RU2082090C1

RU2082090C1 - Laser ranger

Info

Publication number: RU2082090C1
Application number: RU94006567A
Authority: RU
Inventors: С.В. Бабкин; Л.А. Егоров; А.С. Зайцев; Н.Н. Иванов; В.Ф. Папуловский
Original assignee: Московский институт радиотехники, электроники, автоматики; Государственное объединение "Росстройизыскания"
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: optical measurements, applicable for determination of distances of the order of tens- hundreds of meters at civil engineering and prospecting work. SUBSTANCE: the ranger uses a laser beam generating unit and a reflected beam receiving unit installed for relative angular or linear displacement of their optical axes in the same plane, as well as a unit of relative displacement of the mentioned optical axes, range finding unit and a control unit. Use is made of the geometric method of distance measurement in combination with scanning of the directivity pattern of the laser beam generating unit or receiving unit of the beam reflected in the plane passing through the sighting point on the object the distance to which is to be measured. EFFECT: enhanced accuracy of measurements and comparatively simplified design. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано, в частности, для определения расстояний порядка десятков-сотен метров при производстве строительных и изыскательских работ. The invention relates to the field of optical measurements and can be used, in particular, to determine distances of the order of tens to hundreds of meters in the production of construction and survey works.

Известны светодальномеры, в которых расстояние до некоторого объекта определяется по разности фаз сигнала, отраженного от объекта, и опорного сигнала [1, 2] Наиболее близким техническим решением является лазерный дальномер [3] выполненный по схеме электронно-оптического фазового определения дальности, содержащий блок формирования лазерного луча, модулятор, обеспечивающий модуляцию фазы сигнала, блок приема отраженного луча, демодулятор и блок определения дальности (электронную схему, обеспечивающую обработку отраженного от объекта сигнала). Known light-range finders in which the distance to a certain object is determined by the phase difference of the signal reflected from the object and the reference signal [1, 2] The closest technical solution is a laser range finder [3] made according to the scheme of electron-optical phase range determination, containing the formation unit a laser beam, a modulator that provides phase modulation of the signal, a block for receiving a reflected beam, a demodulator and a block for determining range (an electronic circuit that provides processing of the signal reflected from the object ala).

Известные технические решения, в том числе [3] обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения для измерения сравнительно небольших (порядка 100 м) расстояний. К числу таких недостатков относятся необходимость высокочастотной модуляции излучения лазера и сложность электронной схемы блока определения дальности, включающей большое количество высокочастотных электронных элементов, а также сравнительно невысокая точность измерения расстояния в указанном диапазоне, ограниченная применяемым методом измерения и техническими сложностями реализации высокочастотной модуляции лазерного излучения. В этой связи, применение известных схем устройств для реализации компактных недорогих и одновременно высокоточных дальномеров, оптимизированных для проведения контрольно-измерительных операций в процессе монтажа строительных конструкций, не представляется целесообразным. Known technical solutions, including [3], have a number of disadvantages that limit their scope for measuring relatively small (about 100 m) distances. Such disadvantages include the need for high-frequency modulation of laser radiation and the complexity of the electronic circuit of the range determination unit, which includes a large number of high-frequency electronic elements, as well as the relatively low accuracy of distance measurement in the indicated range, limited by the measurement method used and the technical difficulties of implementing high-frequency modulation of laser radiation. In this regard, the use of well-known device circuits for the implementation of compact inexpensive and at the same time high-precision rangefinders optimized for carrying out control and measuring operations during the installation of building structures does not seem advisable.

Задачей настоящего изобретения является реализация лазерного дальномера для измерения расстояний в пределах десятков-сотен метров, свободного от перечисленных выше недостатков и предназначенного преимущественно для метрологического обеспечения строительно-монтажных работ и построения на его основе контрольно-измерительных систем широкого назначения. The objective of the present invention is the implementation of a laser range finder for measuring distances within tens to hundreds of meters, free from the above disadvantages and intended primarily for metrological support of construction and installation works and the construction on its basis of control and measurement systems for general use.

Достигаемый технический результат заключается в повышении точности дальномера, упрощении его электронной схемы и устранение необходимости высокочастотной модуляции лазерного излучения. The technical result achieved is to increase the accuracy of the range finder, simplifying its electronic circuit and eliminating the need for high-frequency modulation of laser radiation.

