UA134577U - Спосіб вимірювання відстані - Google Patents

Abstract

Спосіб вимірювання відстані включає вибір високої частоти опорного генератора f0, отримання більш низької частоти модуляції світлового потоку Fm=f0/n, формування модульованого оптичного сигналу, опромінення об'єкта дослідження, отримання сигналу відгуку і його обробку та обчислення значення відстані до об'єкта зондування. У спосіб вводять операцію установки фазового нуля далекоміра і вибору частоти опорного генератора f0 та частоти модуляції світлового потоку лазера Fm, виходячи із умови: f0=3600 Fm, операції проведення диференціювання опорного і відбитого імпульсів. Формують із опорного сигналу низької частоти Fm імпульсу початку вимірювання "старт", а з відбитого сигналу імпульсу зупинки вимірювання "стоп". Формують із отриманих імпульсів часовий інтервал, пропорційний відстані до об'єкта і фазовому зсуву між вимірювачем та об'єктом вимірювання. Заповнюють отриманий часовий інтервал частотою опорного сигналу f0. Проводять цифровий підрахунок кількості імпульсів і накопичувальне інтегрування серії імпульсів, які пропорційні вимірюваній відстані. Отримують значення відстані в електронній шкалі L1. Уточнюють відстані шляхом заповнення отриманого інтервалу імпульсами помноженої частоти mf0 в точній електронній шкалі L2.

Description

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

Основними напрямками побудови апаратури для вимірювання відстаней є використання імпульсного та фазового способів (див. Лазернье приборь и методьі измерения дальности. Под ред. В.Е. Карасика. - Москва: Изд. МГТУ им. Н.З. Баумана. 2012-92 с.|.

Імпульсний спосіб дозволяє розробляти світлодалекоміри для вимірювання великих відстаней від десятків метрів до десятків кілометрів, наприклад, в метеорології, астрономії, авіації та військовій справі.

До недоліків цього способу слід віднести низьку точність вимірювання, яка залежно від відстані, може сягати від 1 м до 10 м.

Фазовий спосіб, навпаки, характеризується високою точністю вимірювання (до 0,5 мм) та роздільною здатністю, але меншою відстанню вимірювання, що пов'язано з багатократним повторенням фази зондуючих коливань та складністю його врахування і обчислення.

Відомий спосіб вимірювання дальності (патент США 05 8103059 В2, 2015 17/10, від 2012- 01-24 "Лазерний далекомір та метод його реалізації"|, оснований на формуванні та випромінюванні імпульсно-модульованих сигналів, отриманні відбитих сигналів з наступним їх накопиченням та оцифровуванням, визначенням отриманого значення заданому пороговому рівню та обчисленню відстані до об'єкта зондування.

До недоліків заявленого способу слід віднести обмеження точності і роздільної здатності, складність обробки сигналів за наявності завад при атмосферних та інших відбиваючих додаткових об'єктів.

Відомий спосіб вимірювання дальності (див. патент США Мо 05 6259515 В1, 2015 17/10, від 2001-07-10 "Концепція оцінки процесів вимірювання відстаней"!. В патенті розглядається "класичний" спосіб формування опромінюючого сигналу, отримання відповіді від об'єкта та обробка сигналів відгуку. Реалізація способу виконується за допомогою двоканальної схеми (випромінююча і приймальна) імпульсного світлодалекоміра та процедури отримання результату про відстань до об'єкта вимірювання в цифровій формі.

До недоліків даного способу, як одного із варіантів імпульсного способу, слід віднести його

Зо узагальнюючу концептуальну форму, яка не вирішує питань чутливості, точності та роздільної здатності, важливих для вимірювачів відстані.

Відомий також спосіб |патент США |Ме О5 8103059 В2, 1015 17/10 від 2012-01-24 "Лазерний далекомір і спосіб цифрової обробки сигналів"|), що реалізується шляхом формування оптичного сигналу лазерним модулем для опромінення об'єкта через оптичну систему, опромінення об'єкта дослідження, отримання і виділення сигналу відгуку в приймальному модулі та проведення процедури його аналізу в блоці часовій обробці і представлення в цифровій формі.

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

Найбільш близьким аналогом є (патент США Ме 05 6115112 А, 24015 7/487 від 2000-09-05 "Електронний вимірювач відстані"|, який реалізує спосіб як аналогового (фіг. 3, 4 патенту) такі цифрового (фіг. 5, 6) фазового формування і обробки сигналів.

Спосіб розглянутого цифрового вимірювання відстані полягає у виборі високої частоти опорного генератора Юю, отриманні більш низької частоти модуляції світлового потоку Ет-о/п, формуванні модульованого оптичного сигналу, опроміненні об'єкта дослідження потужним одиничним імпульсом та отриманні попереднього "грубого" значення відстані. Крім того, спосіб передбачає подальше опромінення об'єкта серією імпульсів слабкої інтенсивності, накопичення, фільтрування і обробку отриманих відгуків та обчислення уточненого значення відстані до об'єкта дослідження.

