SU1152349A1

SU1152349A1 - Range finder

Info

Publication number: SU1152349A1
Application number: SU823530797A
Authority: SU
Inventors: А.М. Андрусенко; В.П. Данильченко; И.В. Лукин; А.В. Прокопов; Г.П. Пушкарев
Original assignee: Предприятие П/Я В-2539
Priority date: 1982-11-24
Filing date: 1982-11-24
Publication date: 1990-11-23

Abstract

ДАЛЬНОМЕР, содержащий двухчастотный источник зовдирукнцего.оптического сигнала, оптически св занный с. ним светоделительный элемент, внешний оптический отражатель,фотоэлектричест кий преобразователь частот опорного и измерительного сигналов,оптически св занный со светоделительным элементом и внешним оптическим отражателем, кварцевый генератор и подключенные к нему умножитель и делитель частоты, систему фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми колебани ми, подкл(очен1гую к источнику зондирующего оптического сигнала , а такле калибровочную короткозамыкающую оптическую задержки, отличающийс тем, что,, с целью повышени точности измереш1 рассто ний, в него введены второй . двухчастотный источник зондиругацего оптического сигнала, оптически св занный со светоделительным элементом и внешним оптическим отражателем, подключенна к нему втора система фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируg емыми им колебани ми, подключенный к ней синтезатор частоты, вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь частот , подключенный между истошшками зондирующих оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки ве )еХЕ&amp; личйны частотного интервала генеО1 Трируемыми колебани м и два детектора с интегрирукщими фильтрами, подключенГчЭ ные между выходами фотоэлектрического СО преобразовател частот опорного и измерительного сигналов и входами фазосо метра.A DALNOMER containing a two-frequency source of an optical signal, optically coupled to. a beam splitting element, an external optical reflector, a photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals optically connected with the beam splitting element and an external optical reflector, a crystal oscillator and a multiplier and a frequency divider connected to it, a phase-locked loop of the magnitude of the frequency interval between the generated oscillations, connection (the source of the probing optical signal to the source, and also the calibration short-circuiting optical delay, which differs By the fact that, in order to increase the accuracy of the distance measurement, a second two-frequency source of the acoustic signal of the optical signal, optically coupled to the beam-splitting element and the external optical reflector, connected to it, the second phase-locked loop of the frequency interval between the oscillations generated by it, was introduced into it. mi, a frequency synthesizer connected to it, the input of which is connected to a frequency divider, a photoelectric frequency converter connected between sounding optical probes signals and their phase-locked loop systems be) eXE & Frequency spacing of geneO1 oscillations and two detectors with integrated filters, connected between the outputs of the photoelectric reference transducer of the reference and measuring signals and the inputs of the phase meter.

Description

Изобретение относитс к дальнометрии и может быть использовано, в частности при проведении метрологических работ, дл высокочастотных геодезических измерений, при юстировке крупногабаритных радиоинтерферометров,The invention relates to ranging and can be used, in particular, when conducting metrological work, for high-frequency geodetic measurements, when adjusting large-sized radio interferometers,

.измерении перемещений земной коры в местах ее естественных разломов и р де других.,Measuring the movements of the earth's crust at its natural fractures and a number of others.,

Известны светодальномеры с (JIOTOэлектрической регистрацией снетоипго потока (фазы),There are known range finders with (JIOTOelectric recording of the non-flux flow (phase),

