WO2010044699A1 - Способ измерения расстояния и устройство для этого - Google Patents

Способ измерения расстояния и устройство для этого Download PDF

Info

Publication number
WO2010044699A1
WO2010044699A1 PCT/RU2009/000527 RU2009000527W WO2010044699A1 WO 2010044699 A1 WO2010044699 A1 WO 2010044699A1 RU 2009000527 W RU2009000527 W RU 2009000527W WO 2010044699 A1 WO2010044699 A1 WO 2010044699A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
sensors
emitter
distance
precision
Prior art date
Application number
PCT/RU2009/000527
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Аслан Хаджимуратович AБДУEВ
Марат Хаджи-Муратович АБДУЕВ
Иманrазали Юнусович НУРАЕВ
Original Assignee
Abduev Aslan Hadjimuratovich
Abduev Marat Hadji-Muratovich
Nuraev Imangazali Junusovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abduev Aslan Hadjimuratovich, Abduev Marat Hadji-Muratovich, Nuraev Imangazali Junusovich filed Critical Abduev Aslan Hadjimuratovich
Publication of WO2010044699A1 publication Critical patent/WO2010044699A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G01S11/08—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves using synchronised clocks

Definitions

  • the invention relates to measuring equipment and is intended for precision measurement of distances.
  • the primary purpose is to measure large distances with high accuracy and set reference distances for the purposes of metrology, navigation and geodesy.
  • the measured time differs from the time taken by the signal to pass through the ends (end) of the measured segment due to the finite (not strictly defined) response time of the electronic control and detecting devices of the source and receiver, due to the spatial separation of the ends of the measured segment and the points at which radiation occurs signal reflection and detection, etc. [US 5,880,821]. Correction is made with corrective additions to the time of radiation of the signal and / or to the time of registration after the signal has passed the measured distance.
  • An optical range finder is also known, which measures the distance along the signal travel time to the reflector and back and using the same detector to record the moments of sending and returning the signal [US 4,770,526], but these signals are fed to the detector in different ways, which also leads to the need to correct the measured time using the reference segments.
  • the aim of the invention is to create the possibility of direct high-precision measurement and set distances based on the accepted definition of a meter (1 meter - by agreement - this is the distance that light travels in vacuum for 1/299792458 seconds) without using standard measures of length, including assignment of reference segments, improving the accuracy of measuring large distances, accelerating and simplifying the measurement procedure with micron and submicron accuracy.
  • high-precision clocks for example, atomic ones. If the measured distance allows switching the measuring system, providing strict control and accounting for the influence of the communication line on the time it takes for information to pass through it, one watch can be used for two sensors with receivers. However, such a switching line is difficult to implement even at short distances.
  • the moments of signal registration by each of the sensors are determined by individual synchronized or not synchronized high-precision clocks. Registration time can be transmitted for subsequent distance calculation on any communication channel, but a wireless transmission method is preferred.
  • the recording time can be fixed on the leading edge of the signal with sufficient steepness or, to eliminate the effect of attenuation of the signal with distance, by the extremum of the signal or by another algorithm, and the use of short, for example, femtosecond light pulses, simplifies this task. To exclude the influence of extraneous signals using selective receivers and / or their sensors.
  • the proposed method can be measured and set with an accuracy of the order of ⁇ tage (where ⁇ is the limiting time resolution of the clock, s is the signal speed) distances, the magnitude of which is limited from above only by the ability to deliver the receiver to the ends of the measured segment, signal intensity and sensitivity of the sensors.
  • ⁇ is the limiting time resolution of the clock
  • s is the signal speed
  • the meaning of measurements with a change in the direction of signal propagation or with the interchange of sensors is that when calculating the arithmetic mean values of the obtained approximate lengths, regular hardware errors are mutually destroyed.
  • the exchange of positions of the sensors is carried out with an accuracy exceeding the required accuracy of measuring the distance, and to eliminate the influence of geometric differences, the sensors are installed at new positions without rotation in relation to their previous spatial orientation.
  • the signal from two opposite sides of the measured segment used in the method variant is carried out in the following ways: - measure according to the basic procedure at one position of the signal emitter, and then transfer the same emitter to the other side of the measured segment and repeat the measurements;
  • the zero time reference at the clock may not coincide - this will not affect the result of measuring the distance, i.e. accumulated over long periods of divergence of hours do not affect the result of distance measurement. Therefore, there is no need to "schedule the clock.”
