PL224966B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach. Urządzenie może znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak geodezja, budownictwo, automatyzacja procesów przemysłowych, inwentaryzacja, systemy zobrazowania przestrzennego.

Znanych jest wiele metod zdalnego pomiaru odległości. Jednymi z najbardziej rozpowszechni onych są metody, w których mierzy się czas przelotu krótkiego impulsu świetlnego do mierzonego obiektu i z powrotem do urządzenia pomiarowego. W tego typu dalmierzach laserowych kluczowy jest sposób precyzyjnego pomiaru czasu opóźnienia sygnału.

Układ pomiaru czasu opóźnienia sygnału, wykorzystywany w impulsowych dalmierzach laserowych, przedstawiony został w opisie patentowym US 6493653. Podstawowym elementem jest linia opóźniająca współpracująca z rozbudowanym bankiem wielobitowych rejestrów cyfrowych. Rozdzie lczość czasowa pomiaru opóźnienia jest rzędu setek ps.

Znany z opisu patentowego US 6466307 sposób pomiaru czasu opóźnienia wykorzystuje programowalny układ opóźniający, rejestr przesuwny i blok pamięci. Uzyskana rozdzielczość pomiaru czasu jest rzędu jednej czwartej okresu próbkowania.

Inne znane sposoby pomiaru czasu opóźnienia wykorzystują analogowe konwertery czas/napięcie, a wynik tej konwersji przetwarza się do postaci cyfrowej przy pomocy dodatkowego przetwornika A/C. Taki układ jest przedstawiony w opisie patentowym US 4569599 oraz w US 6310682, a także w zgłoszeniu patentowym US 2002131034.

Znane są z opisów patentowych US 7830191 oraz US 8138958 metody wykorzystujące noniusz elektroniczny oparty na liniach opóźniających.

Znany jest sposób pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach, w którym sygnał prostokątny o częstotliwości F₂ z generatora o regulowanej częstotliwości podaje się jako sygnał zegarowy przerzutnika D, którym próbkuje się stan pierwszego wyjścia licznika pierścieniowego, a impulsowy sygnał wyjściowy opóźnia się w regulowanym układzie opóźniającym i pobudza się nim nadajnik sygnałów optycznych, po czym odbity od mierzonego obiektu sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na impuls elektryczny, który porównuje się w układzie komparatora z napięciem progowym, po czym impulsy wyjściowe komparatora zlicza się w licznikach binarnych i jednocześnie sygnałem prostokątnym częstotliwości F₁ z generatora wzorcowego taktuje się m-bitowy licznik pierścieniowy.

Znane jest urządzenie do pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach, które posiada układ generatora wzorcowego, układ generatora o regulowanej częstotliwości, układ nadajnika sygn ałów optycznych oraz układ odbiornika sygnałów optycznych, z którego wyjścia odebrany i przekształcony do postaci elektrycznej sygnał s_r(t) doprowadzony jest do pierwszego wejścia komparatora, a do drugiego wejścia komparatora podłączony jest układ regulacji napięcia progowego, a wyjście komparatora połączone jest z wejściami zezwalającymi liczników binarnych.

Sposób według wynalazku polega na tym, że sygnałem z wyjścia Y_n licznika pierścieniowego uaktywnia się wejście zezwalające EN licznika binarnego L₁, a sygnały wyjściowe Y₀ do Y_n-1 i z licznika pierścieniowego sumuje się logicznie w bramce OR i uzyskanym sumarycznym sygnałem uaktywnia się wejście zezwalające EN licznika binarnego L₀, po czym zliczone przez liczniki wartości N₀ i N₁ wprowadza się do nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego, korzystnie układu mikroprocesorowego, w którym jednocześnie ustala się czas opóźnienia sygnału w regulowanym układzie opóźniającym, po czym ustalone wartości m oraz ΔΤ wpisuje się do układu opóźniającego.

W nadrzędnym układzie sterująco-wyliczającym realizuje się funkcję regulatora, w którym ustala się takie wartości m oraz ΔΤ dla których wartości N₀, zliczona przez licznik L₀ oraz N₁, zliczona przez licznik L1, zrównają się na koniec cyklu pomiarowego.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że najstarszy bit z wyjścia licznika pierścieniowego połączony jest z wejściem zezwalającym pierwszego licznika, jednocześnie pozostałe bity z wyjścia licznika pierścieniowego połączone są z wejściami bramki OR, której wyjście złączone jest z wejściem zezwalającym drugiego licznika, a wyjścia obu liczników połączone są do wejść nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego, korzystnie układu mikroprocesorowego, ponadto wejścia sterujące czasem opóźnienia wprowadzanego przez regulowany układ opóźniający są połączone do wyjść nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia.