Лазерный дальномер, позволяющий решить поставленную задачу, содержит, аналогично устройству-прототипу, блок формирования лазерного луча и блок приема отраженного луча, оптические оси которых установлены в одной плоскости, а также блок определения дальности, первый вход которого соединен с выходом блока приема отраженного луча, а выход и второй вход блока определения дальности являются соответственно информационным выходом и первым управляющим входом дальномера, и отличается тем, что блок формирования лазерного луча и блок приема отраженного луча установлены с возможностью взаимного углового или линейного перемещения их оптических осей в плоскости установки, введены блок взаимного перемещения оптических осей и блок управления, вход которого является вторым управляющим входом дальномера, а первый и второй выходы блока управления подключены соответственно ко входу блока взаимного перемещения оптических осей и третьему входу блока определения дальности. The laser range finder, which allows to solve the problem, contains, similarly to the prototype device, a laser beam forming unit and a reflected beam receiving unit, the optical axes of which are mounted in the same plane, as well as a range determining unit, the first input of which is connected to the output of the reflected beam receiving unit, and the output and the second input of the range determination unit are respectively the information output and the first control input of the range finder, and differs in that the laser beam forming unit and the receiving unit The beam was installed with the possibility of mutual angular or linear displacement of their optical axes in the installation plane, a unit for mutual displacement of the optical axes and a control unit were introduced, the input of which is the second control input of the range finder, and the first and second outputs of the control unit are connected respectively to the input of the unit for mutual displacement of the optical axes and the third input of the range determination unit.

Достижение указанного эффекта обеспечивается применением качественного отличного геометрического способа измерения дальности, аналогичного в известной степени определению параллактического угла при заданной базе (расстоянии между блоком формирования лазерного луча и блоком приема отраженного луча), в сочетании со сканированием диаграммы направленности одного из указанных блоков в плоскости, проходящей через точку визирования на объекте, расстояние до которого определяется. Achieving this effect is ensured by the use of a qualitatively excellent geometric method of measuring range, similar to a certain extent to determining the parallactic angle at a given base (the distance between the laser beam forming unit and the reflected beam receiving unit), in combination with scanning the radiation pattern of one of these blocks in a plane passing through the point of sight on the object, the distance to which is determined.

На фиг. 1 показана обобщенная структурная схема дальномера (вариант углового перемещения оптической оси блока формирования лазерного луча). Фиг. 2 и 3 иллюстрируют другие возможные варианты реализации схемы дальномера, отличающиеся способом сканирования. На фиг. 4 показан вариант реализации блока определения дальности, а на фиг. 5 блока управления. На фиг. 6 представлена временная диаграмма, поясняющая работу дальномера. In FIG. 1 shows a generalized structural diagram of a range finder (a variant of the angular displacement of the optical axis of the laser beam forming unit). FIG. 2 and 3 illustrate other possible implementations of the rangefinder circuitry, differing in the scanning method. In FIG. 4 shows an embodiment of a ranging unit, and FIG. 5 control units. In FIG. 6 is a timing chart explaining the operation of the rangefinder.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит блок формирования лазерного луча 1, блок приема отраженного луча 2, блок определения дальности 3, блок 4 взаимного перемещения оптических осей блоков 1 и 2 и блок управления 5. На фиг. 1 показаны также нумерация и функциональное назначение связей указанных блоков. The laser range finder (Fig. 1) comprises a laser beam forming unit 1, a reflected beam receiving unit 2, a range determining unit 3, a unit for mutual displacement of the optical axes of units 1 and 2, and a control unit 5. In FIG. 1 also shows the numbering and functionality of the links of these blocks.

