UA132356U - Пристрій для вимірювання відстані - Google Patents

Abstract

Пристрій для вимірювання відстані, що має в своєму складі передавальний канал, який включає в себе послідовно з'єднані опорний генератор високочастотних імпульсів, подільник частоти, імпульсний модулятор, лазерний випромінювач і оптичну систему з відгалуженням на передачу і приймання оптичного сигналу та приймальний канал із послідовно з'єднаних фотоприймача, підсилювача та лічильника з індикатором, причому в нього введені відбиваюча пластина, фазообертач, перший та другий диференціатори, тригер, схема співпадіння, помножувач частоти, перемикач квантуючих імпульсів та цифровий накопичувальний інтегратор, причому вхід фазообертача підключений до виходу подільника частоти, а вихід через перший диференціатор з'єднаний із входом "старт" тригера, вихід фотоприймача через підсилювач та другий диференціатор з'єднаний із входом "стоп" тригера, вихід тригера підключений до першого входу схеми співпадіння, другий вхід схеми співпадіння через перемикач квантуючих імпульсів та помножувач частоти з'єднаний з виходом опорного генератора високочастотних імпульсів, вихід схеми співпадіння через цифровий накопичувальний інтегратор під'єднаний до лічильника з індикатором.

Description

Пристрій для вимірювання відстані належить до будівництва, геології, астрономії, сільського господарства, військової справи та інших напрямків, де потрібно дистанційне оперативне вимірювання відстаней, з високою точністю та роздільною здатністю.

Найбільш часто апаратура для вимірювання відстані базується на застосуванні зондуючих імпульсів |див. Лазерньєе приборь! и методьі измерения дальности. Под ред. В.Е. Карасика. -

Москва, Россия: Изд. МГТУ им. Н.З. Баумана. 2012 - 92 с). Імпульсні світлодальноміри використовуються для вимірювання великих відстаней від десятків метрів до десятків кілометрів, наприклад, в метеорології, астрономії, авіації та військовій справі.

Подібна апаратура проста та має низьку вартість. До недоліків цієї апаратури слід віднести низьку точність вимірювання, яка залежно від відстані, може сягати від 1 м до 10 м, наприклад, в серійних світлодальномірах Місюгу КЕ (ФРН), ЕС-І КЕ, 1Д26 (РФ), а також похибки, що виникають при спотворенні відбитого зондуючого імпульсу.

Деякі світлодальноміри як інформаційний параметр використовують фазовий зсув відбитих від об'єкта сигналів. Перевагою цих вимірювачів є висока точність, а недоліком малий діапазон вимірюваної відстані. Так, наприклад, 4 світлодальноміри ФРН фірми Іеїса забезпечують вимірювання в межах 0,05...200 м, а фірми Вов5і і того менше 40-70 м. Фазові світлодальноміри, окрім вимірювання відстаней, можуть також використовуватися для реєстрації швидкості, визначення профілю об'єкта дослідження тощо, але бажано при цьому розширити діапазон вимірювання відстаней таких пристроїв. Важливим в подібних вимірюваннях є також забезпечення високої чутливості та мінімізація впливу завад і шумів зовнішнього середовища та об'єкта зондування.

Відомий пристрій для вимірювання дальності |див. патент США 05 810305982, (5015 17/10, від 2012-01-24 "Лазерний дальномір та метод його реалізації"|), який включає в себе схему формування і випромінювання імпульсно модульованих сигналів, приймальний блок вимірювання і оцифрування відбитих сигналів та блок обчислення відстані до об'єкта зондування. До недоліків розглянутого пристрою слід віднести обмеження точності і роздільної здатності, складність обробки сигналів за наявності завад при атмосферних та інших відбиваючих додаткових об'єктів.

Відомий пристрій для вимірювання дальності |див. патент США Мо И5625951581,

Зо 501517/10, від 2001-07-10 під назвою "Концепція оцінки процесів вимірювання відстаней"). В патенті розглядається "класичний" пристрій двоканальної схеми (випромінююча і приймальна) імпульсного світлодальноміра та процедура отримання результату про відстань до об'єкта зондування в цифровій формі. До недоліків даного технічного рішення, як одного із варіантів імпульсного світлодальноміра, слід віднести його узагальнюючу концептуальну форму, яка не вирішує питань чутливості, точності та роздільної здатності, важливих для вимірювачів відстаней.

Відомий також пристрій див. патент США |Мо О58103059 В2, 501517/10 від 2012-01-24 "Лазерний дальномір і спосіб цифрової обробки сигналів".

До складу лазерного дальноміра входять: лазерний модуль для опромінення об'єкта через оптичну систему, приймальний модуль, в який надходить відбитий сигнал, вихід приймального модуля через блок часової обробки сигналу та цифровий фільтр, приєднаний до входу мікроконтролера з індикатором, один із виходів мікроконтролера підключений також до управляючого входу приймального модуля.

До недоліків розглянутого технічного рішення слід віднести недостатню роздільну здатність та точність вимірювання відстані.