PL 224 966 B1

Generator zegarowy (101) jest źródłem zegarowego sygnału wzorcowego CLK o częstotliwości Fi i o dużej stałości częstotliwości. Sygnał CLK taktuje licznik pierścieniowy (109) oraz jest sygnałem odniesienia dla generatora (102) wytwarzającego sygnał CLK₂ o cyfrowo regulowanej częstotliwości F₂. Rolą przerzutnika D (103) jest próbkowanie sygnału z wyjścia Y_o licznika pierścieniowego (109) w takt sygnału CLK₂, w wyniku czego na wyjściu przerzutnika D (103) formowany jest impuls IMP o czasie trwania T_imp. Sygnał IMP jest podawany na wejście sterowanego układu opóźniającego (104), który wytwarza na wyjściu impuls IMP2 również o czasie trwania T_imp ale opóźniony względem sygnału IMP o czas T_op równy mT_CLK +AT. Sygnał IMP2 pobudza nadajnik sygnałów optycznych (105) do wygenerowania impulsu świetlnego o identycznym czasie trwania T_imp. Ów impuls świetlny przebywa drogę do obiektu do którego mierzona jest odległość, odbija się od niego i opóźniony wraca na wejście odbiorniku sygnałów optycznych (106), gdzie jest konwertowany do postaci elektrycznej i wzmacniany. Sygnał s_r(t) z wyjścia odbiornika (106) jest porównywany w komparatorze (107) z napięciem progowym U_p wytwarzanym przez zadajnik (108). Wartość napięcia progowego powinna odpowiadać mniej więcej połowie amplitudy odbieranych impulsów. Sygnał IMP3 z wyjścia komparatora (107) jest sygnałem zegarowym dla liczników L_o i Li (110, 111).

Licznik pierścieniowy (109) pracuje w trybie „krążącej jedynki” i wytwarza na swoich wyjściach sygnały Y₀ do Y_n, które wykorzystywane są jako sygnały zezwalające (EN) na zliczanie liczników L₀ i L₁ (110, 111). Zliczanie każdego z tych liczników następuje, gdy na odpowiednim wejściu zezwalającym (EN) panuje stan aktywny, a na wejściu zegarowym pojawia się zbocze narastające IMP3 z wyjścia komparatora (105). W danym takcie sygnału CLK możliwa jest inkrementacja tylko jednego z liczników L₀ lub L₁.

Elementarny cykl pomiarowy rozpoczyna się od zmiany stanu na wyjścia Y₀ licznika pierścieniowego (109) z niskiego na wysoki, przy pozostałych wyjściach pozostających w stanie niskim, i p olega na wygenerowaniu 1 impulsu IMP przez przerzutnik D (103), a następnie po n taktach sygnału CLK zliczenia impulsu IMP3 będącego przetworzonym impulsem IMP albo przez licznik L₀ (110) albo przez licznik L₁ (111). Po zmianie sygnału Y₀ z niskiego na wysoki wywołanej narastającym zboczem sygnału zegarowego CLK następne narastające zbocze sygnału CLK₂ spowoduje spróbkowanie sygnału Y0 będącego w stanie wysokim i w rezultacie ustawienie na wyjściu przerzutnika (103) stanu wysokiego, a kolejne narastające zbocze sygnału CLK₂ spowoduje spróbkowanie sygnału Y₀ będącego już w stanie niskim i w rezultacie ustawienie na wyjściu przerzutnika (103) stanu niskiego. Wynika to z takiego doboru częstotliwości F₂ sygnału CLK₂, że jest ona nieznacznie mniejsza od częstotliwości F₁ sygnału zegarowego CLK, co oznacza, że okres CLK₂ jest dłuższy od okresu CLK. W ten sposób ukształtowany zostaje 1 impuls sygnału IMP, który podawany jest na wejście układu opóźniającego (104) o czas T_op równy mT_CLK +ΔΤ w rezultacie czego wytwarzany jest impuls IMP2 kluczujący nadajnik sygnałów optycznych (105). Czas T_imp trwania impulsu IMP jest równy okresowi sygnału CLK₂. Taki sam jest również czas trwania impulsu IMP2 oraz impulsu świetlnego wysyłanego w kierunku obiektu do którego odległość jest mierzona. Odebrany i wzmocniony sygnał s_r(t) jest opóźniony w czasie względem impulsu nadanego i jednocześnie jest zdeformowany przez optyczne sygnały zakłócające i szumy własne układu odbiorczego. Sygnał IMP3 wytwarzany jest przez komparator (107), porównujący sygnału s_r(t) z napięciem progowym U_p jest formowany w impuls, który następnie jest wykorzystywany do inkrementacji albo licznika L₀ (110) albo licznika L₁ (111). Czas opóźnienia między impulsem IMP3, a rozpoczynającym elementarny cykl pomiarowy zboczem narastającym sygnału CLK w idealnym przypadku jest sumą 3 składników: mierzonego czasu przelotu sygnału świetlnego, wprowadzonego intencjonalnie czasu opóźnienia T_op równego mT_CLK + ΔT oraz dodatkowego opóźnienia T_dod wynikającego z różnicy częstotliwości sygnałów CLK i CLK2. To dodatkowe opóźnienie zmienia się w kolejnych cyklach pomiarowych i powoduje, że zbocze narastające sygnału IMP3 może pojawić się gdy aktywne jest wejście zezwalające licznika L₀ (110) albo licznika L₁ (111). W rzeczywistym układzie występować będą jeszcze, najczęściej stałe opóźnienia pasożytnicze T_p.