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату вл етс дальномер, состо щий из двухчастотного лазерного источника зондирунлцег.о оптического сигнала, оптически св занного с ним светоделительного .элемента, внешнего оптического отражател , фотоэлектрического преобразовател частот опорного и из|мегительного сигналов, оптически св |занного со светоделительньш элементом и внещним оптическим отражателем, кварцевого генератора и подключенных к нему умножител и делител частоты, подключенной к источнику зондирующего сигнала системы фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генериру 1ми колебани ми, двух синтезаторов - преобразователей информационных сигналов, подключенных к выходам фотоэлек ричеСкого преобразовател частоты опорного и измерительного сигналов, фазометра, подключенного к выходам синтез аторов-преоб разователей , а также калибровочной ко роткозамыкающей оптической линии задержки .The closest in technical essence and the achieved result is a rangefinder consisting of a dual-frequency laser source of an optical signal of an optical signal, an optically coupled beam-splitting element, an external optical reflector, a photoelectric frequency converter of the reference and of a pulsed signal, optically connected | associated with a beam-splitting element and an external optical reflector, a quartz oscillator and a multiplier and a frequency divider connected to it, connected to a source of probes signal of the phase-locked loop of the frequency interval between generating 1 oscillations, two synthesizers — information signal converters connected to the outputs of the photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals, a phase meter connected to the outputs of the converter converters, and a calibration short-circuiting optical signal delay lines.

Недостатком известного устройства вл етс ограничение предельной точности измерени рассто ний, вызываемое невозможностью уменьщени единицы измерительного масштаба ниже некоторого предельного значени без резкого уменьшени излучаемой лазером мощности оптического сигнала. Действительно , дл увеличени разности между излучаемыми двухчастотнь1м лазером оптическими колебани ми (ДГ) необходимо уменьшить длину его оптического резонатора, что при ДГ 500-600 МГц вызывает резкое снижение излучаемой лазером мощности и, при дальнейшем уменьшении длины резонатора, переход в одночастотньш режим работы, A disadvantage of the known device is the limitation of the limiting accuracy of measuring distances caused by the impossibility of reducing the unit of measurement scale below a certain limit value without abruptly reducing the optical signal power emitted by the laser. Indeed, to increase the difference between the optical oscillations (DG) emitted by a two-frequency laser, it is necessary to reduce the length of its optical resonator, which, with DG 500-600 MHz, causes a sharp decrease in the power emitted by the laser and, with a further decrease in the length of the resonator,

Целью изобретени вл етс повьш1е- ние точности измерени рассто ний, .The aim of the invention is to improve the accuracy of distance measurement,.

Поставленна цель достигаетс тем, что в дальномер, содержащий двухчастотный источник зондирующего оптического сигнала, оптически св занный с ; ним светоделительный элемент, внешний оптический отражатель, фотоэлектрический преобразователь частоты опорного и измерительного сигналов, оптически св занный со светоделительным элементом и внешним отражателем, кварцевый генератор и подключенные к нему умножитель и делитель частоты, системуThe goal is achieved by the fact that a range finder containing a two-frequency source of the probing optical signal is optically coupled to; there is a beam splitting element, an external optical reflector, a photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals optically connected with the beam splitting element and an external reflector, a crystal oscillator and a multiplier and frequency divider connected to it, a system

фазовой автоподстройки неличины частотного интервала между генерируемыми им колебани ми, подключенную к источнику зондирующего оптического сигнала , фазометр, а также калибровочную короткозамыкающую оптическую линию задержки, введены второй двухчасТО1НЫЙ источник зондирующего оптического сигнала, оптически св занный со светоделительным элементом и внещним оптическим отражателем, подключенна к нему втора система фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми им колебани ми, подключенный к ней синтезатор частоты , вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь частот, подключенный между источниками зондиругацих оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми колебани ми, и два детектора с интегрирующими фильтрами, подключенные между выходами фотоэлектрического преобразовател частот опорного и измерительного сигналов- и входами фазометра.Phase-locked loops of the frequency interval between the oscillations generated by it, connected to the source of the probing optical signal, the phase meter, as well as the calibration short-circuiting optical delay line, introduced a second two-hour source of the probing optical signal optically connected to the beam-splitting element and the external optical reflector connected to it a second phase-locked loop system for the magnitude of the frequency interval between the oscillations it generates, the syn A frequency mapper whose input is connected to a frequency divider, a photoelectric frequency converter connected between the sources of acoustic optical signals and their phase-locked loop systems, and two detectors with integrating filters connected between the outputs of the photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals - and phase meter inputs.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.The drawing shows a block diagram of the proposed device.

