вимірюють фазовий сигналом. Модульований сигналом (5) потік інфзсув 2 між опорним (5) та зсунутим по фазі (11) рачервоного випромінювання подають на об'єкт з високочастотними сигналами частоти модуляції, відомою віддаллю D0, який розташований у тому ж отримане значення N (12) з виходу фазометра оточуючому середовищі. Одночасно з електрично2 го виходу генератора оптичного випромінювання 3 подають на цифровий відліковий пристрій 1 і засигнал (5) подають на перший вхід фазометра 2, а пам'ятовують. з імпульсного виходу генератора оптичного виВ третьому такті модульований сигналом (5) промінювання 3 імпульсний сигнал з частотою потік інфрачервоного випромінювання подають на слідування імпульсів рівною fм подають на вхід досліджуваний об'єкт таким чином, щоб він пройлічильника імпульсів 10. На керуючий вхід «лічба» шов віддаль Dx0, яка збільшена за своїм розміром лічильника імпульсів 10 подаютьдозволяючий на значення віддалі D0. Одночасно з електричного сигнал з прямого виходу тригера 9. виходу генератора оптичного випромінювання 3 За допомогою фотоприймача 5 приймають вісигнал (5) подають на перший вхід фазометра 2, а дбитий від зазначеного об’єкта потік інфрачервоз імпульсного виходу генератора оптичного виного випромінювання з огинаючою, що зсунута по промінювання 3 імпульсний сигнал з частотою 1 ). Мом дульований потік інфрачервоного випромінювання перетворюють у електричний сигнал (8). З виходу фотоприймача 5 електричний сигнал (8) подають на другий вхід фазометра 2 та на формувач імпульсів 8. З виходу формувача імпульсів 8 імпульс подають на вхід установки «0» тригера 9, Сигнал логічного нуля з виходу тригера 9 подають на вхід лічильника імпульсів 10. Після цього останній припиняє рахувати. Число повних фаз Ν1 за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання, що отримують на лічильнику імпульсів 10 запам'ятовують. За допомогою фазометра вимірюють фазовий зсув 1 між опорним (5) та зсунутим по фазі (8) високочастотними сигналами частоти модуляції, отримане значення N (9) з виходу фазометра фазі на 1 (затримана у часі на t D0 1 подають на цифровий відліковий пристрій 1 і запам'ятовують. В другому такті модульований сигналом (5) потік інфрачервоного випромінювання подають на об'єкт з невідомою віддаллю. Одночасно з електричного виходу генератора оптичного випромінювання 3 сигнал (5) подають на перший вхід фазометра 2, а з імпульсного виходу генератора оптичного випромінювання 3 імпульсний сигнал з частотою слідування імпульсів рівною fм подають на вхід лічильника імпульсів 10. На керуючий вхід слідування імпульсів рівною fм подають на вхід лічильника імпульсів 10. На керуючий вхід «лічба» лічильника імпульсів 10 подають дозволяючий сигнал з прямого виходу тригера 9. За допомогою фотоприймача 5 приймають відбитий від зазначеного об'єкта потік інфрачервоного випромінювання з огинаючою, що зсунута по 3 ). Мофазі на 3 (затримана у часі на tDx 0 м дульований потік інфрачервоного випромінювання перетворюють у електричний сигнал (13). З виходу фотоприймача 5 електричний сигнал (13) подають на другий вхід фазометра 2 та на формувач імпульсів 8. З виходу формувача імпульсів 8 імпульс подають на вхід установки «0» тригера 9, Сигнал логічного нуля з виходу тригера 9 подають на вхід лічильника імпульсів 10. Після цього останній припиняє рахувати. Число повних фаз N3 за час затримки потоку інфрачервоного випромінювання, що отримують на лічильнику імпульсів 10 запам'ятовують. За допомогою фазометра вимірюють фазовий зсув 2 між опорним (5) та зсунутим по фазі (13) високочастотними сигналами частоти модуляції, отримане значення N (14) з виходу фазометра 3 подають на цифровий відліковий пристрій 1 і запам'ятовують. 11 90951 12 Про дійсне значення віддалі Dx до досліджускладової похибки вимірювання. Проте, похибка ваного об’єкта судять за рівнянням числових знарезультату вимірювання запропонованим спосочень (2): бом надлишкових вимірювань віддалі до нерухоОтже, запропонований спосіб надлишкових мого об'єкта залежить від точності визначення вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта за рахувідомої віддалі до об'єкта D0. нок операції віднімання забезпечує виключення Таким чином, запропонований спосіб надлишадитивної складової похибки, за рахунок операції кових вимірювань віддалі до нерухомого об'єкта ділення забезпечує виключення мультиплікативної забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. В описі до патенту на винахід графічні зображення та текст подаються в редакції заявника Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 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