Rolą układu sterującego (112), korzystnie mikroprocesorowego, jest takie sterowanie układem opóźniającym (104), aby wyrównywać średnie opóźnienia impulsu IMP3 i sygnałów zezwalających Y_n-1 i Y_n wytwarzanych przez licznik pierścieniowy (109), tak by w efekcie liczba zliczanych impulsów N₀ przez licznik L0 (110) w danym przedziale czasu była równa liczbie zliczanych impulsów N1 przez licznik L1 (111). Korzystnie jest do tego celu wykorzystać regulator z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, dla którego sygnałem wejściowym będzie różnica wskazań N₀ i N₁ liczników L₀ i L₁ (110, 111) a sygnałem wyjściowym wartość czasu opóźnienia układu opóźniającego (104) T_op = mT_CLK +ΔΈ Jeśli w danym przedziale czasu zlicza jedynie licznik L0 to układ sterujący (112) zwiększa wartość współczynnika m

PL 224 966 B1 czasu opóźnienia T_op. Jeśli w danym przedziale czasu nie zlicza żaden z liczników L_o i L-ι to układ sterujący (112) zmniejsza wartość współczynnika m czasu opóźnienia T_op. Jeśli w danym przedziale czasu zliczają oba liczniki L_o i L-ι to układ sterujący (112) koryguje współczynnik AT czasu opóźnienia T_op.

Kolejny elementarny cykl pomiarowy rozpoczyna się wraz z narastającym zboczem sygnału CLK, które powoduje zmianę stanu z niskiego na wysoki na wyjściu Y_o licznika pierścieniowego, co doprowadzi do ponownego wygenerowania impulsu optycznego. Moment wygenerowania impulsu nastąpi w innej fazie względem sygnału wzorcowego CLK, a jego przesunięcie wynika z różnicy częstotliwości F-ι i F₂. O ten sam czas przesunięty zostanie impuls zegarowy IMP3 względem sygnałów zezwalających dla z liczników L_o i L|. Graniczny, minimalny pełen cykl pomiarowy zawiera taką liczbę elementarnych cykli pomiarowych N_min__gr, po której faza sygnału IMP względem Y_o wraca do wartości początkowej. W takim przypadku liczba impulsów opóźnionych o czas T_dod mniejszy niż połowa T_CLK jest równa liczbie impulsów opóźnionych o czas T _dod większy niż połowa T_CLK. Jednakże minimalna liczba elementarnych cykli pomiarowych N_min niezbędna do wyznaczenia odległości z zadaną rozdzielczością zależy również od rodzaju regulatora realizowanego w układzie sterującym (112). Maksymalna liczba cykli elementarnych w cyklu pomiarowym jest ograniczona przez pojemności lic zników L_o i L|. Po wystąpieniu minimalnej liczby cykli elementarnych N_min urządzenie może, zerując liczniki L_o i L-ι, rozpocząć pomiar od nowa lub w sposób ciągły mierzyć odległość do obiektu, aż do przepełnienia się liczników.

Czas propagacji sygnału, rozumiany jako czas przelotu światła od nadajnika optycznego do obiektu mierzonego i z powrotem do odbiornika, wynosi:

Tprop = n · Tclk - (m · Tclk ⁺ ΔΤ) - Tp gdzie:

T_prop - opóźnienie propagacyjne sygnału optycznego zależne od odległości do obiektu,

T_CLK - okres sygnału CLK o częstotliwości wzorcowej F-i,

T_p - suma wszystkich pasożytniczych opóźnień występujących w układzie, n - indeks (liczony od 0) wyjścia zezwalającego zliczanie licznika L-i, m - współczynnik wyznaczony przez układ sterujący,

ΔΤ - współczynnik wyznaczony przez układ sterujący.