Оно содержит двухчастотный источник 1 зондирующего оптического сигнала , второй двухчастотный источник 2 зондирующего оптического сигнала, подключенную к источнику зондирующего оптического сигнала систему 3 фазовой автоподстройки величины частот- ного интервала между генерируемыми колебани ми, подключенную к второму источнику 3ондиругацего оптического сигнала систему 4 фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми им колебани ми , фотоэлектрический преобразователь частот 5, подключенный между источ- .никами оптических сигналов и их системами фазовой автоподстройки, фотоэлек-. трический преобразователь 6 частот опорного и измерительного сигналов, оптически св занный со светоделительным элементом 7 и внешним одтическим . отражателем 8, кварцевый генератор 9 и подключенные к нему умножитель 10 и делитель 11 частоты, подключенный к дели1елю частоты синтезатор частот 12, выход которого подключен к системе 4 фазовой автоподстройки величины частотного интервала второго источника зондирующего сигнала, детекторы 13It contains a dual-frequency source 1 of the probing optical signal, a second dual-frequency source 2 of the probing optical signal, connected to a source of the probing optical signal, system 3 phase-locked loops of the frequency interval between generated oscillations, connected to the second source of 3-circular optical signal the interval between the oscillations it generates, a photoelectric frequency converter 5 connected between sources optical signals and their systems phase-locked loop, photoelec-. A tric converter 6 of the frequencies of the reference and measurement signals optically coupled to the beam-splitting element 7 and the external optical signal. a reflector 8, a crystal oscillator 9 and connected to it a multiplier 10 and a frequency divider 11, connected to frequency divide frequency synthesizer 12, the output of which is connected to the system 4 by phase-locked loop of the frequency interval of the second source of the probing signal, the detectors 13

и Kfc интегрируюшчми } шьтрам11, подключенные к выходам фотоэлектрического преобразовател 6 частот опорного и измерительного сигналов, фазометр 15, подключенный к выходам этих де-. текторов с интегрирующими фильтрами, два глухих зеркала 16 и 17, оптически св занные с вторым источником зондирующего сигнала иотражателем 8, o тически св занное с отражателем и фотоэлектрическим преобразователем частоты глухое зеркало 18 и калибровочную короткозамыкаю цую оптическую линию 19 задержки. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Однотипные лазеры и 2 работают в двухчастотном режиме, и каждый излучает колебани , состо щие из двух частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные He-Neлазеры сД ft 0,63 мкм и интервалом ча тот между генерируемыми каждый из лазеров двум колебани ми , 501 МГц и ,5 МГц соответствен но). Каждый лазер имеет электрическую подстройку частоты генерируемых им колебаний за счет установки одного из его зеркал на пьезокерамическо преобразователе. Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала: рабочий через прозрачное зеркало лазера и вспомогательный - через глухое зеркало лазе ра. При этом интенсивность вспомогательного сигнала составл ет лишь око ло одного процента от интенсивности рабочего сигнала. Вспомогательные сигналы обоих лазеров поступают на ф тоэлектрический преобразователь 5 частот и используютс дл автоподстройки величины частотных интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двум колебани ми, Фотоэлектриче кий преобразователь 5 частот предстаand Kfc integrated shihram11 connected to the outputs of the photoelectric converter 6 frequencies of the reference and measuring signals, the phase meter 15 connected to the outputs of these de-. two integrating mirrors 16 and 17, optically coupled to a second source of probing signal and reflector 8, optically associated with a reflector and a photoelectric frequency converter, a deaf mirror 18 and a calibration short delay optical fiber 19. The proposed device works as follows. Lasers of the same type and 2 operate in a two-frequency mode, and each emits oscillations consisting of two frequencies in the optical wavelength range (for example, two-frequency He-Ne lasers with D ft 0.63 µm and a frequency interval between the two oscillations generated by each of the lasers MHz and 5 MHz, respectively). Each laser has an electrical adjustment of the frequency of the oscillations generated by it by installing one of its mirrors on a piezoceramic transducer. Each of the lasers emits two optical signals: the worker through the transparent mirror of the laser and the auxiliary signal through the deaf mirror of the laser. In this case, the intensity of the auxiliary signal is only about one percent of the intensity of the working signal. Auxiliary signals of both lasers are fed to a photoelectric frequency converter of 5 frequencies and are used to auto-adjust the magnitude of the frequency intervals between the two oscillations generated by each of the lasers.