  • detectors are installed at the ends of a segment measured roughly, and then one or both receivers are moved, alternating these movements with the measurement by the proposed method, until the desired segment is obtained.
  • the measurements are repeated as many times as necessary, and the results are subjected to the necessary mathematical (statistical) processing.
  • measurements are repeated at a different radiation frequency and the true distance is calculated by known algorithms.
  • the measurements are carried out in a vacuum or in a given medium under given conditions.
  • a device that includes the emitter (or emitters) of a signal of a given shape, a receiver (or receivers) with sensors of this signal, a high-precision clock that records the moments when the signal reaches the sensors and with an error accumulated during the measurement determining the time ⁇ t ⁇ l / c, where ⁇ l is the maximum permissible error of distance measurement, s is the propagation speed of the signal, and the means to install the emitter (or emitters) and sensors along the signal path, as well as a control system, including means for controlling the emitter (s) and receiver (s), for the collection, processing, storage, transmission and display of information.
  • each signal sensor is equipped with its own receiver and its own high-precision clock.
  • the sensors with their receivers and watches can be made in the form of recording units of the same design and geometry.
  • the information transmission means be wireless.
  • the device For accurate and reproducible positioning of sensors or recording units at the ends of the measured segment when using the method with the exchange of their places or during the procedure of metrological comparison, the device contains precision mounting units with a linear error less than ⁇ l.
  • the installation nodes can be made identical with each other and with milestones with a marked point (pyramids, cones, crosshairs of the optical system, etc.).
  • the signal can be electromagnetic (including radio waves, optical and X-ray spectral regions, gamma radiation), acoustic (in given signal conductors), and also corpuscular. Emitters and sensors should be appropriate.
  • sensors with a small length of the sensitive area along the direction of signal propagation and precisely determined by its localization.
  • Sensors can be, for example, thin film elements whose planes are perpendicular to the direction of propagation of the signal, and the mentioned length can be nanometers.
  • the sensors can have a small length in two or three directions (“thread” and “point” sensors). For large distances, the determination of which is mainly aimed at the invention, there is no problem of getting one miniature sensor in the shadow from another (in particular, due to signal diffraction), but, if necessary, the sensors can be made transparent, for example, basis of translucent semiconductor films, or can be displaced relative to each other in the transverse direction for the measured segment.
  • the proposed device includes a second emitter of signals (the signals of the emitters may differ in type and characteristics) or a reflector with a delay line.
  • the delay line should be such that the doubled time it takes for the signal to be greater than the time resolution of the registration system of the second receiver (otherwise the reflected signal will not be recorded by the receiver yet ready for it).
  • the delay line can be an extended flexible optical fiber of sufficient length (which can be wound) equipped with a radiation input / output unit, and the reflector may be a mirror coating at its end. There are no special requirements for the stability of the optical characteristics of these elements of the delay lines.
  • the second emitter can be made emitting a signal with a given time delay after it receives a signal from the first emitter. This option is preferable at large distances, when the reflected signal is too weak.
  • a maser or laser as a source of the electromagnetic signal in the proposed device significantly increases the range of measured distances and simplifies adjustment, i.e. installation of all elements along the signal path.
  • a laser capable of emitting an auxiliary visible (continuous, for example) beam can be used.
  • the radiation pulse of the maser or laser is shaped in accordance with the selected logic for determining the moment of registration of the signal.
  • the device in which elementary particle flows and corresponding emitters and sensors are used as a signal.
  • the speed of the signal coincides with the speed of light.
  • the signal source may, depending on the design of the sensors and the signal identification algorithm, contain means for generating packages with the same particle velocities with an accuracy, for example, up to ⁇ c ⁇ c ⁇ l / l, where ⁇ vic Is the maximum dispersion of particle velocities, 1 is the determined distance, s is the signal propagation velocity, i.e., in this case, of particles, ⁇ l is the permissible error of distance measurement.
  • the detector If the detector is triggered by the leading edge of the pulse, then it is not necessary to separate particles by velocities, because maximum speed is determined by the nature of the source of elementary particles. The speed of the corpuscular signals is much lower. the speed of light, respectively, increases the accuracy of distance measurements.
  • the distance from the signal emitter to the first sensor does not affect the operation of the device and can be selected from design requirements.
  • the emitter and the first sensor can be fixed on a common platform for them so that the signal from the emitter passes through the first sensor during any movement of the platform and when the device is further adjusted, their relative position does not change, but only the position is selected in which the second sensor also turns out to be in the signal path.