В показанном на фиг. 1 варианте реализации дальномера, блок 4 представляет собой привод углового перемещения, обеспечивающий непосредственное угловое перемещение блока 1 формирования лазерного луча (изменение угла α при сохранении постоянного расстояния между блоками 1 и 2). Для реализации блока взаимного перемещения оптических осей может быть также использован привод линейного перемещения 6 в сочетании с перемещающимся зеркалом 7 (см. фиг. 2), обеспечивающий изменение базового линейного размера L при неизменном угловом положении блоков 1 и 2. При этом может осуществляться как указанное выше изменение положения оптической оси блока 1, так и аналогичное сканирование диаграммы направленности приемного тракта (оптической оси блока 2 приема отраженного луча). Возможно также электронное сканирование луча блока 1 (фиг. 3) за счет использования размещаемого на его пути отклоняющего элемента 8, обеспечивающего угловую развертку луча. Конкретный способ сканирования и, соответственно, реализации блока 4 не является принципиальным с точки зрения существа предлагаемого метода измерений и определяется исходя из технико-экономических параметров устройства. As shown in FIG. 1 of the implementation of the range finder, block 4 is an angular displacement drive that provides direct angular movement of the laser beam forming unit 1 (changing the angle α while maintaining a constant distance between blocks 1 and 2). To implement the block of mutual displacement of the optical axes, a linear displacement drive 6 can also be used in combination with a moving mirror 7 (see Fig. 2), which provides a change in the basic linear size L with the angular position of the blocks 1 and 2. unchanged. This can be done as indicated above, a change in the position of the optical axis of block 1, and a similar scan of the radiation pattern of the receiving path (optical axis of block 2 of the reception of the reflected beam). It is also possible electronic scanning of the beam of block 1 (Fig. 3) through the use of a deflecting element 8 placed on its path, providing an angular scan of the beam. The specific method of scanning and, accordingly, the implementation of block 4 is not fundamental from the point of view of the essence of the proposed measurement method and is determined based on the technical and economic parameters of the device.

Блок определения дальности 3 содержит (фиг. 4) делитель частоты 9, триггеры 10 и 11, элементы И 12 и 13, элемент ИЛИ 14, счетчик 15, функциональный преобразователь 16 и элемент задержки 17. Электрические связи элементов блока 3 и нумерация его входов видны из фиг. 4. The range determining unit 3 contains (Fig. 4) a frequency divider 9, triggers 10 and 11, elements 12 and 13, an OR element 14, a counter 15, a functional converter 16 and a delay element 17. The electrical connections of the elements of block 3 and the numbering of its inputs are visible from FIG. 4.

Блок управления (фиг. 5) содержит триггер 18, генератор тактовых импульсов 19, счетчик 20 и генератор изменяющегося напряжения 21. Электрические связи видны на фиг. 5. Такая реализация блока уплотнения предназначена для случая электронного сканирования в соответствии с фиг. 3, инициируемого изменяющимся напряжением на выходе генератора 21, подаваемым на вход отклоняющего элемента 8. В случае же механического сканирования (фиг. 1 или 2) посредством взаимного перемещения осей с помощью шаговых электрических приводов, управляемых последовательностью импульсов, в качестве выходного сигнала блока 5 может использоваться непосредственно выход генератора тактовых импульсов 19 (в этом случае генератор изменяющегося напряжения не используется). The control unit (FIG. 5) comprises a trigger 18, a clock generator 19, a counter 20 and a variable voltage generator 21. The electrical connections are visible in FIG. 5. Such an implementation of the sealing unit is intended for the case of electronic scanning in accordance with FIG. 3, initiated by a varying voltage at the output of the generator 21, supplied to the input of the deflecting element 8. In the case of mechanical scanning (Fig. 1 or 2) by means of the mutual movement of the axes using step electric drives controlled by a sequence of pulses, the output signal of block 5 can use directly the output of the clock generator 19 (in this case, the variable voltage generator is not used).