Rozdzielczość zgrubnego wyznaczenia czasu propagacji zależy od okresu T_CLK sygnału wzorcowego. Maksymalny zasięg pomiarów wynika z najdłuższego możliwego do uzyskania czasu opóźnienia T_op układu opóźniającego (104), który powinien być równy mT_CLK, czyli liczbie wyjść m licznika pierścieniowego (109) pomnożonej przez okres T_CLK. Rozdzielczość ustawiania czasu opóźnienia T_op układu opóźniającego (104) jest zarazem rozdzielczością pomiaru czasu propagacji T_prop czyli jest podwojoną rozdzielczością pomiaru odległości do obiektu.

Korzystnie jest tak dobrać częstotliwość F₂ sygnału CLK₂ w stosunku do częstotliwości F-ι sygnału CLK aby wystąpiły podcykle o długości trwania krótszej N_pc od N_min__gr, w których liczba impulsów opóźnionych o czas T_dod mniejszy niż połowa T_CLK jest równa liczbie impulsów opóźnionych o czas T_dod większy niż połowa T_CLK. Taki warunek spełnia na przykład następujący dobór parametrów urządzenia: T_CLK równe 200 ns, T_CLK2 równe 205,5 ns, a n równe 20. W takim przypadku regulator realizowany przez układ sterujący powinien pracować z taktem równym czasowi trwania podcyklu ^Npc^TCLK^.

Claims (3)

1. - Sposób pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach, w którym sygnał prostokątny CLK₂ o częstotliwości F₂ z generatora o regulowanej częstotliwości podaje się jako sygnał zegarowy przerzutnika D, którym próbkuje się stan pierwszego wyjścia Y_o licznika pierścieniowego, a impulsowy sygnał wyjściowy IMP opóźnia się w regulowanym układzie opóźniającym i pobudza się nim nadajnik sygnałów optycznych, po czym odbity od mierzonego obiektu sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na impuls elektryczny, który porównuje się w układzie komparatora z napięciem progowym, po czym impulsy wyjściowe komparatora zlicza się w licznikach binarnych i jednocześnie sygnałem prostokątnym CLK o częstotliwości F- z generatora wzorcowego taktuje się m-bitowy licznik pierścieniowy, znamienny tym, że sygnałem z wyjścia Y_n licznika pierścieniowego (109) uaktywnia się wejście zezwalające EN licznika binarnego Li (111), a sygnały wyjPL 224 966 B1 ściowe Y_o do Y_n-1 z licznika pierścieniowego (109) sumuje się logicznie w bramce OR (113) i uzyskanym sumarycznym sygnałem uaktywnia się wejście zezwalające EN licznika binarnego L_o (110), po czym zliczone przez liczniki wartości N₀ i N₁ wprowadza się do nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego (112), korzystnie układu mikroprocesorowego, w którym jednocześnie ustala się czas opóźnienia sygnału w regulowanym układzie opóźniającym (104), po czym ustalone wartości m oraz AT wpisuje się do układu opóźniającego (104).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-wyliczającym (112) realizuje się funkcję regulatora, w którym ustala się takie wartości m oraz AT dla których wartości N0, zliczona przez licznik L0 (110), oraz N1, zliczona przez licznik L1 (111), zrównają się na koniec cyklu pomiarowego.
3. 3. Urządzenie do pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach, które posiada układ generatora wzorcowego, licznik pierścieniowy, układ generatora o regulowanej częstotliwości, przerzutnik D, regulowany układ opóźniający, układ nadajnika sygnałów optycznych oraz układ odbiornika sygnałów optycznych, z którego wyjścia odebrany i przekształcony do postaci elektrycznej sygnał s_r(t) doprowadzony jest do pierwszego wejścia komparatora, a do drugiego wejścia komparatora podłączony jest układ regulacji napięcia progowego, a wyjście komparatora połączone jest z wejściami zegarowymi liczników binarnych, znamienne tym, że najstarszy bit z wyjścia licznika pierścieniowego (109) połączony jest z wejściem zezwalającym pierwszego licznika (111), jednocześnie pozostałe bity z wyjścia licznika pierścieniowego (109) połączone są z wejściami bramki OR (113), której wyjście złączone jest z wejściem zezwalającym drugiego licznika (110), a wyjścia obu liczników (110) i (111) połączone są do wejść nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego (112), korzystnie układu mikroprocesorowego, ponadto wejścia sterujące czasem opóźnienia wprowadzanego przez regulowany układ opóźniający (104) są połączone do wyjść nadrzędnego układu sterująco-wyliczającego (112).