RU2720268C1 - Лазерный дальномер - Google Patents
Лазерный дальномер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2720268C1 RU2720268C1 RU2019134389A RU2019134389A RU2720268C1 RU 2720268 C1 RU2720268 C1 RU 2720268C1 RU 2019134389 A RU2019134389 A RU 2019134389A RU 2019134389 A RU2019134389 A RU 2019134389A RU 2720268 C1 RU2720268 C1 RU 2720268C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- laser
- signal
- radiation
- delay line
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
- G01C3/02—Details
- G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
- G01C3/08—Use of electric radiation detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, для измерения расстояния до различных предметов. В лазерный дальномер входит задающий генератор с устройством синхронизации, который формирует непрерывную серию псевдослучайных последовательностей в виде электрических импульсов, поступающих на лазерный источник излучения, после которого светоделительный куб формирует опорный и рабочий оптические сигналы, где рабочий сигнал распространяется по передающему каналу через оптический разветвитель, оптоволокно и волоконно-оптический коллиматор, достигает исследуемого объекта и возвращается обратно через оптический разветвитель в приемный канал, состоящий из одного приемника излучения, в то время как опорный сигнал проходит через оптическую линию задержки, второй приемник излучения, цифровую линию задержки, поступает вместе с сигналом приемного канала на блок корреляционной обработки данных, после которого вычисляется текущее расстояние до исследуемого объекта. Технический результат: сохранение динамического диапазона лазерного дальномера с повышением точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Оптические устройства для измерения расстояния как таковые известны уже давно и в большом количестве находятся в обращении. Эти устройства посылают модулированное оптическое излучение, поток которого направлен на поверхность нужного целевого объекта, расстояние которого от устройства необходимо определить. Возвращающаяся от целевого объекта, часть отраженного или рассеянного целевым объектом излучения, обнаруживается устройством и используется для определения искомого расстояния.
Диапазон измерений подобных устройств обычно находится в пределах от нескольких метров до нескольких километров.
Известны лазерные дальномеры времяпролетного типа, в которых расстояние до объекта определяется по времени запаздывания отраженного от объекта импульса оптического сигнала [1]. Недостатком таких дальномеров является то, что разрешающая способность ограничивается длительностью импульса, тем самым влияя на точность измерения расстояния. Для импульсов, длительность которых лежит в наносекундном диапазоне, погрешность измерения расстояния составляет десятки сантиметров.
Известны лазерные дальномеры, измеряющие расстояние до объекта по изменению фазы непрерывного радиочастотного сигнала, которым модулируется по интенсивности поток оптического излучения при прохождении им двойного измеряемого расстояния [2, 3]. Они характеризуются сложностью схемной реализации, которая увеличивается при повышении требований к точности измерений.
Известны также лазерные дальномеры, в которых расстояние до объекта определяется по изменению частоты отраженного частотно-модулированного сигнала [4, 5]. Основной недостаток таких дальномеров заключается в том, что интервал частоты модуляции ограничен, что в свою очередь ограничивает дальность измерений до объекта.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является оптическое устройство для определения расстояния до объекта [7]. Оптическое устройство включает в себя:
• источник излучения модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом
• генератора создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом
• генератора тактового сигнала,
• оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме, выход которого соединен с входом
• мультиплексора, выход которого соединен с первым входом
• первого блока накопления сигнала, выход которого соединен с первым входом
• модуля вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого
сигналов, выход которого соединен с первым входом
• второго блока накопления сигнала, выход которого соединен с входом
• демультиплексора, выход которого соединен с входом
• модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом
• модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, включающего
• модуль вычисления временной задержки отраженного сигнала,
• блока подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом
• блока выборки и обработки зондирующих сигналов
Недостатком указанного дальномера, принятого за прототип, является то, что в вычислительном модуле взаимно-корреляционной функции происходит обработка не идентичных сигналов, так как принятый сигнал является оптическим сигналом, который приобретает дополнительное фазовое дрожание из-за того, что он получается в результате преобразования опорного электрического сигнала в лазерном источнике, в оптических и оптико-электронных элементах устройства, а опорный сигнал сразу подводится к вычислительному модулю взаимно-корреляционной функции в виде электрического сигнала. В результате чего возникает дополнительная погрешность измерения максимума взаимно-корреляционной функции.
Техническим результатом заявляемого устройства является сохранение динамического диапазона лазерного дальномера с повышением точности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что, в отличие от прототипа, опорный сигнал образуется путем разделения лазерного излучения светоделительным кубом, и при регистрации корреляционного максимума задающий генератор перестраивается на следующую более длинную зондирующую последовательность. Детектирование рабочего и опорного сигналов происходит идентичными приемниками излучения, после чего электрические сигналы подаются в корреляционный блок обработки данных.
