CN103299157A - 激光测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学测距仪，特别是非接触式测距装置，可用在激光测距仪或视距仪的制造中，可以精确测量与目标物或其个别部件的距离，也可用于地形地貌测绘。请求保护的是一种激光测距装置，其包括：一发射信道，该发射信道包括一主控振荡器，所述主控振荡器与一带有输出光学系统的激光发射器的输入端相连接；以及一接收信道，其包括一输入光学系统，在该输入光学系统的焦点处安装有一雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管与一测量单元的信号输入端相连接，该测量单元的参考输入端与主控振荡器以及一光学监控信道相连接。新颖的特征包括：光学监控信道设计成将输入及输出信道接通的外部光学线路形式，雪崩光电二极管和激光二极管的外壳装有一温度传感器，该温度传感器与测量单元的测量输入端相连接，测量单元本身装配有能源独立的存储器。

Description

激光测距装置
技术领域
本发明涉及一种光学测距装置，特别是非接触式测距装置，可用于制作激光测距仪或视距仪，可以精确测量目标物或其个别部件的距离，还可以用于地形地貌测绘领域。
背景技术
目前在地质勘探，建筑行业，工程勘探，土地测量和海洋水流勘探工程中，为了达到对距离的高精确度控制，采用了激光测距装置，可以达到在距离3公里处精确度为1毫米，对这类测距装置的基本要求：
-用户操作使用简便迅速，大大简化运用成本，并可降低对设备维护人员水平的要求；
-批量生产时费用成本显著降低，从而可大大减少使用几十台和几百台该设备企业的费用；
-提供保证在冬季-40℃至夏季+50℃的工作温度范围内的工作可靠性，因为可能要在难以抵达地点进行长年累月的工作，例如在北纬地区铺设管道，从而避免了对计量实验室设备进行频繁的校准。
已有的具有两个光检测器(FPU)的激光测距装置，可利用相位的方法高精确度地测量距离(见美国专利No.7023531，КЛ.G01C，2006年3月8日)，该装置包括一接上主控振荡器的发送信道，主控振荡器与激光发射器的输入端相连，还包括二接收信道(信号与参考)，其中每个光检测器基于雪崩光电二极管，光电二极管的输出端通过信号转换器(解调器，波带滤波器，放大器及数模转换器)接到微型控制器上。两个接收信道同时工作：信号信道接收反射自被测量目标的辐射，而向参考信道提供的是光学传送器输出端上，从半透明镜子上反射的辐射的一小部分。
该方案的基本原理在于这样一种假设，即在这些信道中相位的温度偏移应大小相同但方向相反，不应对相位差产生影响。
已知的现有装置的缺点是，第一要有两台雪崩光电二极管，其中每一台都是线路最为昂贵的部件。
第二，这些雪崩光电二极管应该是互补的，亦即在同一批次中制造出来，并且彼此匹配地选取，务必使得在每个FPU的输出端上具有相同的相位温度偏移值。在该方案中采用同一型式的雪崩光电二极管，但它们如是不同批次，就不能完全补偿温度偏移值，这样就会导致附加误差。
最为接近的激光测距装置是作为试制样品的双信道装置，其按相位是测距装置(见美国专利公告7221435，分类号G01C，2007年3月8日)的原理工作。该装置包含发送信道、接收信道、光学监控信道以及一电子控制单元。发送信道包括：一主控振荡器，耦合到一具有输出光学系统的激光发射器的输入端。接收信道包括一输入光学系统，在该系统中，焦点被设置的雪崩光电二极管APD连接到电子控制单元的信号输入端。电子控制单元的参考输入端与主控振荡器相连。光学监控信道设计成具有两个机械转动式的光学耦合的镜子，其中一个镜子装在发送信道的输出孔前，另外一个——接收信道的输入孔前。采用利用两个转动的光学耦合的镜子而形成的光学监控信道可以提高测距精度，这是由于在每次测量前都进行了监控光学信道长度的校验测量。此时利用两个旋转镜子，发送信道的输出射线不会超出装置的限值，并立即加到接收信道的输入端上。参考信道的存在可以消除测量距离时产生的误差，而该误差是由于装置线路中的雪崩光电二极管、激光发射器以及其它电子控制单元时间上的延时性而产生的，这些误差数值约为几十毫米，这种情况对于所要解决的问题是不可接受的。
参考信道在直接利用转动镜子之前，直接将光学传送器的光线“闭合”到光检测器上，对参考信道进行长度监控测量。镜子盖住参考信道，在被测目标物之前打开，则从此后的测距结果中扣除监控测量值。
现有装置的主要缺点，首先是由于存在运动元件使结构复杂。众所周知，装置中机械运动部件在极低温(达到-40℃)之下通常是最不可靠的部份。
第二，在每次过程测量之前必须先进行监控性测量，这就增加了总的测量时间，特别是在极冷或极其炎热气候条件下，这是极其负面的因素。
发明内容
本发明的目的在于，即在降低产品成本的同时，利用消除上述缺陷的办法，来获得扩展测距装置功能的可能性。
