CN101101334B - 普通单色光测距的系统和方法及其应用 - Google Patents

Abstract

提供一种普通单色光测距的系统和方法，该系统包括用于发射光信号的发光器件、涂有具有回归反光特性高反射率材料的被测物体、用于接收反射光信号的光电器件、以及一个通过光的传播时间测量光路长度的电路系统。其中，所述发光器件将电路系统提供的电信号转换成光信号，并将光信号发射向被测物体；所述被测物体上涂有的具有回归反光的特性的高反射率材料使光信号主要沿原路返回；所述光电器件将接收反射的光信号转变成电信号；所述电路系统通过测量光信号从发光器件发出到光电器件接受到的时间差，计算出光路的距离。其大大地提高了测距的准确度。通过普通单色光测距，可以降低系统的实现成本，还可以极大地改进其性能。

Description

普通单色光测距的系统和方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种普通单色光测距的系统和方法，特别涉及所述系统和方法在石油钻井工程中测大钩高度的应用。 

背景技术

在以光波为信号测距的系统中，目前广泛采用的测距方法主要是激光测距法。激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，实现对距离的高精度测量。根据测量方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和连续波相位式两种测量形式。 

脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速(30万千米/秒)乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。光以速度c在空气中传播，如果在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示： 

$D=\frac{\mathrm{ct}}{2}---\left(1\right)$

式中：D——测站点A、B两点间距离； 

c——光在大气中传播的速度； 

t——光往返A、B一次所需的时间。 

由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t。 

连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。 

在实际运用中，例如在石油钻井工程中测大钩高度时，井场的工作环境恶劣，安全系数低，需要现场的工作人员越少越好，而激光测距需要技术人 员时刻在现场将激光对准被测物体，不适宜恶劣的石油钻井工程环境。 

发明内容

本发明的核心的内容是，对现有的激光测距系统进行改进，在被测物体表面涂上具有回归反光特性的高反射率材料，将激光测距系统中的小波束角激光换成大波束角的普通单色光。优化的实施方案包括使用环频法测量。 

本发明的发明目的是针对上述现有的激光测距的系统和方法存在的由于对操作的要求过高而导致的上述缺点和不足，提供一种可以避免上述缺点和不足的普通单色光测距的系统和方法。本发明的另一目的是提供所述普通单色光测距的系统和方法在石油钻井工程中测量大钩高度的应用。 

现有的激光测距法是利用发送端向被测物体发射激光信号，激光信号碰到被测物体反射回来被接收器接收的，系统通过测量激光从发射到接收之间的旅行时间来求得被测物体的距离。本发明的发明人通过研究现有的激光测距法，提出了一种与之不同的普通单色光测距法。 

激光测距的缺点是激光波束角小，几乎等于0，因此当被测物体移动时须精细调整发射端，以保证狭窄的激光波束准确地照射到被测物体上。本发明针对该缺点提出普通单色光测距法，具体的实施方式是将被测物体涂上具有回归反光特性的高反射率材料，使照射到被测物体上的光信号大部分原路返回，这样只要将接收端与发射端安装在一起，并保证发射光以较大的波束角大致照向被测物体，不必精细调整测量系统，就能很稳定地接收到足够强度的从被测物体表面反射回来的光信号。本系统和方法适合在恶劣的石油钻井工程现场应用。 

针对光信号从发射到接收之间的传播时间过短，测量困难的情况，本发明的优化实施方案提出采用环频法测量光信号在空间的旅行时间。在本发明的系统中设计了一个反馈系统，信号通过反馈系统从光电器件反馈给发光器件，反馈系统中利用自动增益放大电路放大信号，使该系统只自激在基频上，当被测物体移动时自激频率也随之改变，因此可通过频率仪测量自激频率达到测量距离的目的。在反馈系统中对信号进行处理，减小外界的干扰，从而本系统和方法大大提高了测量的精确性。 

本发明所提供的普通单色光测距的系统包括用于发射光信号的发光器件、涂有具有回归反光特性高反射率材料的被测物体、用于接收反射光信号的光电器件、以及一个通过光的传播时间测量光路长度的电路系统。其中，所述发光器件将电路系统提供的电信号转换成光信号，并将光信号发射向被测物体；所述被测物体上涂有的具有回归反光的特性的高反射率材料使光信号主要沿原路返回；所述光电器件将接收反射的光信号转变成电信号；所述电路系统通过测量光信号从发光器件发出到光电器件接收到的时间差，计算出光路的距离。其中，测量光信号从发光器件发出到光电器件接受到的时间差采用环频法，在所述电路系统中，包含一个将接收到的反射信号转变而来的电信号反馈给发光器件的反馈系统和一个测量频率的频率仪。反馈系统包括带通滤波器和自动增益放大电路。电信号通过所述反馈系统反馈给发光器件，使整个系统自激在某频率上；所述频率仪测量其系统的自激频率；系统通过测量所得自激频率来计算光路长度，即测量被测物体到发光器件以及光电器件的距离。 