Все элементы, входящие в состав блоков дальномера, являются известными. В качестве блока 1 формирования лазерного луча может быть использован малогабаритный полупроводниковый лазерный диод с соответствующей оптической коллимирующей системой [4] Для реализации блока 2 приема отраженного луча может использоваться любой фотоприемник (например, фотодиод или фотоэлектронный умножитель) [4] с соответствующей оптической системой (объективом) на входе, усилителем и компаратором [5] на выходе, формирующем сигнал логической единицы при превышении оптическим потоком на входе фотоприемника некоторого порогового уровня. Для реализации блока 4 взаимного перемещения оптических осей в соответствии с фиг. 1, 2 могут использоваться любые прецизионные приводы углового или линейного перемещения, в частности, шаговые пьезоэлектрические двигатели [6] управляемые последовательностью электрических импульсов. В случае реализации схемы с электронным сканированием в соответствии с фиг. 3, для реализации блока 4 могут использоваться управляемые электрическим напряжением электрооптические или ультразвуковые отклоняющие устройства [4]
Блоки 3 определения дальности и 5 управления реализуются на стандартной электронной элементной базе [5] Делитель частоты 9, формирующий на своем выходе последовательность импульсов с частотой f/2, где f частота входной последовательности импульсов, может быть реализован, например, на основе счетного триггера [5] Функциональный преобразователь 16 представляет собой реализуемую по известному алгоритму электрическую схему вычислителя, обеспечивающего формирование на выходе цифрового кода по заданной величине входного сигнала при известной функциональной зависимости между ними (см. описание работы дальномера). Указанный преобразователь может представлять собой, например, программируемую логическую матрицу. Генератор 21 может представлять собой, например, генератор линейно изменяющегося напряжения [7] развертка которого инициируется входным импульсом напряжения. Элемент задержки 17 может представлять собой, в частности, одновибратор с фиксированным временем задержки выходного импульса по отношению к входному уровню напряжения.All elements that make up the rangefinder units are known. As a unit 1 for generating a laser beam, a small-sized semiconductor laser diode with a corresponding optical collimating system can be used [4]. For the implementation of a block 2 for receiving a reflected beam, any photodetector (for example, a photodiode or photoelectronic multiplier) [4] with a corresponding optical system (lens) can be used ) at the input, an amplifier and a comparator [5] at the output, forming a signal of a logical unit when the optical stream at the input of the photodetector exceeds a certain threshold level . For the implementation of the unit 4 of mutual displacement of the optical axes in accordance with FIG. 1, 2, any precision angular or linear displacement drives can be used, in particular, piezoelectric stepper motors [6] controlled by a sequence of electrical pulses. In the case of implementing the electronic scanning circuit in accordance with FIG. 3, for the implementation of block 4 can be used controlled by electrical voltage electro-optical or ultrasonic deflecting devices [4]
Ranges 3 and 5 control units are implemented on a standard electronic element base [5] Frequency divider 9, forming at its output a sequence of pulses with a frequency f / 2, where f is the frequency of the input pulse sequence, can be implemented, for example, on the basis of a counting trigger [ 5] Functional converter 16 is a computer circuit implemented by a known algorithm, which ensures the formation of a digital code at the output of a given value of the input signal at a known nktsionalnoy depending therebetween (see. the job description EDM). The specified Converter may be, for example, a programmable logic matrix. Generator 21 may be, for example, a ramp generator [7], the sweep of which is initiated by an input voltage pulse. The delay element 17 may be, in particular, a one-shot with a fixed delay time of the output pulse with respect to the input voltage level.

Лазерный дальномер работает следующим образом. Laser range finder operates as follows.

Поскольку оптические оси блоков формирования лазерного луча и приема отраженного луча устанавливаются в одной плоскости, диаграммы направленности указанных блоков создают в пространстве зону чувствительности с центром в точке пересечения осей. Геометрия системы (диапазон изменения угла a и значение расстояния между блоками 1 и 2 для схем фиг. 1, 3 или диапазон изменения базового размера L и фиксированное значение угла между оптическими осями для схемы фиг. 2) выбирается таким образом, чтобы обеспечить при том или ином варианте взаимного перемещения оптических осей перемещение указанной зоны чувствительности в пределах от минимальной до максимальной дальности измерений. При сканировании диаграммы направленности блока 1 (или 2) зона чувствительности непрерывно или дискретно перемещается в пространстве, при этом при попадании в нее объекта измерений (см. фиг. 1) формируется выходной сигнал блока приема отраженного луча. Таким образом искомая величина расстояния до объекта может быть определена путем соответствующего геометрического расчета по определяемым тем или иным способом в момент попадания объекта в зону чувствительности величинам a или L. Since the optical axes of the blocks for forming the laser beam and receiving the reflected beam are installed in the same plane, the radiation patterns of these blocks create a sensitivity zone in space centered at the intersection of the axes. The geometry of the system (the range of the angle a and the distance between the blocks 1 and 2 for the schemes of Figs. 1, 3 or the range of the base size L and the fixed value of the angle between the optical axes for the scheme of Fig. 2) is chosen so as to ensure that in another variant of the mutual displacement of the optical axes, the displacement of the indicated sensitivity zone in the range from the minimum to the maximum measurement range. When scanning the radiation pattern of block 1 (or 2), the sensitivity zone moves continuously or discretely in space, and when the measurement object hits it (see Fig. 1), the output signal of the reflected beam receiving unit is formed. Thus, the desired value of the distance to the object can be determined by appropriate geometric calculation, determined by one way or another at the moment the object enters the sensitivity zone, the values of a or L.