Источник излучения лазерного дальномера генерирует зондирующее излучение в виде псевдослучайной последовательности лазерных импульсов. Данный метод измерения расстояния объединяет принцип работы фазового и импульсного дальномера. Псевдослучайную последовательность импульсов можно представить в виде двоичного кода. Для генерации псевдослучайной последовательности можно использовать сдвиговый регистр с линейной обратной связью, в котором период последовательности определяется количеством бит в регистре (часто используемые: 211 - 1, 215 - 1, 223 - 1, 231 - 1). Главное свойство псевдослучайной последовательности заключается в том, что ее автокорреляционная функция, измеренная за конечный интервал времени, представляет собой узкий треугольник. Высоту этого треугольника можно вычислить по следующей формуле:
где τ0 - длительность импульсов;
σ2 - дисперсия последовательности;
N - длина последовательности.
Используя непрерывные, следующие друг за другом, лазерные псевдослучайные последовательности, можно избавиться от квазислучайного шума, который возникает вне треугольной автокорреляционной функции. К полезным качествам данной системы следует отнести простоту передачи информации о ней, например, при удаленности выхода системы от входа. Ведь для точного ее восстановления нет необходимости передавать саму последовательность: нужно сообщить длительность единицы, длину регистра и номера отводов обратной связи.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображен заявляемый лазерный дальномер.
Согласно фиг. 1 лазерный дальномер содержит: задающий генератор с устройством синхронизации 1; лазерный источник излучения 2; светоделительный куб 3; оптический разветвитель 4; оптоволокно 5; волоконный коллиматор 6; два приемника излучения 8, 10; оптическую и цифровую линии задержки 9, 11; корреляционное устройство 12 реального времени; монитор 13, для вывода информации.
Лазерный дальномер работает следующим образом. Задающий генератор 1 формирует непрерывную серию псевдослучайных последовательностей в виде электрических импульсов, далее передает сигнал источнику лазерного излучения 2, который генерирует соответствующую псевдослучайную последовательность оптических импульсов. Светоделительный куб 3, на который поступает излучение лазерного источника, делит это излучение на рабочий и опорный сигналы. Рабочий сигнал распространяется по передающему каналу, состоящему из оптического разветвителя 4, оптоволокна 5 и волоконного коллиматора 6. Выходящее излучение достигает исследуемый объект 7, отражается и возвращается в приемный канал, затрачивая время, определяемое значением скорости света и измеряемым расстоянием. Рабочий и опорный сигналы регистрируется приемниками излучения 8 и 10 соответственно. С помощью оптической 9 и цифровой 11 линий задержки, входящих в состав устройства, опорный сигнал смещается во времени таким образом, чтобы получить максимальное значение корреляционной функции двух сигналов, посчитанное корреляционным устройством реального времени 12. Результат вычислений отображается на мониторе 13. Данное временное смещение и будет временем пролета излучения до объекта и обратно. Измеряемое значение длины получается перемножением этого времени и скорости света.
Для оценки точности измерений была сгенерирована модель данного лазерного дальномера с учетом наиболее важных флуктуирующих параметров и посчитано среднеквадратическое отклонение корреляционной функции. Если при длительности импульса в 100 пс время отклика системы не превышает 10 пс, интервал фазового шума не превышает в 10 пс и отношения сигнал/шум равен 1, то относительная погрешность измерения временного смещения при дальности в 3 км составляет 3 пс, что соответствует ошибке примерно в 0,9 мм.
Источники информации:
1. Патент РФ №2140622, кл. G01C 3/08, 1999 г.
2. Патент США №6483595, НКИ 356/607, 2002 г.
3. Патент США №7023531, НКИ 356/5.01, 2006 г.
4. Патент США №6147638, НКИ 342/109, 2000 г.
5. Патент США №7139446, НКИ 385/12, 2006 г.
6. Патент США №7023531, кл. G01C 3/08, 2006 г.
7. Патент РФ №2653558, кл. G01S 17/08, 2017 г. (прототип).