До недоліків розглянутого способу слід віднести складний алгоритм формування та обробки сигналів. Крім того, зниження інтенсивності опромінюючого сигналу в процесі точного вимірювання погіршує співвідношення сигнал/шум та зменшує точність вимірювання.

В основу корисної моделі поставлена задача створення такого способу вимірювання відстані, в якому за рахунок введення нових операцій, зв'язків та умов формування сигналів забезпечувалися б спрощення алгоритму перетворення сигналів та його технічна реалізація, підвищення точності, роздільної здатності та збільшення діапазону вимірювання відстані.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі вимірювання відстані, який включає вибір високої частоти опорного генератора б, отримання більш низької частоти модуляції світлового потоку Ет-їо/пл, формування модульованого оптичного сигналу, опромінення об'єкта дослідження, отримання сигналу відгуку і його обробку та обчислення значення відстані до об'єкта зондування, згідно з корисною моделлю, вводять операцію установки фазового нуля бо далекоміра і вибору частоти опорного генератора Юю та частоти модуляції світлового потоку лазера Ет, виходячи із умови: ї0-3600 Ет, операції проведення диференціювання опорного і відбитого імпульсів, формують із опорного сигналу низької частоти Ет імпульсу початку вимірювання "старт", а з відбитого сигналу імпульсу зупинки вимірювання "стоп", формують із отриманих імпульсів часовий інтервал, пропорційний відстані до об'єкта і фазовому зсуву між вимірювачем та об'єктом вимірювання, заповнюють отриманий часовий інтервал частотою опорного сигналу їо, проводять цифровий підрахунок кількості імпульсів і накопичувальне інтегрування серії імпульсів, які пропорційні вимірюваній відстані, отримують значення відстані в електронній шкалі Ії, уточнюють відстані шляхом заповнення отриманого інтервалу імпульсами помноженої частоти тіо в точній електронній шкалі І».

Саме введення операції установки фазового нуля далекоміра, вибору частоти опорного генератора о і частоти модуляції світлового потоку лазера Ет, виходячи із умови ї0-З3600Ет, операції формування з опорного сигналу низької частоти Ет імпульсу початку вимірювання "старт, а з переднього фронту відбитого сигналу імпульсу зупинки вимірювання "стоп", формування з отриманих імпульсів часового інтервалу, пропорційного відстані до об'єкта та фазовому зсуву між вимірювачем і об'єктом вимірювання, заповненні отриманого часового інтервалу частотою опорного сигналу о, проведенні цифрового накопичувального інтегрування та підрахунок кількості імпульсів, які пропорційні вимірювальній відстані, отримання значення відстані в електронній шкалі Її та уточненні відстані в точній електронній шкалі І2, шляхом заповнення отриманого інтервалу імпульсами помноженої частоти тіо забезпечується спрощення алгоритму перетворення сигналів і його технічна реалізація, підвищення точності, роздільної здатності та збільшення діапазону вимірювання дальності.

Спосіб реалізують наступним чином.

З теорії оптичного вимірювання відстані Л.А. Аснис, В.П. Васильєв, В.Б. Волконский,

Лазерная дальнометрия. - Москва: Радио и связь, 1995. - 256 с.| відомо, що час відгуку на опромінюючий сигнал на відстані, наприклад, від 1 м до 10 км, пропорційно змінюється від 6,7 не до 67 Мке, а відстань визначається за формулою: 28 (у де с - швидкість світла, Її - час проходження сигналу, 5 - показник, що характеризує середовище, який за сприятливих умов проходження світлового опромінюючого сигналу можна

Зо вважати 521.

Формула (1) є загальноприйнятною для визначення відстані світлодалекомірами, яку використовують, виміряючи час проходження сигналу до об'єкта дослідження.

Розрахунок відстані до об'єкта для фазових далекомірів виконується за більш складною формулоюрх 2пЕтп (2) де Фх - фазовий зсув, пропорційний подвоєній відстані до об'єкта, Ет - частота модуляції світлового потоку вимірювача.

Формула (2) справедлива за відсутності фазових зсувів між каналом генерації сигналу (передавача) та його сприймання (приймача), в іншому випадку формула приймає вигляд: 2пЕт (3) де ТО - внутрішній фазовий зсув (фазова неїдентичність) каналів світлодалекоміра, яку необхідно враховувати при вимірюванні відстані.