л ет собой два отдельных фотоэлектронных умножител (ФЭУ), помещенных в коаксиальный резонатор, возбуждаемый электрическим гетеродинным сигналом и создающий переменное электрическое поле в прикатодной области расположенных в нем ФЭУ, Гетеродинный сигнал поступает от умножител частоты 10, который умножает частоту опорного кварцевого генерато- ее ра 9 (например, частота опорного кварцевого генератора 5 МГц, частота гетеродинного сигнала 500МГц), В фотоэлектрическом преобразователе частоты осуществл етс двойное преобразование частоты: на фотокатодах ФЭУ выдел етс электрический сигнал с частотой , равной разности частот излучаемых двухчастотным лазером оптических колебаний, и затем за счетпреобразовани частоты в прикатодной области образуетс электрический сигнал сIt contains two separate photomultipliers (PMTs) placed in a coaxial resonator, excited by an electric heterodyne signal and creates an alternating electric field in the cathode region of the PMT located in it, and the heterodyne signal comes from frequency multiplier 10, which multiplies the frequency of the reference quartz oscillator. 9 (for example, the frequency of the reference crystal oscillator is 5 MHz, the frequency of the local oscillator signal is 500 MHz). In the photoelectric frequency converter, a double conversion is carried out Ota: photocathodes on PMT is recovered electrical signal with a frequency equal to the frequency difference between the emitted optical two-frequency laser oscillation, and then for schetpreobrazovani frequency in the cathode region is formed with an electrical signal

измерительного сигналов, а зондирун ций сигнал направл етс на внешний оптический отражатель 8, расположенный на удаленном конце измер емого рассто ни . Рабочий сигнал (луч) лазера the measurement signal, while the probe signal is directed to an external optical reflector 8 located at the remote end of the measured distance. The working signal (beam) of the laser