Відомий лазерний дальномір (див. патент РФ Мо 2343413: (501517/10 від 10.01.2009 в складі двох лазерних джерел, під'єднаних до випромінюючої оптичної системи, генератора тактових імпульсів, двох ліній затримки, схеми співпадіння, приймальної оптичної системи, фотоприймача, відлікового пристрою та індикатора. До недоліків розглянутого пристрою слід віднести значну технічну складність, через наявність двох лазерних джерел, відокремлених випромінювальною та приймальною оптичними системами і двох ліній затримок, складний алгоритм обробки інформаційних сигналів та недостатню точність і роздільну здатність пристрою.

Найближчий аналог за технічною суттю, є технічне рішення |див. патент США Мо 0И56115112А, 2000-09-05 50157/487 від 2000-09-05 "Електронний вимірювач відстані".

Пристрій, що реалізує імпульсне вимірювання відстані (рис. 5 патенту) має в своєму складі передавальний канал, який включає в себе послідовно з'єднані опорний генератор високочастотних імпульсів, подільник частоти, імпульсний модулятор, лазерний випромінювач і оптичну систему з відгалуженням на передачу і приймання оптичного сигнал, а також 60 приймальний канал із послідовно з'єднаних фотоприймача, підсилювача, та лічильника з індикатором. Окрім того, вихід фотоприймача підключений також до першого входу обчислювача, вихід якого з'єднаний з блоком управління, на другі входи обчислювача та блока управління приєднаний вихід подільника частоти, перший вихід блока управління з'єднаний з другим входом аналого-цифрового перетворювача, а другий вихід з'єднаний з індикатором.

До недоліків розглянутого пристрою слід віднести: незначне розширення діапазону вимірювання дальності (варіант патенту до З км, за частоти модуляції 49 кГц), який може ще більше погіршуватись на етапі точного визначення дальності; відповідне зниження точності і роздільної здатності із-за значного впливу на результат вимірювання атмосферних завад і рельєфних нерівностей об'єктів, що призводить до флуктуації і розмитості відбитого сигналу та зниження інтенсивності зондуючого сигналу.

В основу корисної моделі поставлено задачу розробки пристрою вимірювання дальності, в якому за рахунок введення нових елементів та зв'язків забезпечувалися б спрощення його технічної реалізації, підвищення точності, роздільної здатності та збільшення діапазону вимірювання дальності.

Згідно з корисною моделлю, поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання дальності, що має в своєму складі передавальний канал, який включає в себе послідовно з'єднані опорний генератор високочастотних імпульсів, подільник частоти, імпульсний модулятор, лазерний випромінювач і оптичну систему з відгалуженням на передачу і приймання оптичного сигналу та приймальний канал із послідовно з'єднаних фотоприймача, підсилювача, та лічильника з індикатором, згідно з корисною моделлю, в нього введені відбиваюча пластина, фазообертач, перший та другий диференціатори, тригер, схема співпадіння, помножувач частоти, перемикач квантуючих імпульсів та цифровий накопичувальний інтегратор, причому вхід фазообертача підключений до виходу подільника частоти, а вихід через перший диференціатор сполучений із входом "старт" тригера, вихід фотоприймача через підсилювач та другий диференціатор з'єднаний із входом "стоп" тригера, вихід тригера підключений до першого входу схеми співпадіння, другий вхід схеми співпадіння через перемикач квантуючих імпульсів та помножувач частоти з'єднаний з виходом опорного генератора високочастотних імпульсів, вихід схеми співпадіння через цифровий накопичувальний інтегратор під'єднаний до лічильника з індикатором.

Зо Саме введення відбиваючої пластини, фазообертача, першого та другого диференціаторів, тригера, схеми співпадіння, помножувача частоти, перемикача квантуючих імпульсів та цифрового накопичувального інтегратора, з'єднаних зазначеним чином забезпечують підвищення точності, роздільної здатності та збільшення діапазону вимірювання дальності.

Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 наведена функціональна схема пристрою для вимірювання дальності. Пристрій містить передавальний канал, що включає в себе послідовно з'єднані опорний генератор високочастотних імпульсів 1, подільник частоти 2, блок живлення 3, імпульсний модулятор 4, лазерний випромінювач 5, оптичну систему 6 з відгалуженням на передачу і приймання оптичного сигналу, відбиваючу пластину 7 та об'єкт дослідження 8. Вихід подільника частоти 2 через фазообертач 12 та перший диференціатор 13 з'єднаний також із входом "старт" тригера 14. Вихід фотоприймача 9 приймального каналу через підсилювач 10 та другий диференціатор 11 з'єднаний з входом "стоп" тригера 14. Вихід тригера 14 підключений до першого входу схеми співпадіння 17, другий вхід схеми співпадіння 17 через перемикач квантуючих імпульсів 16 та помножувач частоти 15 під'єднаний з виходом опорного генератора високочастотних імпульсів 1, вихід схеми співпадіння 17 через цифровий накопичувальний інтегратор 18 під'єднаний до лічильника з індикатором 19.