  • a second sensor with a second emitter (or a mirror with a delay line) can be fixed relative to each other.
  • the second sensor is proposed to be made “point-like”, i.e. the length of the sensitive region along the possible directions of the signal is less than the permissible measurement error, and the reflector should be made in the form of a back reflector (for example, a micro-angle) of such an area that the solid angle at which it is visible from the location of the second sensor overlaps the possible directions of the signal.
  • a back reflector for example, a micro-angle
  • FIG. Shows an illustration of a method in the embodiment with repetition of measurement in the opposite direction of the signal. Details (including a source and receiver control system, a system for acquiring, transmitting, processing and displaying information, attachment points, milestones, the scattered part of the signal, etc.) are not given. Designations:
  • An example of a specific design can be, for example, a device that implements a reference distance of one hundred meters, in which: - a femtosecond laser with a pulse duration of 10 fs is installed at a distance lm in front of the sensor of the first receiver, the radiation of which is duplicated by radiation for ease of adjustment in continuous mode in the visible region of the spectrum;
  • the secondary source is a silver mirror mounted at a distance lm behind the sensor of the second receiver;
  • control unit is a computer equipped with controllers and actuating units, providing, with the help of a given program, automatic and manual remote control of the signal emitter, taking information from receivers, calculating the distance according to specified algorithms, repeating measurements a specified number of times or over a specified time, statistical processing information display results (except for the measured distance, these are: signal parameters, measurement scheme, results of individual measurements, graphical scatter image, number of measurements, dispersion, refractive index of the signal propagation medium, date, number, graphs, tables, etc.).
  • the sensors of the receivers are introduced, using the mechanism of the positioning units, into the visible laser beam and align the mirror so that the reflected beam spatially coincides with the incident one;
  • the pulse duration should be of the order of 3 fs.
  • the proposed method of measuring distance and a device for its implementation provide the elimination of regular errors, reduce the measurement of distance to measuring only time in a wide range of distances. They exclude the use of elements that affect the measured time period to the maximum. In this case, no control reference segments are required and there are no special requirements for the characteristics of emitters and mirrors, in particular, signal coherence is not required.
  • the hardware component of the absolute measurement error does not depend on the measured distance, because the speed of light is known exactly (in contrast to the speed of other signals), therefore, the relative error decreases with increasing measured distance (inverse proportion), which is especially important with the metrological application of the invention.
  • Temporary selection allows using the proposed method to sift the reflected signals, because the latter do not extend in a straight line and come later, and increases the noise immunity.
  • the proposed device for implementing the proposed method allows with high accuracy to solve the inverse problem: determining the signal speed by the time it travels a known distance from the sensor to the sensor. Industrial applicability.
  • the applicability of the invention is based on the fact that emitters, incl. and tunable, easily accessible, the production of the required high-precision watches, including portable ones, has been mastered by the industry, and the required accuracy of manufacturing other units is within the limits achieved by electronic and machine-building technologies.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Для использования в метрологии, в навигации, в гео- и астрофизике предложены способ и устройство для прецизионного измерения больших расстояний без использования эталонных отрезков: регистрируют времена прохождения сигнала (6) последовательно через расположенные на концах измеряемого отрезка датчики (5) двух приемников (2 и 3), снабженных высокоточными часами, и по разности времен регистрации определяют расстояние. Измерение проводят при прямом и обратном направлениях распространения сигнала при неизменном положении приемников или, в другом варианте, меняя местами приемники и не меняя направления сигнала, а затем вычисляют среднее арифметическое полученных значений. Устройство содержит узлы для точного воспроизведения позиционирования приемников. Предусмотрено использование электромагнитных, акустических и корпускулярных сигналов.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭТОГО
Область техники.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для прецизионного измерения расстояний.
Преимущественное назначение - измерение больших расстояний с высокой точностью и задание эталонных расстояний для целей метрологии, навигации и геодезии.
Предшествующий уровень техники.