Claims (3)
1. Лазерный дальномер, включает в себя задающий генератор с устройством синхронизации, соединенный с входом источника лазерного излучения, передающий и приемный каналы, блок корреляционной обработки данных, соединенный с монитором, отличающийся тем, что светоделительный куб формирует поступающие на объект исследования рабочий и опорный оптические сигналы, рабочий сигнал проходит по передающему каналу, выполненному в виде расположенных последовательно и оптически связанных оптического разветвителя, оптоволокна, волоконно-оптического коллиматора, а опорный сигнал, через оптическую линию задержки связан с первым приемником излучения, далее через цифровую линию задержки сигнала соединен с блоком корреляционной обработки данных, при этом рабочий сигнал после отражения от объекта исследования возвращается через оптический разветвитель в приемный канал, включающий в себя второй идентичный приемник излучения, соединенный с устройством синхронизации и с блоком корреляционной обработки данных, с помощью которого определяется максимум взаимно-корреляционной функции, результат выводится на экран.
2. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что с целью минимизации ошибки определения расстояния до объекта в ходе работы используется генератор с перестраиваемым периодом зондирующей последовательности (на 211 - 1,215 - 1,223 - 1,231 - 1).
3. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что с целью разделения сигнала, уменьшения габаритов устройства и снижения влияния фоновых засветок оптическая система для передачи излучения внутри устройства состоит из отрезков оптических волокон, снабженных входными и выходными коллиматорами.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019134389A RU2720268C1 (ru) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | Лазерный дальномер |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019134389A RU2720268C1 (ru) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | Лазерный дальномер |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2720268C1 true RU2720268C1 (ru) | 2020-04-28 |
Family
ID=70553028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019134389A RU2720268C1 (ru) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | Лазерный дальномер |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2720268C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030048430A1 (en) * | 2000-01-26 | 2003-03-13 | John Morcom | Optical distance measurement |
RU2288449C2 (ru) * | 2004-06-28 | 2006-11-27 | Новосибирский Государственный технический университет (НГТУ) | Лазерный импульсный дальномер |
CN102411141A (zh) * | 2011-08-11 | 2012-04-11 | 太原理工大学 | 一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置 |
RU2451905C2 (ru) * | 2005-11-28 | 2012-05-27 | Роберт Бош Компани Лимитед | Оптическое устройство для измерения коротких расстояний |
-
2019
- 2019-10-28 RU RU2019134389A patent/RU2720268C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030048430A1 (en) * | 2000-01-26 | 2003-03-13 | John Morcom | Optical distance measurement |
RU2288449C2 (ru) * | 2004-06-28 | 2006-11-27 | Новосибирский Государственный технический университет (НГТУ) | Лазерный импульсный дальномер |
RU2451905C2 (ru) * | 2005-11-28 | 2012-05-27 | Роберт Бош Компани Лимитед | Оптическое устройство для измерения коротких расстояний |
CN102411141A (zh) * | 2011-08-11 | 2012-04-11 | 太原理工大学 | 一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5138854B2 (ja) | 光学距離測定 | |
US9287972B2 (en) | Distributed optical fiber sound wave detection device | |
JP3839851B2 (ja) | 電子距離測定器具 | |
US7342651B1 (en) | Time modulated doublet coherent laser radar | |
JP5683782B2 (ja) | 距離測定装置及び距離測定方法 | |
CN103616696A (zh) | 一种激光成像雷达装置及其测距的方法 | |
JP4464416B2 (ja) | 光波測距方式及び測距装置 | |
JPH10246783A (ja) | 光伝達時間を用いた光センサ | |
JP2010151618A5 (ru) | ||
US9041918B2 (en) | Measuring apparatus and referencing method for a digital laser distance meter, and laser distance meter | |
CA3048330A1 (en) | Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system | |
CN102073051A (zh) | 激光多脉冲扩时测距装置 | |
CN110174664A (zh) | 激光雷达系统和激光雷达回波信号的确定方法 | |
CN115407351A (zh) | 干涉时间光检测和测距系统及确定对象距离的方法与设备 | |
Hanto et al. | Time of flight lidar employing dual-modulation frequencies switching for optimizing unambiguous range extension and high resolution | |
CN105223578A (zh) | 一种双波长脉冲混频相位式激光测距仪 | |
RU167276U1 (ru) | Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности | |
RU2720268C1 (ru) | Лазерный дальномер | |
TUDOR et al. | LiDAR sensors used for improving safety of electronic-controlled vehicles | |
JPS642903B2 (ru) | ||
CN109507684A (zh) | 基于类噪声脉冲的高空间分辨率探测系统及探测方法 | |
RU173991U1 (ru) | Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности | |
EP4386371A2 (en) | Optical fiber distribution measurement system and signal processing method for optical fiber distribution measurement | |
RU2695058C1 (ru) | Многоканальное волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с одним приёмным модулем регистрации | |
CN212675175U (zh) | 一种激光相干测速系统 |