При реализации блоков 3 и 5 дальномера согласно фиг. 4, 5 функционирование дальномера осуществляется в следующей последовательности. When implementing the blocks 3 and 5 of the range finder according to FIG. 4, 5, the operation of the rangefinder is carried out in the following sequence.

Наводка дальномера на объект измерения осуществляется либо по видимому пятну излучения лазера на его поверхности, либо в случае использования лазера инфракрасного диапазона, с помощью оптического визира (на фиг. 1 не показан), оптическая ось которого совпадает (или установлена параллельно) с оптической осью неподвижного блока приема отраженного луча. Цикл работы устройства начинается с подачи импульса напряжения на первый управляющий вход дальномера (см. временную диаграмму фиг. 6а), в результате которого происходит сброс триггера 11 и обнуление счетчика 15 в блоке 3 определения дальности, а также опрокидывание триггера 10, открывающего элемент И 13 для прохождения импульсов на вход счетчика. Поступающий затем на второй управляющий вход импульс (фиг. 6б) обнуляет счетчик 20 и опрокидывает триггер 18, выходной сигнал которого запускает генератор изменяющегося напряжения 21 (фиг. 6 в) и одновременно инициирует формирование последовательности тактовых импульсов частотой f на выходе генератора 19 (фиг. 6 г). Указанные тактовые импульсы поступают со второго выхода блока 5 на третий вход блока 3 и одновременно на счетный вход счетчика 20, сигнал переполнения которого ограничивает максимальное количество импульсов на выходе генератора 19 (см. фиг. 5, 6г). The range finder is pointed at the measurement object either by the apparent spot of laser radiation on its surface, or in the case of using an infrared laser, using an optical sight (not shown in Fig. 1), the optical axis of which coincides (or is installed in parallel) with the optical axis of the stationary block receiving the reflected beam. The operation cycle of the device begins with the supply of a voltage pulse to the first control input of the range finder (see the timing diagram of Fig. 6a), as a result of which the trigger 11 is reset and the counter 15 is reset in the range determination unit 3, as well as the trigger 10, opening the And 13 element, is tilted for passing pulses to the counter input. Then the pulse arriving at the second control input (Fig. 6b) resets the counter 20 and overturns the trigger 18, the output signal of which triggers the variable voltage generator 21 (Fig. 6 c) and simultaneously initiates the formation of a sequence of clock pulses of frequency f at the output of the generator 19 (Fig. 6b). 6 g). These clock pulses come from the second output of block 5 to the third input of block 3 and simultaneously to the counting input of the counter 20, the overflow signal of which limits the maximum number of pulses at the output of the generator 19 (see Fig. 5, 6d).

Изменение напряжения на выходе генератора 21 (фиг. 6 в) сопровождается соответствующим изменением угла a отклонения луча отклоняющим элементом 8 (фиг. 3), в результате чего и происходит сканирование пространство предметов лучом блока 1 (см. фиг. 1). Одновременно со сканированием происходит подсчет количества тактовых импульсов частотой f, проходящих с третьего входа блока 3 через открытый элемент И 13 и на счетный вход счетчика 15 (фиг. 4). При попадании объекта в зону чувствительности, на входе фотоприемника блока 2 появляется соответствующий оптический сигнал (фиг. 6д), преобразуемый блоком 2 в сигнал постоянного уровня некоторой длительности t₂ (фиг. 6е). Передним фронтом этого сигнала закрывается триггер 10 (фиг. 4), в результате чего блокируется элемент И 13. Одновременно тем же сигналом открывается для прохождения импульсов элемент И 12. Таким образом, с указанного момента на вход счетчика 15 поступает последовательность импульсов с выхода делителя 9 частотой f/2 (фиг. 6ж). По окончании сигнала фотоприемника элемент И 12 закрывается, блокируя тем самым поступление импульсов на вход счетчика 15. Одновременно задним фронтом этого сигнала (фиг. 6е) опрокидывается триггер 11.The change in the voltage at the output of the generator 21 (Fig. 6 c) is accompanied by a corresponding change in the angle of the deflection of the beam by the deflecting element 8 (Fig. 3), as a result of which the space of objects is scanned by the beam of block 1 (see Fig. 1). Simultaneously with the scanning, the number of clock pulses of frequency f passing from the third input of block 3 through the open element And 13 and to the counting input of the counter 15 is counted (Fig. 4). When an object enters the sensitivity zone, the corresponding optical signal appears at the input of the photodetector of block ₂ (Fig. 6e), which is converted by the block 2 into a constant level signal of some duration t ₂ (Fig. 6e). The front edge of this signal closes the trigger 10 (Fig. 4), as a result of which the And 13 element is blocked. At the same time, the And 12 element opens for the passage of pulses. Thus, from the indicated moment, a pulse train is output from the output of the divider 9 frequency f / 2 (Fig. 6g). At the end of the photodetector signal, the element And 12 is closed, thereby blocking the arrival of pulses to the input of the counter 15. At the same time, the trigger 11 is tipped over by the trailing edge of this signal (Fig. 6f).