0 2 при помощи зеркал 16 и 17 направл етс п-араллельно рабочему сигналу лазера 1 и также поступает на светоделительный элемент 7, который делит его разностной частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждени коаксиального резонатора , (XciK, в нашем примере при величине интервала частот лазера 1 uf. 500,501 МГц, и интервала частот лазера 2 ,5 МГц на выходах ФЭУ фотоэлектрического преобразовател 5 частот по вл ютс электрические сигналы с частотами 501 и 500 кГц соответственно ). Эти сигналы поступают на фазовые детекторы отдельных систем автоподстройки величин частотных интервалов этих лазеров и сравгшваютс по фазе с сигналами той же частоты, поступающими от делител частоты 11 дл авто под стройки, лазера 1 и поступающими от синтезатора частот 12 дл автоподстройки лазера 2, Получаемые на фазовых детекторах сигналы рассогласовани усиливаютс и подаютс на пьезокерамические преобразователи соответствующих лазеров , которые измен ют длину их оптических резонаторов и, таким образом, поддерживают номинальные значени интервалов частот между ,генерируемыми оптическиьш колебани ми. Рабочий сигнал (луч) лазера поступает на светоделительный элемент (полупрозрачное зеркало), который делит его на опорный и зондирующий сигналы. Опорный сигнал поступает непосредственно на фотоэлектрический преобразователь 6 частот опорного и опорный и зондирунщий си1налы. Опорный сигнал вместе с опорным сигналом от лазера 1 поступает непосредственно на фотоэлектрический преобразователь б, а зондиру сщий сигнал направл етс на внешний оптический отражатель 8, По пути к внешнему оптическому отражателю 8, расположенному на удаленном конце измер емого рассто ни , зовдирующие сигналы лазера 1 и лазера 2 образуют общий зондирующий сигнал, который после отражени возвращаетс и зеркалом 18 направл етс на второй отдельный вход этого же фотоэлектрического преобразовател частот. Фотоэлектрический преобразователь 6 частот устроен аналогично фотоэлектрическому преобразователю 5, и их коаксиальные резонаторы возбуждают с от общего умножител 10, В фотоэлектрическом преобразователе 6 частот также производитс двойное преобразование частоты. Так как на фотокатоды ФЭУ сигналы от лазера 1 и от лазера 2 поступают несогласованными по плоскости оптических колебаний то преобразование частоты излучени каждого лазера на фотокатоде происходит независимо друг от друга. Поэтому на фотокатоде каждого ФЭУ выдел етс два электрических сигнала с 4acf тотами, равными разности частот излучаемых двухчастотными лазерами 1 и 2 оптических колебаний (в нашем гфиме- ре частоты этих электрических сигналов будут , 501 МГц и ufj, 499,5 МГц), Затем за счет преобразовани частот в прикатодной области каждого ФЭУ образуютс электрические; , сигналы с разностными частотами между частотами выделенных на фотокатодах электрических сигналов и частотой возбуждени коаксиального резонатора сигналом гетеродинной частоты. Образующиес в результате преобразовав НИН частоты электрические сигналы с суммарной частотой и сигналы с частотой вьщеленн з1х на фотокатодах разностных частот лежат вне полосы пропускаемых ФЭУ частот и на его выход не проход т, (в нашем примере на выходе каждого ФЭУ будут присутствовать сигналы с частотами 501 и 500 кГц), Эти сигналы отдельно дл каждого ФЭУ0 2 with the help of mirrors 16 and 17 is directed to the p-parallel operating signal of laser 1 and also goes to the beam-splitting element 7, which divides it by the difference frequency between the frequency of the selected electrical signal and the excitation frequency of the coaxial resonator, (XciK, in our example, when the value of the interval laser frequencies of 1 uf. 500.501 MHz, and the frequency range of the laser 2.5 MHz at the outputs of the photomultiplier of the photoelectric converter 5 frequencies appear electrical signals with frequencies of 501 and 500 kHz, respectively). These signals are sent to the phase detectors of individual systems for automatic tuning of the frequency intervals of these lasers and are phase matched with signals of the same frequency coming from frequency divider 11 for auto tuning, laser 1 and coming from frequency synthesizer 12 for auto-tuning of laser 2, received on phase the detectors, the mismatch signals are amplified and fed to the piezoceramic transducers of the respective lasers, which change the length of their optical resonators and, thus, maintain the nominal the values of the frequency intervals between the generated optical oscillations. The working signal (beam) of the laser enters the beam-splitting element (translucent mirror), which divides it into reference and probe signals. The reference signal is fed directly to the photoelectric converter 6 frequencies of the reference and reference and probe signals. The reference signal, together with the reference signal from laser 1, goes directly to the photoelectric converter b, and the probe signal is sent to an external optical reflector 8, On the way to an external optical reflector 8 located at the remote end of the measured distance, triggering the signals of laser 1 and laser 2 forms a common probe signal, which after reflection is returned and is directed by mirror 18 to the second separate input of the same photoelectric frequency converter. A photoelectric frequency converter 6 is arranged similarly to a photoelectric converter 5, and their coaxial resonators are driven from a common multiplier 10. In the photoelectric frequency converter 6, a double frequency conversion is also performed. Since the photocathodes of the PMT signals from laser 1 and laser 2 are mismatched in the plane of optical oscillations, the frequency conversion of the radiation of each laser on the photocathode occurs independently of each other. Therefore, on the photocathode of each photomultiplier, there are two electric signals with 4acf tota equal to the frequency difference emitted by two-frequency lasers 1 and 2 optical oscillations (in our figure, the frequencies of these electric signals will be 501 MHz and ufj, 499.5 MHz), then the frequency conversion account in the near-cathode region of each PM is electric; , signals with difference frequencies between the frequencies of the electrical signals allocated on the photocathodes and the excitation frequency of the coaxial resonator by the signal of the heterodyne frequency. The electrical signals with a total frequency resulting from NIN frequencies that are transformed into NIN and signals with a frequency higher than 3x on photocathodes of difference frequencies lie outside the band of frequencies transmitted by the photomultiplier and do not pass to its output, (in our example, the output of each PMT 500 kHz), These signals are separately for each PM

поступают и суммируютс на детекторах 13 и 14 с интегрирующими фильтрами соответственно . Посто нна времени этих фильтров значительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода биений между этимичастотами (в нашем примере 1/500 кГцбarrive and sum up on detectors 13 and 14 with integrating filters, respectively. The time constant of these filters is much longer than the period of two oscillations arriving at them with a higher frequency and significantly less than the beat period between these frequencies (in our example, 1/500 kHz).

