UA154702U - Спосіб вимірювання відстані - Google Patents

Abstract

Спосіб вимірювання відстані, при якому здійснюють високочастотну гармонічну модуляцію інтенсивності лазерного випромінювання, направляють модульоване лазерне випромінювання на об'єкт, відстань до якого треба визначити, вимірюють зсув фаз огинаючих випромінюваного та відбитого від об'єкта світлових потоків, вимірюють фазовий зсув, що відповідає контрольній каліброваній відстані, визначають різницю результатів двох вимірювань та за результатом цієї різниці обчислюють невідому відстань. Перед вимірюванням контрольної відстані здійснюють зсув фази модуляційної напруги відносно опорної напруги на значення результату вимірювання фазового зсуву під час визначення невідомої відстані, підсумовують результат різниці двох вимірювань та еталонного значення введеного фазового зсуву модуляційної напруги.

Description

Корисна модель належить до лазерної далекометрії та може бути використана для безконтактного вимірювання з високою точністю невеликих (близько одиниць або десятків метрів) відстаней до різних об'єктів та їхніх лінійних переміщень в енергомашинобудуванні, авіабудуванні, металургії, космічних дослідженнях, під час будівництва великих інженерних споруд для оцінки геометричних параметрів вказаних об'єктів.

Найбільш розповсюдженим у разі побудови високоточних лазерних далекомірів є спосіб вимірювання відстані з високочастотною гармонічною модуляцією інтенсивності лазерного випромінювання (1|, під час реалізації якого відстань Їх до контрольованого об'єкта визначається шляхом вимірювання зсуву фаз Фх огинаючих випромінюваного та відбитого від об'єкта світлових потоків за формулою:

Ї х-уфх/Алім, (1) де у - швидкість світла; Їм - частота модуляції, яка може складати десятки мегагерц. Лінійне переміщення об'єкта можна визначити за зміною відстані відносно її базового значення.

У разі використання фазового способу вимірювання відстані у вказаних вище цілях необхідно забезпечити результат вимірювання відстані з похибкою не більше, ніж 0,1-0,5 мм.

Згідно з формулою (1) похибка вимірювання відстані залежить від точності визначення у,фх і їм.

Похибка у в даному випадку визначається швидкістю світла у вакуумі та складає 4-109. Тому для заданої точності вимірювання відстані нею можна знехтувати. Визначення частоти Ім, можна забезпечити з похибкою не більше 105 |2), яка, враховуючи довжину хвилі модульованого світлового випромінювання, є незначною.

Домінуючою складовою похибки вимірювання відстані Їх є похибка визначення фазового зсуву Фх 2). Точність вимірювання фх суттєво залежить від фазових спотворень, що вносяться під час проходження оптичних сигналів через передавально-приймальну систему. Часові затримки, що призводять до фазових спотворень, виникають також у разі проходження електричних сигналів, в які перетворюються оптичні сигнали, через різні ланцюги. При цьому вказані фазові спотворення в електричних ланцюгах опорною та дистанційного каналів неоднакові та нестабільні через вплив зовнішніх факторів (температура, вологість і т.п.). Крім цього, на точність вимірювання Ффх впливає похибка методу визначення самого фазового зсуву.

Відомо два способи вимірювання відстані: з компенсацією фазового зсуву та безпосереднім

Зо вимірюванням фазового зсуву |11.

Способи вимірювання з компенсацією фазового зсуву підрозділяються на способи з фіксованою частотою модуляції та способи зі змінною частотою модуляції. За фіксованої частоти модуляції для визначення фазового зсуву компенсаційним нульовим методом використовуються фазообертувачі (11.

Однак застосування як фазообертувача електричної лінії затримки сигналів через її недостатню точність і нестабільність, особливо на високих частотах (десятки мегагерц), не дає змоги отримати необхідну точність вимірювання відстані. Використання як фазообертувача механічної оптичної калібрувальної лінії (3| істотно збільшує час вимірювання, а також значно ускладнює практичну реалізацію способу вимірювання відстані. Спосіб з компенсацією фазового зсуву з плавною зміною частоти модуляції в деякому діапазоні передбачає зі зміною частоти й зміну фазового зсуву, який визначають по значенню частоти (1). Недоліком цього способу є обмеження діапазону вимірювальних відстаней, яке залежить від значення Ї..

Під час реалізації компенсаційних методів вимірювання фазові спотворення не впливають на результат вимірювання, точність залежить від похибки порівняння фазових зсувів. Але способи вимірювання відстані з компенсацією фазових зсувів відрізняються складністю процесу вимірювання.

Найбільш близьким аналогом є спосіб вимірювання відстані з безпосереднім визначенням фазового зсуву |2Ї, за якого однаковим методом здійснюються два режими вимірювання: вимірювання невідомої відстані та контрольної каліброваної відстані. В режимі вимірювання контрольної відстані модульоване за інтенсивністю лазерне випромінювання за допомогою дзеркал, призм або світловодів направляється відразу до приймальної оптичної системи, минаючи вимірювальну дистанцію. В цьому випадку зазначений вище вплив фазового дрейфу можна компенсувати через визначення різниці значень двох дистанцій. Прикладами практичної реалізації відомого способу є лазерні далекоміри, описані в (4, 51І.