激光测距装置包括一传输通道，该传输通道包括一主控振荡器，所述主控振荡器利用一输出光学系统与激光发射器的输入端相连接；以及一接收通道，其包括一输入光学系统，在该输入光学系统的焦点处安装有一雪崩光电二极管，雪崩光电二极管与电子控制单元的信号输入端相连接，电子控制单元的参考输入端则与主控振荡器相连接。激光测距装置需解决的问题是，光学监控信道设计成将输入及输出信道接通的外部光学线路形式，所述雪崩光电二极管和激光二极管的外壳上分别装有一温度传感器，该温度传感器与测量单元的测量输入端相连接，测量单元本身装配有能源独立的存储器。
与温度有关的外部光学监控信道，允许测距装置内部产生相位移，而温度传感器的存在则允许制造成相位移与能源独立的存储器中所记录的温度成相关连的校正关系(КЗ)。因此每次测量的КЗ使得能够在每次测量前，不必利用参考信道的数据，由此可相应地提高测量速度，增加运用的方便性以及增加工作温度的范围，与此同时也降低了该装置的造价。
为了监控雪崩光电二极管管体的温度以及激光二极管外壳的温度，其装在共用的金属导热体上，而该金属导热体的温度则由温度传感器来监测。
为了测量КЗ，装有光学监控信道的每台仪器，都装在气候测量箱内，光学监控信道例如可制成为两个固定镜子形式，这些镜子可放置成两个相互成直角或有二面或三面的棱镜形式。在这种情况下，光学监控信道内部还装有可减少光学辐射的装置，例如着色玻璃，该装置可以使得具有所需光学功率水平值照射到雪崩光电二极管的工作面上。
对每台测距装置的КЗ测量仅在制造厂进行一次，并记录在能源独立的存储器之中，例如记录在内存卡中。
附图说明
图1示出了本发明的激光测距装置的框架示意图。
图2示出了本发明的激光测距装置在测量КЗ工况下的框架示意图。
图3示出了本发明的激光测距装置的电子控制单元的框架示意图。
图4示出了本发明采用二面角棱镜的光学监控信道的结构图。
具体实施方式
本发明装置(图1)包括：一发送信道1，发送信道1由主控振荡器2以及装在激励器3中的激光发射器组成；还包括具有输出光学系统5的激光二极管4，输出光学系统将发散光束改变为平行光束6；一接收信道7，所述接收信道7由将平行光束9转换为会聚光束的输入光学系统8组成，在会聚光束的焦点位置上装有雪崩光电二极管10；金属导热体11，作为激光二极管4以及雪崩光电二极管10的外壳，其上还装有温度传感器12；向雪崩光电二极管10施加高电压的电源13；包括微型控制器15的电子控制单元14；还包括高频信号变换器16，控制与显示屏17，数据传送显示屏18，蓄电池电源19以及能源独立的存储器20。
如图2所示，所述装置还包括光学监控信道21，其由两个相互布置成直角的固定镜子22与23，以及激光辐射衰减器24组成。
在图3示出的流程图中包括：数模转换器25；高频率信号转换器16，其包括两台模数转换器26和27，两台混频器28与29，一台主控振荡器30以及放大器31。
图4示出的装置结构具有光学监控信道，它的形式为二面角棱镜25，其棱边成直角布置。导热体11，其中激光二极管4被按下，雪崩光电二极管10直接固定安装在印刷电路板26上。
测距装置组装后，其温度校正工作是制造过程的最后阶段，直接在工厂条件下进行。
为此，接有光学监控信道21(图4)的一台或几台测距装置要同时放入气候测试箱内。
每台仪器的校准应如下进行：将一台仪器或同在气候测试箱内的几台仪器加热至温度50℃以上，此后向仪器施加电压，微型控制器15起动，工作按校正试验方案进行，该方案规定随着仪器冷却至-40℃，要按规定的间隔，例如0.5或1.0℃的方案内容的要求，利用微型控制器15将校正值(КЗ)记入能源独立的存储器20之中，并在该仪器整个使用期间內，在装置的工作中都加以利用。
监控信道长度的测量方法类似于测量距离的方法，应按如下进行：
主控振荡器2产生具有
A(2π×f0×t)    (1)
形式的电信号，
其中A-电信号辐值，f0-主控振荡器2的频率，T-时间。
激光器的激励器3将此信号按功率转换为激光二极管4的激光辐射辐值6。利用输出光学系统5，将激光辐射指向固定不动的镜子22与23，并在辐射减弱器24中使之减少。此后激光辐射9藉助输入光学系统8指向雪崩光电二极管10，光电二极管10将光学信号转换成具有
Figure BPA00001718608000041
形式的电信号，
其中B-所取电信号的辐值，L-所测量的距离，
Figure BPA00001718608000042
-从主控振荡器2输出端的电信号与从雪崩光电二极管输出端电信号之间的相位差。
相位差用下式表示：
Figure BPA00001718608000044
其中C-光速
Figure BPA00001718608000045
因为频率f0有可能是从几百兆赫至千兆赫，而距离L一般情况下可以达到几公里，则数值
Figure BPA00001718608000046
Figure BPA00001718608000047
通常具有以下格式：
Figure BPA00001718608000048
0≤δ＜2π，(5)
其中δ-相位小数部分，而N-整数或者是所谓的“相位不定值”。