Пристрій для вимірювання дальності працює наступним чином. Опорний високочастотний генератор 1 (на 1 МГц) являє собою кварцовий генератор, що забезпечує високу стабільність формування опорних сигналів, частоти модуляції і режимів випромінювання оптичних сигналів.

З виходу подільника частоти 2 низька частота Ет (277,7(7) Гц) у вигляді прямокутних імпульсів (фіг. 2а) надходить на комутаційний модулятор 4 і періодично модулює (переключає) напругу живлення З лазерного джерела 5. Прямокутні імпульси через фазообертач 12 подаються також на перший диференціатор 13, на виході якого формуються короткі імпульси (фіг. 2в). Імпульси надходять на тригер і переключають його в режим роботи "старт". На початковому етапі "установка нуля" закривається об'єктив вимірювача, відбитий сигнал проходить процес перетворення в приймальному каналі і з виходу другого диференціатора 11 подається на вхід "стоп" тригера 14. В результаті формується короткий часовий інтервал, пропорційний фазовій неідентичності передавального і приймального каналів, який компенсується фазообертачем 12.

В режимі зондування об'єкта на етапі "вимірювання дальності" часова затримка відбитого імпульсу значно збільшується, в результаті отримуємо значне зміщення імпульсів приймального бо каналу (фіг. 26 і 2г), а на виході тригера 14 формується розширений часовий інтервал, який пропорційний фазовому зсуву та відстані до об'єкта (фіг. 2д). Сигнал з виходу тригера надходить на ключову схему співпадіння, відкриває її і часовий інтервал заповнюється імпульсами частоти їю опорного генератора 1. Визначення більш точного значення відстані проводиться установкою перемикача імпульсів квантування 16 в положення 2 і заповненням отриманого інтервалу імпульсами помноженої частоти тіо.

Сформований сигнал у вигляді "пачки" імпульсів (фіг 2е) надходить на цифровий інтегратор 18 та лічильник 19, де проводиться часове усереднення для підвищення стабільності показів лічильника та операція ділення для визначення істинного значення відстані Її до об'єкта зондування.

Таким чином, заповнюючи виділений інтервал вибраної низької частоти імпульсами 1 МГц отримуємо електронну шкалу де один імпульс високої частоти квантування еквівалентний фазовому зсуву 0,1", а при отриманні на виході помножувача 15 частоти квантування 10 МГц роздільна здатність визначення фазового інтервалу Фх зростає до 0,017.

Роздільну здатність за відстанню можна визначити за формулою:

Ї піп кт

М, (1) де Ї. - відстань до об'єкта, М - кількість імпульсів квантування. | 02

За відстані 1 км та частоти квантування 1 МГц, у відповідності з (1) отримуємо "п" 7 м,а за частоти квантування 10 МГц Інв 27 см.

Таким чином, як випливає з опису пристрою для вимірювання дальності, за рахунок введення нових елементів та зв'язків забезпечується спрощення схеми і його технічна реалізація, збільшення діапазону вимірювання та підвищення точності і роздільної здатності.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для вимірювання відстані, що має в своєму складі передавальний канал, який включає в себе послідовно з'єднані опорний генератор високочастотних імпульсів, подільник частоти, імпульсний модулятор, лазерний випромінювач і оптичну систему з відгалуженням на передачу і приймання оптичного сигналу та приймальний канал із послідовно з'єднаних фотоприймача, підсилювача та лічильника з індикатором, який відрізняється тим, що в нього введені Зо відбиваюча пластина, фазообертач, перший та другий диференціатори, тригер, схема співпадіння, помножувач частоти, перемикач квантуючих імпульсів та цифровий накопичувальний інтегратор, причому вхід фазообертача підключений до виходу подільника частоти, а вихід через перший диференціатор з'єднаний із входом "старт" тригера, вихід фотоприймача через підсилювач та другий диференціатор з'єднаний із входом "стоп" тригера, вихід тригера підключений до першого входу схеми співпадіння, другий вхід схеми співпадіння через перемикач квантуючих імпульсів та помножувач частоти з'єднаний з виходом опорного генератора високочастотних імпульсів, вихід схеми співпадіння через цифровий накопичувальний інтегратор під'єднаний до лічильника з індикатором. пут х й щі ра фе Е й ще: ХЕ жу ннниннниь ренні ШИ рота Шк і 5 ЩІ поши 4; ся й ЛАЙК і ОВ о итів т ях чн ши А сіння й шк ж м У шини КЕ п Бар ЕЙ Б ОК Що мо є жо о Рі ся Дгятгяте З х ' З я Щ М, Що фіни й нн вищо й ІЙ | Б . Я ВИХ

   Фіг. 1 й й 23 7 ТТ З Ї З ї ї ї ІЗ х Ї ї : шк ши М ж В ВА В х. Моне жк нн ж кн щі і Кк . М ки их ен а чин Ж чнннллодннюнкнкниннантак ши ШИ ска нт т чним З, х і: : : и ТЕТ уТЕ і ТЕТ Е ТІ: 113: - . на ВАК ХАЙ ння путутттттотет є екюкюєюєетототттттесск дух» Й

   Фіг. 2