SU1218296A1 - Фазовый светодальномер - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области измерени  рассто ний с помощью источников света и используетс  в устройстве дл  точного измерени  рассто ни  до объектов в геодезии, топографии , маркшейдерском деле и позвол ет повысить точность измерений за счет исключени  фазовой погрешности на высоких уровн х отраженного сигнала. Дл  этого устройство снабжено блоком управлени  1, и vчaтeлeм 3, внешним электродом 6, фильтрами низких частот 14, 25, усилител ми 9, 15,26.1. Сигнал с генератора 18 через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение фиксируетс  световодом 4 в ту же точку катода фотоэлектронного умножител  (ФЭУ), что и сигнал, пришедший с дистанции. Сигнал с выхода ФЭУ вьщел етс  фильтром 22 и поступает на первый вход фазового дискриминатора 23, а на второй его вход - прошедший фильтр низких частот 25 и усилитель 26 сигнал с выхода смесител  24, на вход которого поступают напр жени  второго и третьего генераторов. Разностные частоты выбираютс  низкими, благодар  чему изменени  фазы в описанных элементах малы. Дл  их минимизации в фазовый дискриминатор 23 входит фазовый корректор, внос щий посто нньй фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства. 1 ил. (Л ю 00 IVD со Од

Description

Изобретение относитс  к измерению рассто ний с помощью источников света и может быть использовано дл  точного измерени  рассто ни  до объекто в геодезии, топографии, маркшейдерском деле.

LIe. изобретени  - повышение точности измерений за счет исключени  фазовой погрешности на высоких уровн х отраженного сигнала.

На чертеже представлена схема фазового светодальномера.

Устройство содержит блок 1-управлени , первый генератор 2, выход которого св зан с излучателем 3 (напри мер светодиодом). Оптическое излучение последнего после прохождени  по трассе и отражение от объекта поступает через оптическую приемную систему на конический световод 4, меньшее сечение которого находитс  в контакте с торцовой поверхностью фотоэлектронного умножител  5. На торцовой поверхности ФЭУ размещен внешний электрод,6, подключенньй к выходу второго генератора 7. Выход блока питани  ФЭУ 8 св зан с входом питани  ФЭУ, выход которого соединен с входом первого усилител  9, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра 10. Выход фильтра через фазовращатель 11.соединен с первым входом первого фазового дискриминатора 12, к второму входу которого подключен выход соединенных последовательно первого смесител  13 первогофильтра низких частот 14 и второго усилител  15. Выход фазового дискриминатора 12 подключен к первому входу переключател  16, выход которого соединен с входом регистратора 17. Выход второго генератора 7 подключен к второму входу смесител  13. Выход третьего генератора 18 соединен через управл емый аттенюатор 19 с дополнительным излучателем 20, оптически св занным со световодом 4. Управл ющий вход аттенюатора 19 соединен через выпр митель 21 с выходом первого полосового фильтра 10. Выход первого усилител  9 соединен с вторым фильтром 22, подключенным к первому входу , второго фазового дискриминатора 23, выход которого соединен с вторым входом переключател  16.

Второй вход второго фазового дискриминатора 23 подключен к выходу

0

5

каскадно включенных второго смесител  24, второго фильтра 25 низких частот и третьего усилител  26. Пер- вьй вход смесител  24 св зан с выходом второго генератора 7, а.второй вход - с выходом третьего генератора 18. Вход масштабного усилител  27 подключен к выходу второго фазового дискриминатора 23, выход - к фазовращателю 11, а управл ющий вход - к первому выходу блока управлени , второй выход которого подключен к управл ющему входу переключател  16.

Устройство работает следующим образом.

Ток первого генератора 2 поступает на излучающий диод 3. Оптическа  система (не показана) направл ет оптическое модулированное с частотой генератора 2 излучение на объект, рассто ние до которого необходимо измерить. Отраженна  от объекта вол- на фокусируетс  коническим световодом 4 на определенную фиксированную площадку фотокатода ФЭУ, благодар  чему исключаетс  зависимость фазы выходного сигнала ФЭУ от угла прихода волны. Необходимое дл  нормаль- Q-ной paбotы ФЭУ напр жение питани  подаетс  с выхода блока питани  8. Напр жение генератора 7, поступающее на внешний электрод 6,- расположенный на торцовой поверхности ФЭУ, создает высокочастотное электрическое поле с частотой f-j. f, где частота генератора 1 ., ,

Вследствие нелинейного взаимодействи  фотоэлектронного потока и электрического пол , созданного .в прикатодной области напр жением, приложенным к внешнему электроду относительно катода, создаютс  услови  дл  смешени  указанных частот.