Недоліком способу є вплив на результат вимірювання відстані похибки безпосереднього визначення фазового зсуву в кожному з режимів вимірювання. Це пояснюється тим, що вимірювання контрольної відстані здійснюється в одній точці діапазону фазових зсувів, а не для всіх значень. Тому похибки вимірювання фазових зсувів в кожному із режимів різні та не компенсуються в повній мірі. Сучасні фазометричні методи можуть забезпечити вимірювання бо зсуву фаз в широкому діапазоні їхніх значень з похибкою порядку 0,05-0,17 |б). Тоді, наприклад,

якщо похибка складає 0,1 ", а частота модуляції дорівнює 25 МГц, максимальна похибка вимірювання відстані може становити АЇх-ле0,10/3600-1,6 мм, де ле - еквівалентна довжина хвилі модульованого світлового випромінювання, яка дорівнює в даному випадку 6000 мм. Як бачимо, визначена похибка АїЇ; значно перевищує допустиму похибку (0,1,..0,5 мм) для вказаних вище практичних застосувань фазового способу вимірювання відстані.

В основу корисної моделі поставлено задачу створення нового способу вимірювання відстані з безпосереднім визначення фазового зсуву та оптичною калібровкою, яка проводиться за такої ж контрольної відстані, що і вимірювальна дистанція. Це дає змогу за допомогою введення нових операцій отримати позитивний технічний результат, який полягає в підвищенні точності вимірювання відстані.

Поставлена задача вирішується тим, що у відомий спосіб вимірювання відстані, при якому здійснюють високочастотну гармонічну модуляцію інтенсивності лазерного випромінювання, направляють модульоване лазерне випромінювання на об'єкт, відстань до якого треба визначити, вимірюють зсув фаз огинаючих випромінюваного та відбитого від об'єкта світлових потоків, вимірюють фазовий зсув, що відповідає контрольній каліброваній відстані, визначають різницю результатів двох вимірювань та за результатом цієї різниці обчислюють невідому відстань, додатково перед вимірюванням контрольної відстані здійснюють зсув фази модуляційної напруги відносно опорної напруги на значення результату вимірювання фазового зсуву під час визначення невідомої відстані, підсумовують результат різниці двох вимірювань та еталонного значення введеного фазового зсуву модуляційної напруги.

На кресленні показано схему лазерного далекоміра для здійснення запропонованого способу вимірювання відстані. На схемі: синтезатор 1 частоти двоканальний, випромінювач 2 лазерний, комутатор З оптичний, дзеркала 4 і 5, об'єктив 6, фотоприймач 7, змішувачі 8 і 9, гетеродин 10, підсилювачі 11 ії 12, перетворювач 13 фаза-код, блок 14 управління та обробки даних, пристрій 15 відліковий, світловод 16.

Робота далекоміра здійснюється в декілька етапів.

Електричний сигнал модуляційної частоти Їм надходить від першого виходу синтезатора 1 на вхід випромінювача 2. Спочатку сфокусований та модульований за інтенсивністю світловий потік від випромінювача 2 з одного із виходів комутатора і, що управляється сигналом від блока

Зо 14, за допомогою дзеркал 4 і 5 через центр об'єктиву 6 направляється на контрольований об'єкт. Відбитий від контрольованого об'єкту світловий потік знову проходить через об'єктив 6, фокусується їм і потрапляє на вхід фотоприймача 7. Вимірювання різниці фаз випромінюваного та прийнятого світлових потоків здійснюється на проміжній частоті, отриманої в результаті гетеродинування. З цією метою електричний сигнал з виходу фотоприймача 7 надходить на перший вхід змішувача 8. На перший вхід змішувача 9 подається сигнал з другого виходу синтезатора 1, який використовується як опорний. На другі входи змішувачів 8 і 9 надходить сигнал гетеродина 10. Вихідні напруги змішувачів 8 і 9 після підсилювання за допомогою підсилювачів 11 і 12 надходять відповідно на першій і другій входи перетворювача 13. В останньому здійснюється перетворення значення виміряного фазового зсуву Фві в числовий еквівалент, який представлено у вигляді коду М1-КФфві, де К - коефіцієнт пропорційності;

Фві-ФхіАФфі-АФфг, де Фх - дійсне значення фазового зсуву, пропорційне вимірювальній відстані;

Афі - похибка вимірювання із-за фазового дрейфу; АФфг - похибка вимірювання перетворювача 13. Далі МІ переноситься в блок 14 і запам'ятовується в оперативній пам'яті.

Після цього в синтезаторі 1 відповідним кодом, який подається з блока 14, встановлюється фазовий зсув модуляційної напруги відносно опорної, який дорівнює Ффві. В даному випадку це буде еталонним значенням Фет. При цьому сигналом з блока 14 комутатор З перемикається в положення, при якому світловий потік від випромінювача 2 направляється не на контрольований об'єкт, а відразу через світловод 16 на вхід фотоприймача 7.