;)/1 кГц), В результате этого на выходе каждого фильтра выдел етс сигнал с частотой биени (в нашем примере с частотой 1 кГц), Фазы калсдого из электрических сигналов (501 и;) / 1 kHz) As a result, the output of each filter is a signal with a beat frequency (in our example, with a frequency of 1 kHz), the phase of the signal from the electrical signals (501 and

500 кГц), выдел ющихс на выходе ФЭУ измерительного канала, несут информацию о величине измер емого рассто ни , причем фазы, этих электрических сигналов имеют противоположные знаки. Фаза электрического сигнала, снимае-, мого с выхода детектора 14 с интегри-pyюш м фильтром (в нашем примере 1 кГц), также несет информацию о величине измер емого рассто ни , Однако ввиду того, что этот электрический сигнал получен суммированием электрических сигналов, имеющих разные знаки фазовой зависимости от величины измер емого рассто ни р фазовый сдвиг этого сигнала будет равен сумме фазовых сдвигов этих сигналов. Измерение фазы этого сигнала производитс фазометром 15 по отношению к фазе сигнала, снимаемого с выхода детектора 13 с ин40 45 50 рирующим фльтром. Измер емое рас ние определ етс из выражени - -2ШГ-Щ с - скорость света; ДГ, - разность частот излучаемых первым лазером оптических колебаний; - разность частот излучаемых вторым лазером оптических колебаний; И - чиЬло уложенных целых периодов; U - дробна часть периода; Р - приборна поправка.500 kHz), separated at the output of the PMT of the measuring channel, carry information about the size of the measured distance, and the phases, of these electrical signals have opposite signs. The phase of the electrical signal taken from the output of the detector 14 with an integrated filter (1 kHz in our example) also carries information about the size of the measured distance, however, since this electrical signal is obtained by summing the electrical signals having different signs of the phase dependence of the measured distance p, the phase shift of this signal will be equal to the sum of the phase shifts of these signals. The phase measurement of this signal is made by a phase meter 15 with respect to the phase of the signal taken from the output of the detector 13 with an inlet 45 45 50. The measured distance is determined from the expression - -2ШГ-Щ с - the speed of light; DG, is the difference of the frequencies of the optical oscillations emitted by the first laser; - the difference between the frequencies of the optical oscillations emitted by the second laser; And - chilo laid whole periods; U - fractional part of the period; R - instrument amendment.

воin

feVfeV

II

SidSid

Claims

RANGE, containing a two-frequency source of a probing, optical signal, optically coupled to. a beam splitting element, an external optical reflector, a photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals, optically coupled to a beam splitting element and an external optical reflector, a crystal oscillator and a multiplier and a frequency divider connected to it, a phase-locked loop of the frequency interval between the generated oscillations connected to the source of the probing optical signal, as well as a calibration short-circuit optical delay line, which differs that, in order to improve the accuracy of measuring distances, a second two-frequency source of the probing optical signal is introduced into it, optically coupled to a beam splitter element and an external optical reflector, a second phase-locked loop system of the frequency interval between the oscillations generated by it is connected to it, connected to it a frequency synthesizer, the input of which is connected to a frequency divider, a photoelectric frequency converter connected between the sources of the probing optical signals their phase-locked systems magnitude of the frequency interval between geneschriruemymi fluctuations! and two detectors with integrating filters connected between the outputs of the photoelectric frequency converter of the reference and measuring signals and the inputs of the phase meter.

SU „, 1152349