Таким образом, по окончании оптического сигнала на выходе фотоприемника (выходе объекта из зоны чувствительности) на выходе счетчика устанавливается и сохраняется выходной код N, соответствующий количеству поступивших на его вход за время t₁+t₂ импульсов (фиг. 6е, ж). Функциональный преобразователь 16 преобразует указанный код в соответствующую величину дальности l на его выходе. При этом, после окончания переходных процессов в преобразователе 16, на выходе элемента задержки 17 появляется сигнал разрешения считывания, используемый для записи выходной информации (величины l9 во внешнее запоминающее устройство или регистр блока индикации результата измерения, если последний предусматривается в составе дальномера. Конкретная реализация указанных блоков не принципиальна с точки зрения сущности метода измерения и может быть осуществлена традиционными способами. Информационный выход блока 3, как это видно из фиг. 4, представляет собой выходную шину данных преобразователя 16 совместно с выходом элемента 17.Thus, at the end of the optical signal at the output of the photodetector (output of the object from the sensitivity zone), the output code N is set and stored at the counter output and corresponds to the number of pulses received at its input during t ₁ + t ₂ (Fig. 6f, g). Functional Converter 16 converts the specified code into the corresponding value of the range l at its output. In this case, after the end of the transient processes in the converter 16, a read permission signal appears on the output of the delay element 17, which is used to write the output information (l9 to an external storage device or register of the display unit of the measurement result, if the latter is provided as part of the range finder. Specific implementation of these blocks is not fundamental from the point of view of the essence of the measurement method and can be carried out by traditional methods.Information output block 3, as can be seen from Fig. 4 dstavlyaet an output bus data converter 16 together with the output member 17.

Общее число импульсов, подсчитанных счетчиком 16, оказывается пропорциональным интервалу времени
t t₁ + t₂/2
(см. фиг. 6е) и тем самым, углу a (или, аналогично, линейному размеру L при использовании линейного сканирования) в момент пересечения оптических осей блоков 1 и 2 на объекте измерений. При этом, за счет описанного алгоритма определения центрального положения зоны чувствительности устраняется влияние помех и шумов, искажающих оптический сигнал на входе фотоприемника (фиг. 6д). Кроме того, повышение помехозащищенности дальномера может быть достигнуто за счет модуляции (например, амплитудной) луча блока формирования 1 и селективного приема модулированного излучения блоком приема 2, осуществляемых известным способом [4]
Конкретная зависимость между величиной N и искомым значением дальности, задающая алгоритм функционального преобразователя 16, определяется реализуемым вариантом оптической схемы, ее геометрическими параметрами и характеристиками входящих в состав дальномера элементов. Для описанного выше варианта углового перемещения оптической оси блока 1 с помощью отклоняющего элемента 8, в связи с малостью угла a при l>L имеет (см. фиг. 1):

где w угловая скорость перемещения луча. Указанная формула соответствует отсчету угла от его нулевого положения, при котором оси блоков 1 и 2 параллельны друг другу. При заданных величинах L, f и w, той или иной подсчитанной счетчиком 15 величине N однозначно соответствует значение дальности l, вычисляемое преобразователем 16. В случае же линейного сканирования (фиг. 2) функция преобразования имеет вид

