Лазерний далекомір

Реферат: Лазерний далекомір містить перше і друге нерухомо встановлені дзеркала, об'єктив, перший і другий лазерні випромінювачі, генератор моделюючої напруги. В нього додатково введені калібрована світловолоконна лінія затримки, яка включена між виходом другого випромінювача і входом першого фотоприймача, генератор напруги модуляції UA 91534 U (54) ЛАЗЕРНИЙ ДАЛЕКОМІР UA 91534 U UA 91534 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до оптичної дальнометрії і може бути використана для безконтактного вимірювання з високою точністю відстані до різних об'єктів та їх переміщень в машинобудуванні, авіабудуванні, металургії, космічних дослідженнях, для діагностики енергетичного обладнання, при будівництві великих інженерних споруд та інших галузях. Серед лазерних далекомірів найвищу точність мають далекоміри, засновані на фазовому методі вимірювання відстані. У таких приладах відстань до контрольованого об'єкта оцінюється за зміною фази безперервного модульованого світлового сигналу при проходженні ним подвійної вимірюваної відстані [1]. У цьому випадку фазовий зсув прийнятого сигналу щодо опорної напруги в межах фазового циклу визначається з виразу: 2L 2L f  Х  2 X  2 X м1 , (1)  с де L X - вимірювана відстань;  - довжина хвилі модулюючої напруги лазерного випромінювання; fм1 - частота модулюючої напруги; с - швидкість світла. Фазовий лазерний далекомір відповідно до його принципу роботи містить приймальнопередавальну систему, вимірювальний і опорний канали, фазовимірювальний пристрій, відліковий пристрій і блок управління і обробки даних. У відповідності зі структурою далекоміра точність вимірювання відстані залежить від фазових спотворень, що вносяться приймальнопередавальною системою, вимірювальним та опорним каналами, які містять електронні вузли, а також від похибки фазовимірювального пристрою. В даний час у ряді прикладних застосувань лазерних далекомірів від останніх потрібно забезпечення високої точності вимірювання відстаней. Наприклад, при юстуванні параболічних антен радіотелескопів великого діаметра необхідно проводити контроль їх профілю за допомогою далекоміра, похибка якого не повинна перевищувати соті частки міліметра при базовій відстані до 100 м. Відомий фазовий далекомір з двома фотоприймачами [2]. Пристрій містить передавальний канал, що включає лазерний випромінювач і генератор частоти модуляції, з'єднаний зі входом випромінювача, і два приймальних канали (вимірювальний і опорний), кожен з яких являє собою фотоприймач на основі лавинного фотодіода, вихід якого через перетворювач сигналу (демодулятор, смуговий фільтр, підсилювач і АЦП) підключений до мікроконтролера. Обидва приймальних канали працюють одночасно: вимірювальний - приймає випромінювання, відбите від контрольованого об'єкта, а в опорний канал подається невелика частина випромінювання, відбита від напівпрозорого дзеркала, встановленого на виході оптичного випромінювача. Основним недоліком відомого пристрою є похибка вимірювання, що виникає через нестабільність і неідентичність фазових характеристик вимірювального і опорного каналів, які можуть призводити до похибки вимірювання відстані в кілька десятків міліметрів. Відомий пристрій лазерного далекоміра [3], що містить передавальний канал, що включає в себе генератор частоти модуляції, з'єднаний зі входом лазерного випромінювача з вихідною оптичною системою, приймальний канал, що включає в себе вхідну оптичну систему, у фокусі якої встановлений лавинний фотодіод як фотоприймач, вихід якого з'єднаний з сигнальним входом електронного блока. Опорний вхід електронного блока з'єднаний з генератором частоти модуляції. У цьому далекомірі для підвищення точності вимірювання відстані вводиться оптичний контрольний канал у вигляді механічного перемикача з двома оптично пов'язаними дзеркалами, одне з яких встановлено перед вихідним отвором передавального каналу, а інше перед вхідним отвором приймального каналу. У цьому випадку перед кожним вимірюванням відстані проводиться каліброване вимірювання довжини контрольного оптичного каналу. Результат контрольного вимірювання віднімається з результату вимірювання