本发明所提供的普通单色光测距的方法通过在被测物体上涂上具有回归反光特性的高反射率材料，使被测物体更易于和背景区分。优化的实施方案包括使用环频法测量。环频法测量包括如下步骤：利用发光器件将光信号向被测物体发射，被测物体使光信号返回，光电器件将接收到的反射光信号转变成电信号，通过反馈系统将信号反馈给发光器件，使系统自激在环路中产生相位差为2Np(N为整数)的频率信号上，采用技术手段使系统只自激在基频，保证系统在不同被测距离时自激在不同频率上，通过频率仪测量自激频率达到测量距离的目的。其中，使系统只自激在基频的技术手段可以采用自动增益放大电路和带通滤波器的单独或组合使用，效果是使系统只在某个频段满足自激条件，或优先自激到某个频率点。通过带通滤波片可以实现对光信号进行选频。为了避免由于被测距离太短导致自激频率过高，可以利用光导纤维延长光信号的传输距离。 

附图说明

图1是普通单色光测距系统的工作原理图； 

图2是本发明所提供的普通单色光测距的系统装置的模型。 

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。 

本发明中涉及一种具有回归反光的特性的具有回归反光特性的高反射率材料，这种材料目前被广泛用于交通标牌之上。这种材料的主要机理是，反光材料制品采用高折射率玻璃微珠后半表面镀铝作为后向反射器，具有极强的逆向回归反射性能，能将85％的光线直接反射回光源处。 

本发明所提供的这种普通单色光测距的系统可以应用在各个领域，并不局限于下面的实施方式中所详细说明的领域。下面选取典型的领域对普通单色光测距的系统详细说明本发明的具体实施方式。 

普通单色光测距的系统具体实施方式很多，比如脉冲式普通单色光测距、连续波相位式普通单色光测距、环频法普通单色光测距等，本发明中使用环频法普通单色光测距作为优化的实施方案，但不局限于这一优化的实施方案。 

如图1所示，环频法普通单色光测距系统包括用于发射、接受以及反馈信号的系统装置1和使光信号反射的涂有具有回归反光特性高反射率材料的被测物体2；如图2所示，上述系统装置包括用于发射光信号的发光器件7、用于接收反射光信号的光电器件4、用于将接收反射的信号反馈给发光器件的反馈系统(由带通滤波器5和自动增益放大电路6组成)以及用于测量频率的频率仪8。其中，所述发光器件7将光信号向被测物体2发射，所述被测物体2使光信号反射，所述光电器件4接收反射的光信号转变成电信号，电信号通过所述反馈系统反馈给发光器件，使该系统自激在某频率上，所述频率仪8测量其自激频率。 

所述系统装置1是用于发射、接受以及反馈信号的电路系统部分和用于对光信号选频的光学透镜组成，为了避免由于被测距离太短导致自激频率过高，还可以延长光信号传输距离，如图1所示在发光器件端利用光导纤维3传输，但它并不局限于安装在发光器件端，也可以安装在光电器件端。 

如图2所示即为系统装置1的电路系统部分，下面将以模块化阐述：光学透镜用于选定载波的频率，通过选频使载波成为单频率波，即光束为单色光，避开其他频率载波的干扰，它并不局限于如图1所示安装在反射光路上，也可以安装在入射光路上或者两路上同时安装。其中，光学透镜为带通滤波片。 

对于所述被测物体2不作特别限定。为了使光信号原路返回可以在被测物体2上涂具有回归反光特性的高反射率材料。 

所述光电器件4可以是各种将光信号转变成电信号的器件，如光电二极管等。 

所述光电器件4通过光信号的强度改变而使电信号的强度改变。 

所述反馈系统包括带通滤波器5和自动增益放大电路6。所述带通滤波器5和自动增益放大电路6的构成均为本领域人员所公知。例如，可以采用图2中所示的带通滤波器5使系统自激在一个通带信号内，自动增益放大电路6放大所接收到的信号并且使系统自激在基频。这样即使是很小的信号(微弱的光信号强度)也能利用光电器件4驱动发光器件7，提高了整个系统的灵敏度。 

所述发光器件7可以是各种用于发射光信号的器件，如发光二极管等。 

所述发光器件7通过电信号的强度改变而使光信号的强度改变。 

所述频率仪8为本领域人员公知的适用的频率仪，再次不作特别限定。所述频率仪8可以以本领域人员公知的方式在反馈系统中测量其自激频率。 

本发明所提供的普通单色光测距的方法的优化实施方案——环频法普通单色光测距包括以下步骤：利用发光器件7将光信号向被测物体2发射，被测物体2使光信号返回，光电器件4将接收到的反射光信号转变成电信号，通过反馈系统将信号反馈给发光器件7，使系统自激在环路中产生相位差为2Np(N为整数)的频率信号上，采用自动增益放大器6的准线性使系统只自激在基频，保证系统在不同被测距离时自激在不同频率上，通过频率仪8测量自激频率达到测量距离的目的。 