相位小数部分可以用电气信号测量的标准方法确定(例如用相位计测量)。
为了决定相位不确定性N必须利用几个测量值f0，
同时采用已知相位计十进位算法(B·B·格里戈里-辽波夫所著“无线电广播装置”19-24页，苏维埃广播，莫斯科，1970年)。
在仪器的测量单元14中，要利用高频信号转换器16，它包括具有频率f1以及两台混频器28与29的主控振荡器30，信号
Figure BPA00001718608000049
以及A(2π×f0×t)被转移到低频的解调方法：
Figure BPA00001718608000051
A(2π×f0×t)→a(2π×Ω×t)    (7)
Ω＝f0-f1，其中f1——基准频率发生器。Ω值通常在1千赫至100千赫范围内选取。相位差
Figure BPA00001718608000052
此时不变。
信号
Figure BPA00001718608000053
以及a(2π×Ω×t)利用2台模数转换器26和27写入微型控制器15的随机存储器中，在随机存储器进行操作中，应按式(4)进行光学监控信道21的长度计算。
在得到КЗ值后，从仪器上去除光学监控信道21，将所要求的测距工作输入微型控制器15内，此后该装置(图1)就已作好工作准备。
工作方案中测距方法与校正方案的区别在于，从所得到的远程数据中要去除相应温度下的КЗ值，该温度与用温度传感器12测得的温度值相接近。
因此，对所公开的装置，在每次测量前没有必要进行监控测量。
技术上的应用性
安装所述装置的试制样品，以代替鸟拉尔光学机械厂所生产的接收光圈，45毫米直径的“3Тa 5Д”型视距仪上的测距定型器。测距装置的外形尺寸为40x80x20毫米，外部光学监控信道的外形尺寸为40x20x20毫米。
利用视距仪的定型接口部件作为控制与指示接入部件。
在“3Тa5Д”视距仪组成中的激光测距装置的简化特性。
这些工况为：
-自动工况；
-棱镜；
-无反射。
距离测定工况——自动(自动确定对准器的反射能力类型)
最小测量时间0.4秒。
有关远程和准确性的所有其它参数均与相应反射器(对准器)型号的棱镜及无反射工况下的参数相对应。
距离测量工况——三棱镜
同轴可见红色激光为658毫米，
按标准IEC-60825-1，其激光安全等级为2级(激光安全等级2)
远程性
反射器GPR1-3000米，
最小距离-0.1米，
测量精度/时间-1毫米+1.5ppm/2.4C，
屏幕分辨率-1毫米，
距离测量工况-无反射工况
同轴可见红色激光685毫米，
按标准IEC-60825-1激光安全等级为2级(激光安全等级2)
屏幕分辨率-0.1毫米，
测量距离及时间
1公里距离测量时间为50秒(反射表面为柯达灰度90％)
300米为0.4秒(反射面为柯达灰色90％)
最短距离-0.1米，
测量精度/时间：
100米以下(柯达灰度90％)——1毫米+2ppm/0.4秒，(自动工况)0.1秒(无反射工况)。
300米以上-3毫米+2PPT/1～6秒，最大12秒。
100米以上激光斑点尺寸为20×10毫米。

Claims (6)

1.一种激光测距装置，其包括：
一传输信道，该传输信道包括一主控振荡器，所述主控振荡器利用一输出光学系统与激光发射器的输入端相连接；
以及一接收信道，其包括一输入光学系统，在该输入光学系统的焦点处安装有一雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管与一测量单元的信号输入端相连接，该测量单元的参考输入端与所述主控振荡器以及一光学监控信道相连接；
其特征在于：所述光学监控信道设计成将输入及输出信道接通的外部光学线路形式，所述雪崩光电二极管和激光二极管的外壳上装有一温度传感器，该温度传感器与所述测量单元的测量输入端相连接，所述测量单元自身装配有能源独立的存储器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：雪崩光电二极管、激光二极管以及温度传感器安装在一共同的作为外壳的金属导热体中。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：外部光学线路设置为两个固定不动的镜子，相互成直角布置，并装有激光辐射衰减器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：外部光学线路设置成二面或三面的棱镜，其具有成直角的面，并装有激光辐射衰减器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：外部光学线路设置成光线导向装置的区段形式，并装有激光辐射衰减器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：利用内存卡作为能源独立的存储器。
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