дальності, яке проводиться відразу після контрольного вимірювання. В результаті цього істотно зменшуються похибки вимірювання, що виникають через часові затримки, які вносяться приймальнопередавальною системою, а також електронними елементами схеми пристрою. Основним недоліком відомого пристрою є наявність механічних рухомих частин, які керують поворотними дзеркалами. Вказана обставина знижує надійність приладу, а також збільшує загальний час вимірювання. Найбільш близьким до лазерного далекоміра, що заявляється, є фазовий оптичний далекомір [4], узятий як прототип, в якому для підвищення точності вимірювання також використовується внутрішнє оптичне калібрування приладу, але без механічних оптичних засобів, що переключаються. Оптичний далекомір містить генератор модулюючих коливань, перше та друге джерела оптичного випромінювання, які підключені до генератора модулюючих коливань, і перший та другий фотоприймачі. При цьому на першому етапі роботи приладу оптичне випромінювання від першого джерела через передавальну оптичну систему направляється на контрольований об'єкт і на перший фотоприймач. На вхід другого 1 UA 91534 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фотоприймача через приймальню оптичну систему надходить світловий потік, відбитий від контрольованого об'єкта. Виходи першого і другого фотоприймачів з'єднані із входами відповідно опорного і вимірювального каналів далекоміра. Фазовий зсув сигналів на виходах каналів буде пропорційний вимірюваній відстані L Х . На другому етапі роботи далекоміра оптичне випромінювання від другого джерела направляється на входи першого і другого фотоприймачів. У цьому випадку фазовий зсув сигналів на виходах вимірювального і опорного каналів K визначається різницею внутрішніх оптичних шляхів від другого джерела випромінювання до першого і другого фотоприймачів та буде відповідати каліброваній відстані LK . Остаточний результат вимірювання дальності визначається як різниця знайдених значень L X і LK . При реалізації такого алгоритму вимірювання фазові спотворення, що виникають у приймально-передавальних оптичних системах та електронних каналах далекоміра, взаємно виключаються і не впливають на точність вимірювання. Однак, навіть при використанні оптичного калібрування, на результат вимірювання дальності впливає похибка фазовимірювального пристрою. Це пояснюється тим, що оптичне калібрування проводиться в одній точці діапазону вимірюваних фазових зсувів, а не для всіх значень. Сучасні цифрові фазометри при їх використанні в схемі далекоміра можуть забезпечувати вимірювання зсуву 0 фаз в широкому діапазоні їх значень з похибкою порядку 0,1 [5]. Тоді, наприклад, при частоті модуляції, яка дорівнює 50 МГц, еквівалентна довжина хвилі світлового випромінювання відповідає 3,0 м. З урахуванням цього, похибка вимірювання відстані, яку вносить фазовимірювальний пристрій, може становити    3000 мм  0,10  0,8 мм. Для зазначених 360  вище практичних застосувань лазерного далекоміра це неприйнятно. Потенційно більш високою точністю в порівнянні з фазометром безпосереднього вимірювання різниці фаз мають фазовимірювальні пристрої компенсаційного типу з використанням фазообертачів [1]. Однак, застосування як фазообертача електричної лінії затримки сигналів через її нестабільність і точність, особливо на високих частотах (десятки і сотні мегагерц), що має місце в фазових далекомірах, не дозволяє отримати необхідну точність вимірювання відстані. Використання як фазообертача механічної оптичної калібрувальної лінії [6] істотно збільшує час вимірювання, а також значно ускладнює конструкцію далекоміра. В основу винаходу поставлена задача досягнення нового технічного результату підвищення точності фазових лазерних далекомірів за рахунок зменшення похибки вимірювання зсуву фази вихідних сигналів вимірювального і опорного каналів далекоміра. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в лазерний далекомір, що містить перше і друге нерухомо встановлені дзеркала, об'єктив, перший і другий лазерні випромінювачі, генератор моделюючої напруги, з'єднаний з першим входом першого лазерного випромінювача, з виходу якого сфокусований світловий промінь за допомогою першого і другого дзеркал через центр об'єктива направляється на контрольований об'єкт, перший фотоприймач, на вхід якого направляється сфокусоване за допомогою об'єктива світлове випромінювання, відбите від контрольованого об'єкта, другий фотоприймач, перший і другий світловоди, розташовані між входом другого фотоприймача і виходами відповідно першого і другого лазерних випромінювачів, перший і другий змішувачі, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого і другого фотоприймачів, гетеродин, перетворювач фазовий зсув-код, перший і другий входи якого підключені відповідно до виходів першого і другого змішувачів, відліковий пристрій, блок управління, збору та обробки даних, у якому кодові входи з'єднані з кодовими виходами перетворювача фазовий зсув-код, інформаційні виходи підключені до входів відлікового пристрою, а перший, другий і третій керуючі виходи з'єднані з другими входами відповідно першого і другого лазерних випромінювачів і перетворювача фазовий зсув-код, додатково введені калібрована світловолоконна лінія затримки, яка включена між виходом другого випромінювача і входом першого фотоприймача, генератор напруги модуляції, що перелаштовується, вихід якого з'єднаний з першим входом другого лазерного випромінювача, гетеродин, що перелаштовується, комутатор, вихід якого підключений до других входів змішувачів, а перший і другий входи з'єднані відповідно з виходами гетеродина і гетеродина, що перелаштовується, причому входи генератора напруги модуляції, що перелаштовується, і гетеродина, що перелаштовується, а також третій вхід комутатора підключені відповідно до четвертого, п'ятого та шостого керуючих виходів блока управління, збору та обробки даних. Для досягнення технічного результату запропонований лазерний далекомір містить як високоточний фазообертач калібровану світловолоконну лінію, яка забезпечує необхідний 2 UA 91534 U 5 10 фазовий зсув при зміні частоти модуляції. У цьому випадку фазовий зсув, що вноситься, дорівнює 2L f ФО  2 0 м2 , (2) с де L 0 - довжина оптичного шляху, який проходить світлове випромінювання через калібровану світловолоконних лінію; fм2 - частота модуляції, що перелаштовується. Принцип роботи далекоміра полягає в наступному. Спочатку вимірюється відстань до контрольованого об'єкта. У цьому випадку модульований із заданою частотою fм1 світловий потік прямує на контрольований об'єкт і відповідно до (1) визначається фазовий зсув між світловим потоком, що випромінюється та світловим потоком, що приймається. Потім на вхід тієї ж приймальної системи направляється модульоване випромінювання через калібровану світловолоконну лінію. Змінюючи частоту модуляції fм2 у виразі (2), добиваємося рівності ФО   Х . Тоді значення вимірюваної відстані можна визначити за формулою 15 20 25 30 35 40 45 50 55 L f L Х  0 м2 . (3) fм1 Оскільки значення частоти fм2 при її перелаштуванні може бути виставлено з високою точністю, наприклад, за допомогою цифрового синтезатора частоти, то застосування зазначеного фазообертача дозволяє істотно зменшити вплив похибки фазометра на результат вимірювання відстані. При цьому, як і в прототипі, фазові спотворення, що виникають у приймально-передавальних оптичних системах та електронних каналах далекоміра взаємно виключаються і не роблять впливу на точність вимірювання відстані. Порівняльний аналіз запропонованого лазерного далекоміра з прототипом дозволяє зробити висновок, що відмітні ознаки запропонованого пристрою є новими, також необхідними і достатніми для досягнення нового технічного результату - підвищення точності вимірювання відстані. На кресленні показана схема запропонованого лазерного далекоміра, де: лазерні напівпровідникові випромінювачі 1 і 2, генератор 3 модулюючої напруги, гетеродин 4, генератор 5, що перелаштовується, гетеродин 6, що перелаштовується, світловоди 7 і 8, калібрована світловолоконна лінія 9, фотоприймачі 10 і 11, комутатор 12, змішувачі 13 і 14, перетворювач 15 фазовий зсув-код, блок 16 управління, збору та обробки даних, відліковий пристрій 17, дзеркала 18 і 19, об'єктив 20, контрольований об'єкт 21. Робота