Для однозначності відліку максимальної відстані у фазовому методі необхідне виконання умови, що ТФх 5 "7, а подвоєна відстань Ї не повинна перевищувати довжину хвилі частоти модуляції. Оптимальним варіантом є використання Фх в межах від 0 до 180". Таким чином, як слідує із формули (3), для розширення діапазону вимірювання відстані необхідно знижувати частоту модуляції світлового потоку, а також враховувати фазову розбіжність між передавальним і приймальним каналами світлодалекоміра.

Здійснення способу вимірювання дальності відбувається в два етапи, етап "установка нуля", за якого встановлюється 70 - 0 і етап "вимірювання відстані".

Для реалізації способу частоту опорного генератора, вибирають в межах одиниць мегагерц, але для детального опису та пояснення функціонування способу обмежуємося, наприклад, частотою 1 МГц, період якої То-1 мкс. Виходячи із співвідношення (ї0-3600 Ел) і встановленого коефіцієнта ділення опорного сигналу отримуємо низьку частоту модуляції, яка, в нашому випадку, складає Ет-277,7(7) Гц з періодом 3600 мкс. Вибір частоти модуляції світлового потоку лазера та частоти квантування часового проміжку за визначених умов забезпечує можливість прив'язки виділеного часового інтервалу до зсуву фази прийнятого сигналу. За вибраної низької частоти модуляції Ет-277,7(7) Гц відстань до об'єктів вимірювання, розрахована за формулою (2), може складати десятки і навіть більше сотні кілометрів, що розширює сферу використання подібного вимірювача, оскільки довжина хвилі Х, такого сигналу визначається формулою:

Х- С/Р, (4 і за розрахунками становить більше 300 км. Навіть враховуючи рекомендацію щодо використання для вимірювання відстані тільки Фх Бл діапазон вимірювання значно збільшується.

На етапі "установка нуля" вихід вимірювача відстані екранують відбиваючою пластиною і світловий потік спрямовують в приймальний канал. Опорний та відбитий сигнал диференціюють, формують часовий інтервал, пропорційний фазовій неідентичності генераторного і приймального каналів, заповнюють (квантують) імпульсами опорної частоти о та проводять усереднення в 10х разів з використанням цифрового накопичувального інтегратора. За наявності фазового зсуву фазообертачем встановлюють нульові покази індикатора. На етапі "вимірювання відстані" відкривають оптичну систему вимірювача відстані, опромінюють об'єкт дослідження і за аналогічним алгоритмом проводять обробку за участю відбитого сигналу.

Таким чином, заповнюючи виділений інтервал, наприклад, імпульсами частотою ї0о-1 МГц, отримуємо електронну шкалу, де один імпульс високої частоти квантування еквівалентний фазовому зсуву 0,017, а при помноженні частоти квантування в 10 разів отримуємо тіо-10 МГц.

Роздільна здатність визначення фазового інтервалу Фх при цьому зростає до 0,017.

Роздільну здатність за відстанню можна визначити із формули:

Ітіп - М ; (5) де ГІ - відстань до об'єкта; М - кількість імпульсів квантування.

За відстані 1 км та частоті заповнення 1 МГц Іпіп-0,27 м, а за частоти заповнення 10 МГц

Ітлінн 2, 7 СМ.

Таким чином, як слідує з опису процедури здійснення способу для вимірювання відстані, за рахунок введення нових операцій, зв'язків та умов формування сигналів, забезпечується

Зо спрощення алгоритму перетворення сигналів, їх технічна реалізація, збільшення діапазону вимірювання, підвищення точності та роздільної здатності.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

   Спосіб вимірювання відстані, який включає вибір високої частоти опорного генератора й, отримання більш низької частоти модуляції світлового потоку Ет-їо/л, формування модульованого оптичного сигналу, опромінення об'єкта дослідження, отримання сигналу відгуку і його обробку та обчислення значення відстані до об'єкта зондування, який відрізняється тим, що в нього вводять операцію установки фазового нуля далекоміра і вибору частоти опорного генератора їо та частоти модуляції світлового потоку лазера Ет, виходячи із умови: ї0-3600 Ет, операції проведення диференціювання опорного і відбитого імпульсів, формують із опорного сигналу низької частоти Ет імпульсу початку вимірювання "старт", а з відбитого сигналу імпульсу зупинки вимірювання "стоп", формують із отриманих імпульсів часовий інтервал, пропорційний відстані до об'єкта і фазовому зсуву між вимірювачем та об'єктом вимірювання,

   заповнюють отриманий часовий інтервал частотою опорного сигналу 0, проводять цифровий підрахунок кількості імпульсів і накопичувальне інтегрування серії імпульсів, які пропорційні вимірюваній відстані, отримують значення відстані в електронній шкалі І, уточнюють відстані шляхом заповнення отриманого інтервалу імпульсами помноженої частоти тіо в точній електронній шкалі І ».