所述发光器件7通过接收反馈系统反馈回来的电信号所提供的能量进行工作，即把电信号转变成光信号。 

所述光电器件4通过接收涂有具有回归反光特性高反射率材料的被测物体2反射回来的光信号所提供的能量进行工作，即把光信号转变成电信号。 

通过涂有具有回归反光特性高反射率材料的被测物体2对光信号的反射和反馈系统对电信号的反馈形成的回路将使本系统产生自激，为使该自激频率信号为单频信号本系统使用了自动增益放大器6的准线性和带通滤波器5使其只自激在基频。当被测物体2移动，即被测距离改变时，自激频率也会随之改变，通过频率计8测量自激频率可达到测量距离的目的。 

下面举例说明本发明中使用环频法测距作为优化的实施方案的具体计算。 

如果在被测距离终端安装环频普通单色光测距仪，即电路系统1，在被测物体2上涂上具有回归反光特性的高反射率材料。设被测距离为D，光导纤维使被测距离延长m，根据环频法普通单色光测距分析可知，则通过整个回路产生相位差为2Np(N为整数)的信号必产生自激现象，而其他频率的光信号均被衰减，然后利用自动增益放大器的准线性使自激只发生在基频上(即N＝1)，显然通过测量产生自激现象的光信号频率即可计算出被测距离.设该信号频率为f，则有： 

$D=\frac{1}{2}[1-\frac{x}{2\mathrm{\π}}]\mathrm{\λ}-m=\frac{(2\mathrm{\π}-x)c}{4\mathrm{\πf}}-m---\left(2\right)$

式中：D——被测距离； 

λ——自激信号的调制波长； 

m——光导纤维使被测距离延长的长度；

c——光信号在空气中的传播速度； 

f——自激信号的调制频率； 

x——信号在电回路中产生的相位差。 

由上式可知，距离的测量，变成了该时刻产生自激的信号调制频率f的测量。测量调制频率f事实上就是测量回路中电流的峰值变化频率。在此对调制频率f的测量不再详细阐述。 

假如被测距离限制为D₁与D₂之间(D₁<D₂)，即D₁<D<D₂，通过式(2)可计算出发生自激的基频范围，即系统的工作频率范围，假设该范围为f₂<f<f₁。根据式(2)有： 

$f_1=\frac{(2\mathrm{\&pi;}-x)c}{4\mathrm{\&pi;}(D_1+m)}---\left(3\right)$

$f_2=\frac{(2\mathrm{\&pi;}-x)c}{4\mathrm{\&pi;}(D_2+m)}---\left(4\right)$

为了保证系统自激在基频上，应保证高频信号基波频率小于低频信号的二次谐波频率才能区分基波与谐波，即f₁<2f₂，则有： 

$\frac{(2\mathrm{\&pi;}-x)c}{4\mathrm{\&pi;}(D_1+m)}<2\frac{(2\mathrm{\&pi;}-x)c}{4\mathrm{\&pi;}(D_2+m)}$

从而m>D₂-2D₁         (5) 

由上式可知，当D₂<2D₁时，可以不采用光导纤维3；当D₂≥2D₁时，必须采用光导纤维来延长被测距离，保证f₁<2f₂。然后通过带通滤波器滤去谐波和干扰波，则应使带通滤波器的上、下限截止频率为f₁、f₂。

Claims (4)

1.一种通过普通单色光测距的系统，该系统包括用于发射光信号的发光器件、涂有回归反光特性高反射率材料的被测物体、用于接收反射光信号的光电器件、以及一个通过光的传播时间测量光路长度的电路系统，其中，所述发光器件将电路系统提供的电信号转换成光信号，并将光信号发射向被测物体；所述被测物体上涂有的具有回归反光的特性的高反射率材料使光信号主要沿原路返回；所述光电器件将接收反射的光信号转变成电信号；计算出光路的距离，

其中，所述计算出光路的距离采用环频法，在所述电路系统中，包含一个将接收到的反射信号转变而来的电信号反馈给发光器件的反馈系统和一个测量频率的频率仪，其中，所述反馈系统包括串联连接的带通滤波器和自动增益放大电路；电信号通过所述反馈系统反馈给发光器件，使整个系统自激在某频率上；所述频率仪测量其系统的自激频率；系统通过测量所得自激频率来计算光路长度，即测量被测物体到发光器件的距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光信号为通过带通滤波片选频后的单色光。

3.一种普通单色光测距的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

利用发光器件将光信号向被测物体发射，其中，通过在所述被测物体上涂上具有回归反光特性的高反射率材料，使所述被测物体更易于和背景区分；

所述被测物体使光信号返回，光电器件将接收到的反射光信号转变成电信号，通过反馈系统将信号反馈给所述发光器件，以使系统自激在环路中产生相位差为2Np的频率信号上，其中，N为整数；

采用技术手段使所述系统只自激在基频上，以使所述系统在不同被测距离时自激在不同频率上，通过频率仪测量自激频率以测量距离，其中，所述技术手段是所述电信号依次经过串联连接的带通滤波器和自动增益放大电路，以使所述系统只在某个频段满足自激条件，或优先自激到某个频率点。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用光导纤维延长所述光信号的传输距离、通过带通滤波片对所述光信号进行选频。