где V линейная скорость перемещения луча (зеркала 7), L максимальный размер базы, соответствующий верхнему диапазону измерения расстояния l. В этом случае началу отсчета соответствует взаимное положение блоков 1 и 2, при котором расстояние между ними максимально.The total number of pulses counted by the counter 16 is proportional to the time interval
tt ₁ + t _2/2
(see Fig. 6e) and, thus, the angle a (or, similarly, the linear size L when using linear scanning) at the moment of intersection of the optical axes of

blocks

1 and 2 at the measurement object. At the same time, due to the described algorithm for determining the central position of the sensitivity zone, the influence of interference and noise distorting the optical signal at the input of the photodetector is eliminated (Fig. 6e). In addition, increasing the noise immunity of the rangefinder can be achieved by modulating (eg, amplitude) the beam of the forming unit 1 and the selective reception of modulated radiation by the receiving unit 2, carried out in a known manner [4]
The specific relationship between the value of N and the desired range value, defining the algorithm of the functional transducer 16, is determined by the implemented version of the optical scheme, its geometric parameters and the characteristics of the elements included in the range finder. For the above-described variant of the angular displacement of the optical axis of block 1 using the deflecting element 8, due to the smallness of the angle a for l> L, it has (see Fig. 1):

where w is the angular velocity of the beam. The specified formula corresponds to the reference angle from its zero position, in which the axes of

blocks

1 and 2 are parallel to each other. For given values of L, f and w, one or another counted by the counter 15, the value of N clearly corresponds to the range value l calculated by the transducer 16. In the case of a linear scan (Fig. 2), the conversion function has the form

where V is the linear velocity of the beam (mirror 7), L is the maximum base size corresponding to the upper range of distance measurement l. In this case, the reference point corresponds to the relative position of

blocks

1 and 2, at which the distance between them is maximum.

Реализуемый предполагаемым дальномером способ измерений характеризуется высокой потенциальной точностью при условии стабильности во времени частоты f и скорости сканирования, не требуя при этом высокочастотной модуляции лазерного луча и сложной электронной обработки результата измерений. Предельная величина методической погрешности измерения при заполнении указанных выше условий определяется предельной случайной погрешностью квантования временного интервала счетными импульсами, которая обратно пропорциональна частоте f следования импульсов [7] Так как интервал времени t₂ (фиг. 6е) заполняется импульсами с частотой следования f/2, максимальная ошибка при квантовании не превышает ± 2 импульса. Соответствующая величина абсолютной погрешности определения дальности Dl может быть определена исходя из этого условия и представленных выше соотношений. Например, для схемы с линейным сканированием при f 10⁶ Гц, L 0,2 м, V 1 м/с, l_max 100 м, имеем Δl 1 мм. При этом время измерений не превышает 0,2 сек.The measurement method implemented by the proposed rangefinder is characterized by high potential accuracy provided that the frequency f and the scanning speed are stable over time, without requiring high-frequency modulation of the laser beam and complex electronic processing of the measurement result. The limiting value of the methodological measurement error when filling the above conditions is determined by the limiting random error of quantization of the time interval by counting pulses, which is inversely proportional to the pulse repetition rate f [7] Since the time interval t ₂ (Fig. 6f) is filled with pulses with a repetition rate f / 2, the maximum error during quantization does not exceed ± 2 pulses. The corresponding value of the absolute error in determining the range Dl can be determined on the basis of this condition and the above relations. For example, for a scheme with linear scanning at f 10 ⁶ Hz, L 0.2 m, V 1 m / s, l _max 100 m, we have Δl 1 mm. Moreover, the measurement time does not exceed 0.2 seconds.

Таким образом, на основе предложенной схемы могут быть реализованы высокочастотные быстродействующие малогабаритные лазерные дальномеры, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционными фазовыми. Точность дальномера в полевых условиях измерений может быть повышена также за счет статистической обработки результатов ряда последовательных измерений и той же величины дальности. Thus, on the basis of the proposed scheme, high-frequency high-speed small-sized laser range finders can be implemented, which have a number of advantages compared to traditional phase ones. The accuracy of the rangefinder in the field of measurement can also be improved by statistical processing of the results of a number of consecutive measurements and the same range.

Claims

A laser range finder comprising a laser beam forming unit and a reflected beam receiving unit, the optical axes of which are mounted in the same plane, and a ranging unit, the first input of which is connected to the output of the reflected beam receiving unit, and the output and second input of the ranging unit are respectively information the output and the first control input of the range finder, characterized in that the laser beam forming unit and the reflected beam receiving unit are mounted with the possibility of mutual angular or linear about the movement of their optical axes in the installation plane, a unit for mutual movement of the optical axes and a control unit, the input of which is the second control input of the range finder, have been introduced, the outputs of the control unit are connected respectively to the input of the unit for mutual movement of the optical axes and the third input of the range determination unit.