далекоміра здійснюється в два такти. У першому такті електричний сигнал модулюючої частоти надходить від генератора 3 на вхід лазерного випромінювача 1. Сфокусований модульований світловий потік від випромінювача 1 за допомогою дзеркал 18 і 19 через центр об'єктива 20 направляється на контрольований об'єкт 21. Одночасно світловий потік від випромінювача 1 по світловоду 7 направляється на вхід фотоприймача 11 і використовується як опорний. Відбитий світловий потік знову проходить через об'єктив 20, фокусується ним і потрапляє на вхід фотоприймача 10. Вимірювання різниці фаз випромінюваного і прийнятого світлових потоків здійснюється на проміжній частоті, отриманої в результаті гетеродинування. З цією метою електричні сигнали з виходів фотоприймачів 10 і 11 надходять на перші входи відповідно змішувачів 13 і 14. На другі входи змішувачів 13 і 14 через комутатор 12 подається вихідний сигнал гетеродина 4. Вихідні напруги змішувачів 13 і 14 надходять відповідно на перший і другий входи перетворювача 16. В останньому здійснюється перетворення  Х в числовий еквівалент, який представлено у вигляді коду N1  kx , де k - коефіцієнт пропорційності. Далі N1 переноситься в блок 16 і запам'ятовується в оперативній пам'яті. У другому такті роботи далекоміра відключається випромінювач 1 і включається випромінювач 2, на вхід якого надходить вихідна напруга генератора 5. Управління почерговою роботою випромінювачів 1 і 2 здійснюється шляхом включення або відключення їх напруги живлення, що подається командними сигналами, які надходять від блока 16. Світловий потік від випромінювача 2 по каліброваній світловолоконній лінії 9 направляється на вхід фотоприймача 10 вимірювального каналу далекоміра. Це ж випромінювання по світловоду 8 направляється на вхід фотоприймача 11 опорного каналу. Довжина L 0 каліброваної світловолоконної лінії 9 вибирається кратною довжині хвилі модулюючої напруги лазерного випромінювання, що направляється на контрольований об'єкт 21. Далі, як це описано вище, визначається фазовий зсув між вихідними електричними сигналами фотоприймачів 10 і 11. У цьому випадку на другі входи змішувачів 13 і 14 через комутатор 12, переведений 3 UA 91534 U сигналом блока 16 в інше положення, подається напруга з виходу гетеродина 6. Частоти генератора 5 і гетеродина 6 змінюються синхронно таким чином, щоб проміжна частота була така ж, як і при вимірюванні відстані до контрольованого об'єкта. Спочатку частота генератора 5 встановлюється рівною fм2н  fм2макс / 2 , де fм2макс 5 максимальне значення частоти перебудови моделюючої напруги. Значення fм2макс визначається фазовим зсувом, рівним 2 , який встановлюється за допомогою застосованого фазообертача. Тоді, у відповідності з (2), fм2макс  с / L0 , а fм2н  с / 2L0 . Перше вимірювання в цьому такті роботи приладу здійснюється за допомогою перетворювача 15 шляхом перетворення фазового зсуву ФО в цифровий еквівалент, представлений у вигляді коду 10 N2  kФО . У блоці 16 оцінюється різниця N  N1  N2 , знак якої визначає напрямок зміни (зменшення або збільшення) частоти модуляції fм2 . Після цього за сигналами блока 16 здійснюється перебудова частоти генератора 5 і гетеродина 6 до моменту, коли N  0 . При цьому фіксується поточне значення fм2 і, у відповідності з (3), блоком 16 обчислюється значення L x  L0 fм2 / fм1, яке в одиницях довжини висвічується на цифровому табло відлікового пристрою 17. У формулі для L x , наведеної вище, значення L 0 і fм1 відомі з високою точністю, а похибка в оцінці частоти fм2 визначається таким чином. Генератор 5 і гетеродин 6 можуть бути виконані як синтезатори частоти на основі мікросхеми AD9851 [7]. Якщо як генератор опорної частоти для цієї мікросхеми застосувати термостатований кварцовий генератор, то похибка 15 20 25 30 35 40 45 50 встановлення частоти fм2 синтезатора становить f  106 . При частоті модуляції fм1  50 м2 МГц довжину L 0 можна вибрати рівною 9 м. Тоді похибка вимірювання відстані до 100 м при використанні запропонованого фазообертача становить L x  L0 f  0,01 мм. м2 Таким чином, у запропонованому далекомірі завдяки новим елементам і зв'язкам в порівнянні з прототипом на