Далі проводиться вимірювання фазового зсуву таким чином, як вже описано вище, в результаті числовий еквівалент виміряного фазового зсуву Фвег може бути представлено кодом

Ма2-Кофвг2, де сфвг-Фет-АФфін-АФф2. Треба відзначити, що похибка АФ» перетворювача 13 в обох випадках вимірювання фазового зсуву однакова, оскільки здійснюється перетворення приблизно однакових фазових зсувів. Кодове значення М2 переноситься в блок 14.

В блоці 14 проводиться обробка отриманих даних. Спочатку обчислюється різниця АМ-МІ1-

М2-К(фх-Фет). Потім визначається сумарне кодове значення М-Мет-АМ-Коет--К(фх-Фет)-Кфх. З урахуванням знайденого кодового значення Ффх в блоці 14, згідно з формулою (1), обчислюється значення невідомої відстані Їх, яке відображається пристроєм 15.

Таким чином, результат вимірювання Фх не залежить від фазового дрейфу в передавально- приймальній системі і каналах далекоміра та від похибки фазовимірювального пристрою. Ця обставина у разі реалізації запропонованого способу дає можливість підвищити точність вимірювання відстані.

Рекомендації щодо використання деяких вузлів під час реалізації запропонованого способу вимірювання відстані.

Синтезатор 1 доцільно виконати на базі цифрового синтезатора прямого синтезу (мікросхема АБУОМК5О2), який для даного випадку може забезпечити еталонний зсув фази модуляційної напруги І/Її. Як гетеродин 10 можна також використати цифровий синтезатор частоти (мікросхема АБУ8Ф51) |8Ї. За випромінювач 2 можна використовувати напівпровідниковий лазерний випромінювач типу ІЛІН-203. Під час вибору фотоприймача 7 і змішувачів 8 і 9 необхідно враховувати їхню смугу пропускання за частотою: вона повинна бути приблизно 200 МГц. Як фотоприймач може бути вибраний лавинний фотодіод ФДЗ311Л. Для підвищення завадостійкості доцільно використовувати як перетворювач 13 пристрій, описаний в

ІЗЇ. За комутатор З доцільно використати волоконно-оптичні МЕМ5 перемикачі, які детально описано в (10, 111). Їхнє управління здійснюється подачею постійної напруги 4,5-5 В, швидкість перемикання 1-3 мс.

Джерела інформації: 1. Михеечев В.С. Геодезические светодальномерь!. - М.: Недра, 1979. - 222 б. 2. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и злектрооптическиєе измерения. - М.: Недра, 1985. - 303 с. 3. Волконский В.Б., Закута М.В., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Попов Ю.В., Ниженский

А.Д. Калибратор фазь. А.с. СССР Мо 696830, кл. 501 25/4, 1979 г. 4. Патент Японії Мо 4531833, кл. З01С 3/08, 1985 р. 5. Патент США Мо 7221435, кл. 501С 3/08, 2007 р. 6. Чмьїх М.К. Цифровая фазометрия. - М.: Радио и связь, 1993. - 184 с. 7. Аров5а2 СМО5 300 М5РБ5 Сотрієвїє роз. ОВ: пере Али .апаіюд.сот/еп/ргодисів/аа9852.пПІті (дата доступу 25.02.2023). 8. А0БО851 сМО5 180 МН2 роз/рАС зЗупіпезігег. ові: порз/Лимли.апа!од.сот/тедіа/епЛесНпісаІ-доситепіайоп/даїа-5певеїв/А0О851.раї (дата доступу 21.02.2023). 9. Кононенко А.Г., Кромпляс Б.А., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д., Орнатский И.А.,

Сидорчук В.Е. Вьісокоточньій фазовьій лазерньй измеритель расстояний до диффузно- отражающих поверхностей. Технічна електродинаміка. - 1999. - Мо 3. - С. 66-70. 10. МЕМ5 Рїбег Оріїса! Зм/йсне5. ОВІ: пирз//адійоп.сот/саїедогу/оріїса!-зу/йспевз/тетв- оріісаІ-м/йспе5-ейтетв/ (дата доступу 15.02.2023). 11. Волоконно-оптические переключатели. ОК: перз/Лепіазег5.ги/репт/саїарюд/моіоКоїто- орііспезКів-регекіІуиспагеії/ (дата доступу 12.02.2023).

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

   40 Спосіб вимірювання відстані, при якому здійснюють високочастотну гармонічну модуляцію інтенсивності лазерного випромінювання, направляють модульоване лазерне випромінювання на об'єкт, відстань до якого треба визначити, вимірюють зсув фаз огинаючих випромінюваного та відбитого від об'єкта світлових потоків, вимірюють фазовий зсув, що відповідає контрольній каліброваній відстані, визначають різницю результатів двох вимірювань та за результатом цієї

   45 різниці обчислюють невідому відстань, який відрізняється тим, що перед вимірюванням контрольної відстані здійснюють зсув фази модуляційної напруги відносно опорної напруги на значення результату вимірювання фазового зсуву під час визначення невідомої відстані, підсумовують результат різниці двох вимірювань та еталонного значення введеного фазового зсуву модуляційної напруги.