На выходе ФЭУ после усилени  линейным усилителем 9 на выходе фильтра 10 вьщел етс  разностна  частота f (г -{,

5

0

5

Указанный сигнал поступает через фазовращатель 11 на первьй вход фазового дискриминатора 12, на второй вход которого подаетс  сигнал, полученный путем Смешени  в первом смесителе 13 напр жений первого 2 и второго 7 генераторов с последующим усиением и селекцией сигнала с частотой f - f (блоки 14 и 15). Таким образом, на входа х фазового дискриминатора 12 частоты сигналов равны, а фазы сдвинуты на некоторый угол, завис щий от рассто ни  до- объекта.

Напр жение с выхода фазового дискриминатора 12, пропорциональное указанному фазовому углу, поступает через переключатель 16, открытый по первому входу в блок регистрации 17. Это напр жение оказываетс  пропорциональным рассто нию до объекта, так как приращение фазы принимаемого сигнала пропорционально времени распространени  излученной волны до объекта и обратно.

Однако, фазова  характеристика реальных фотоприемников, вход щих в состав дальномеров, зависит от уровн  принимаемого сигнала. В фотоэлектронном умножителе 5 она обусловлена зависимостью времени пролета электронного потока через диодную систему от плотности объемного зар да при высоких уровн х засветки катода.

Экспериментально полученные зависимости фазы от уровн  тока ФЭУ показывают , что фаза не зависит от уровн  тока в диодной системе на .малых и средних токах и монотонно растет с увеличением уровн  тока. Причем, скорость возрастани   вл етс  функцией частоты сигнала. Рассмотренное  вление  вл етс  источником дополнительных фазовых погрешностей , снижающих точность измерени  рассто ний.

. Дл  минимизации указанной погрешности в устройстве введены элементы , компенсирующие эту погрешность.

Сигнал с третьего генератора 18 с частотой f - f через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение которого фоку- сируетс  коническим световодом 4 в ту же точку катода ФЭУ, что и сигнал , пришедший с дистанции.

Сигнал с частотой биений f|f 3 - fj на выходе ФЭУ выдел етс  вторым фильтром 22. Частота третьего генератора 18 выбираетс  таким образом, чтобы частота калибровки f J превьш1ала частоту биений первого и второго генераторов (частоту измерений), f f , например при следующем соотношении частот fj (1,5 - 2,0) f . Сигнал с частотой fJ поступает на первый вход второго фазового дискриминатора 23, идентичного первому (12). На второй

18296

вход второго дискриминатора 23 подаетс  прошедший фильтр низких частот 25 и усиленный усилителем 26 сигнал с выхода второго смесител  24, на. 5 вход которого поступают напр жени 

второго и третьего генераторов. Частота сигнала на втором входе f fJ - f fJ равна частоте сигнала на первом входе. Разностные час10 тоты f и ff выбираютс  достаточно низкими, пор дка единиц дес тков килогерц, благодар  чему изменени  фазы в описанных элементах устройства оказываютс  достаточно малыми.

15 Дл  их минимизации в состав фазового дискриминатора 23 может входить фазовьй корректор, внос щий посто нный фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства.

20 В св зи с очевидностью этого решени  фазовый корректор на схеме не показан.

Уровень засветки катода ФЭУ свето- диодом 20 измен етс  с помощью атте-

25 нюатора 19, управл емого выпр мленным блоком 21 напр жением первой разностной частоты измерений f. Регулирующа  характеристика аттенюатора 19 такова, что при увеличении

2Q амплитуды измерительного сигнала - с выхода фильтра 10 коэффициент передачи аттенюатора увеличиваетс . Цепь автоподстройки интенсивности излуче- . ни  светодиода 20 позвол ет поддерживать примерное посто нство отношени 

А iJ I f

const

где

А - посто нный коэффициент;

I f,.lf| - значени  освещенности катода ФЭУ световыми потоками с частотами fj и fJ соответственно .

Передаточна  характеристика аттенюатора 19 выбираетс  таким образом, чтобы 0,1 А 0,3. В этом случае дробовые шумы ФЭУ, обусловленные дополнительным источником 20, малы и практически не снижают пороговую чувствительность фотоприемника.