порядок, і більше, підвищується точність вимірювання відстані. Крім цього, можливість вибору відносно низької частоти модуляції світлового випромінювання (25-50 МГц), що направляється на контрольований об'єкт, дозволяє зменшити інтенсивність дробових шумів фотоприймача і тим самим зменшити випадкову похибку вимірювання відстані, обумовлену їх впливом. Рекомендації щодо реалізації деяких вузлів запропонованого далекоміра. Як випромінювачі 1 і 2 можна використовувати напівпровідниковий лазерний випромінювач типу ІЛПН-203. При виборі фотоприймачів 10 і 11 і змішувачів 13 і 14 необхідно враховувати їх смугу пропускання за частотою: вона повинна бути приблизно 200 МГц. Як фотоприймачі може бути вибраний лавинний фотодіод ФД311Л. Генератор 5 і гетеродин 4, які перелаштовуються по частоті, доцільно виконати на основі синтезатора прямого синтезу (мікросхема AD9851). Світловолоконна калібрована лінія 9 виготовляється з використанням світловоду вибраної довжини шляхом згортання його в кільце, що робить лінію досить компактною. Для підвищення завадостійкості далекоміра доцільно використовувати як перетворювач 15 пристрій, описаний у [8]. Джерела інформації: 1. Михеечев B.C. Геодезические светодальномеры. - М.: Недра, 1979. - 222 с. 2. Патент США № 7023531, кл. G01С 3/08, 2006. 3. Патент США № 7221435, кл. G01C 3/08, 2007. 4. Патент Японії № 4531833, кл. G01C 3/08, 1985. 5. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. - М.: Радио и связь, 1993. - 184 с. 6. А.с. СССР № 696830. Калибратор фазы / В.Б. Волконский, М.В. Закута, А.Г. Кононенко, Ю.А. Масюренко, Ю.В. Попов, А.Д. Ниженский, кл. G 01 R 25/4, 1979. 7. Інструкція до мікросхеми AD9851: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD9851/pdf. 8. Кононенко А.Г., Кромпляс Б.А., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., Орнатский И.А., Сидорчук В.Е. Высокоточный фазовый лазерный измеритель расстояний до диффузноотражающих поверхностей // Техн. електродинаміка. - 1999. - № 3. - С. 66-70. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Лазерний далекомір, що містить перше і друге нерухомо встановлені дзеркала, об'єктив, перший і другий лазерні випромінювачі, генератор моделюючої напруги, з'єднаний з першим 4 UA 91534 U 5 10 15 20 входом першого лазерного випромінювача, з виходу якого сфокусований світловий промінь за допомогою першого і другого дзеркал через центр об'єктива направляється на контрольований об'єкт, перший фотоприймач, на вхід якого направляється сфокусоване за допомогою об'єктива світлове випромінювання, відбите від контрольованого об'єкта, другий фотоприймач, перший і другий світловоди, розташовані між входом другого фотоприймача і виходами відповідно першого і другого лазерних випромінювачів, перший і другий змішувачі, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого і другого фотоприймачів, гетеродин, перетворювач фазовий зсув-код, перший і другий входи якого підключені відповідно до виходів першого і другого змішувачів, відліковий пристрій, блок управління, збору та обробки даних, у якому кодові входи з'єднані з кодовими виходами перетворювача фазовий зсув-код, інформаційні виходи підключені до входів відлікового пристрою, а перший, другий і третій керуючі виходи з'єднані з другими входами відповідно першого і другого лазерних випромінювачів і перетворювача фазовий зсув-код, який відрізняється тим, що в нього додатково введені калібрована світловолоконна лінія затримки, яка включена між виходом другого випромінювача і входом першого фотоприймача, генератор напруги модуляції, що перелаштовується, вихід якого з'єднаний з першим входом другого лазерного випромінювача, гетеродин, що перелаштовується, комутатор, вихід якого підключений до других входів змішувачів, а перший і другий входи з'єднані відповідно з виходами гетеродина і гетеродина, що перелаштовується, причому входи генератора напруги модуляції, що перелаштовується, і гетеродина, що перелаштовується, а також третій вхід комутатора підключені відповідно до четвертого, п'ятого та шостого керуючих виходів блока управління, збору та обробки даних. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5