На низких и средних уровн х засветок катода ФЭУ отраженным сигналом 55 приращени  фазы в ФЭУ ничтожны, напр жение на выходе фазового дискрими- натора 23 увеличиваетс .. На-.настоте , калибровки f зависимость прироста

фазы от тока анода ФЭУ более вьфаже- на, чем на изм.ерительной частоте, так как f f , причем на уровн х тока, где фазовые сдвиги существенны

ГЧ К

14/

(О

где V(I), (I) - фазо-токовые

характеристики ФЭУ на измерительной и калибровочной частотах соответственно; К - константа.

Дл  определени  значени  коэффициента К снимают зависимость (I) путем установки перед катодом ФЭУ светофильтра с регулируемым коэффициентом пропускани  .(не показан) и измерени  сдвига фазы регистратором 17. Затем.устанавливают блок 1 управлени  в состо ние,когда сигнал управлени  с его второго выхода переводит переключатель 16 в открытое с второго входа состо ние. Аналогично снимаетс  зависимость У(1) на частоте f2. Коэффициент К определ етс  в соответствии с соотношением (1). Затем устанавливают с ломощью первого выхода блока 1 управлени  коэффициент передачи масштабного усилител  27, равным К.

В рабочем режиме сигнал на втором выходе блока 1 управлени  отсутствует , на регистратор поступает напр жение с первого фазового дискриминатора 12, работающего на частоте f. Одновременно с помощью блоков 20- 26 оцениваетс  фазова  погрешность на частоте f f , согласно зависимости .,(1).

Положим передаточные характеристики второго фазового детектора К ср. о и управл емого фазовращател  К 6 равными

и.а

К

ф а

«Т-.в

и

му

где иф , - выходные напр жени  55 фазового детектора и масштабного усилител  соответственно.

,

г

к

- сдвиги фаз на частотах калибровки и измерени ,

Дл  получени  фазовой компенсации необходимо иметь коэффициент передачи масштабного усилител  К,у равным:

1

му

к

К

«Р. В f-3

к

(2)

Выражение (2) используетс  дл  определени  коэффициента передачи масштабного усилител  27. Коэффициенты передачи фазовращател  11 и фазового детектора 23 посто нны. Поэтому с учетом (1) коэффициент передачи масштабного усилител  27 также посто нен и не зависит от интенсивности принимаемого сигнала.

Таким образом, в рабочем режиме блоком 17 регистрации измер етс  значение фазы отраженного сигнала, пропорциональное рассто ние до объекта . Причем, показани  уточн ютс  благодар  учету дополнительного фазового сдвига в ФЭУ 5.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Фазовый светодальномер, содержащий первый генератор, выход которого св зан с излучателем, фотоэлектронный умножитель, вход питани  которого подключен к выходу блока питани , второй генератор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, третий генератор , подсоединенный к второму входу второго смесител , переключатель, выходом св занный с регистратором, а первым входом - с выходом первого фазового дискриминатора, отличающийс  тем, что, с целью повьш1ени  точности измерений за счет исклкУчени  фазовой погрешности на высоких уровн х отраженного сигнала , в него введены блок управлени , конический световод, внешний электрод , первьй и второй фильтры, фазовращатель , первьй и второй фильтры низких частот, первый, второй и третий усилители, управл емый аттенюатор , дополнительньй излучатель, выпр митель , второй фазовый дискриминатор и масштабный усилитель, при- kieM меньшее сечение конического световода находитс  в контакте с фиксированной точкой торцовой поверхности фотоэлектронного умножител , в контакте с которой находитс  также внешний электрод, соединенный с выходом второго генератора, выход фотоэлектронного умножител  через первый усилитель подключен к входам первого и второго фильтров, выход первого фильт- ра подсоединен через фазовращатель к первому входу первого фазового дискриминатора , вторым входом подсоединенного через последовательно включенные первый фильтр низких частот и второй усилитель к выходу первого смесител , выход первого фильтра соединен также через выпр митель с управл ющим

   18296

   входом аттенюатора, сигнальный вход которого подключен к выходу третьего генератора, а вьгход св зан с дополнительным излучателем, оптически 5 св занным с коническим световодом, второй смеситель подсоединен через последовательно включенные второй фильтр низких частот и третий усилитель к второму входу второго фазово10 го дискриминатора, первый вход которого подключен к выходу второго фильтра а выход соединен с вторым входом переключател  и входом масщтабного усилител , управл ющий вход которого св зан

   )5 с первым, выходом блока управлени , второй выход которого подключен к управл ющему входу переключател ,а выход масштабного усилител  соединен с управл ющим входом фазовращател .