Известны способы определения длины отрезка, в которых измеряют фазовые сдвиги модулированного или немодулированного сигнала с использованием, например, фазометров или оптических мостов, где измеряемый отрезок является одним из плеч моста [патенты US: 4,531,833;
4,413,904; 4,105,332; 4,190,362; 4,403,857; 5,880,822; А. А. Генике, A. M. Афанасьев. Геодезические свето- и радиодальномеры. M.,Heдpa,1988г.]. Недостатком их является необходимость использования контрольных эталонных отрезков, а также вклад в неопределенность результата измерений процессов, происходящих в излучающих, фокусирующих, отражающих, детектирующих и других узлах. Известен также способ определения длины отрезка, в котором используют оптический резонатор, состоящий из неподвижного зеркала и подвижного зеркала, при перемещении которого считают события резонанса и по их количеству и длине волны используемого монохроматического света определяют пройденное зеркалом расстояние [патент US 3661464]. Недостатком этого способа является сложность, исключающая его использование для измерения значительных расстояний, и пропорциональность ошибки измеряемой длине.
Известны многочисленные локационные способы (и устройства для их осуществления) для определения длины отрезка (расстояния), широко используемые, например, в геодезии и в системах навигации, в т.ч. спутниковых [Например: Шебшаевич В.С. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы.-М.: Радио и связь, 1993, c.305- 309; RU 94018148, US 2008/0007711 Al]. Недостатком их являются ошибки (временные сдвиги), вносимые процессами в излучателях, отражателях и детекторах, требующие коррекции с использованием эталонных мер длины, что делает их неприемлемыми в качестве первичных эталонов расстояния. Измеряемое время при этом отличается от времени прохождения сигналом концов (конца) измеряемого отрезка из-за конечного (не определенного строго) времени срабатывания электронных управляющих и детектирующих устройств источника и приемника, из-за пространственной разнесенности концов измеряемого отрезка и точек, в которых происходит излучение, отражение и детектирование сигнала, и т.п. [US 5,880,821]. Коррекцию производят корректирующими добавками ко времени излучения сигнала и/или ко времени регистрации после прохождения сигналом измеряемого расстояния.
Известен также оптический дальномер, измеряющий расстояние по времени прохождения сигнала до отражателя и обратно и использующий один и тот же детектор для фиксирования моментов отправки и возвращения сигнала [U.S. 4,770,526], но эти сигналы подают на детектор по различным путям, что также приводит к необходимости коррекции измеряемого времени с помощью эталонных отрезков.
В приведенных выше локационных методах совсем не учитываются неопределенность точки отражения от зеркала (например, для многослойного диэлектрического зеркала или для уголкового отражателя) и временная задержка отражения (для любых зеркал). Серьезным недостатком локационных методов становится при измерении больших расстояний и низкая интенсивность отраженного сигнала. Дополнительным недостатком аналогов является необходимость регулярного проведения корректировки (калибровки), т.к. свойства устройств (например, быстродействие электронных элементов и узлов, длина и свойства световодов, геометрия всего устройства) зависят от таких факторов, как температура, влажность, продолжительность работы, срок службы и т.д. При проведении прецизионных измерений сличение с эталоном приходится неоднократно повторять даже в ходе определения длины одного отрезка, т.к. за время набора статистики меняются параметры дальномера.
Раскрытие изобретения.
Целью предлагаемого изобретения является создание возможности прямого высокоточного измерения и задания расстояний на основе принятого определения метра (1 метр — по соглашению - это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды) без использования эталонных мер длины, в т.ч. задание эталонных отрезков, повышение точности измерения больших расстояний, ускорение и упрощение процедуры измерения с микронной и субмикронной точностью.
Указанная цель в предлагаемом изобретении достигается тем, что датчики сигнала (в составе блоков, их содержащих, - далее «дaтчики») устанавливают на концах измеряемого отрезка, сигнал заданной формы подают вдоль и извне этого отрезка и определяют первое приближенное значение расстояния
Figure imgf000006_0001
где ti и t2 - зарегистрированные по заданному алгоритму моменты прохождения сигналом первого и второго датчиков, с — скорость распространения сигнала, затем сигнал подают либо с противоположной стороны отрезка (извне и вдоль него), либо меняют местами датчики, сохраняя прежнее направление сигнала, и определяют второе приближенное значение расстояния I2=c(tз-t4), где t3 и t4 - последовательные моменты регистрации прохождения сигналом датчиков, а точное расстояние определяют по формуле 1 = (Ii + l2)/2 = c[(t2-ti)+(t4-t3)]/2, причем время регистрируют высокоточными часами с накапливаемой за время измерения ошибкой определения времени Δt<Δl/c, где Δl - предельно допустимая ошибка измерения расстояния.
Для определения моментов реагирования датчиков с приемниками на сигнал используют высокоточные часы, например, атомные. Если измеряемое расстояние позволяет произвести коммутацию измерительной системы, обеспечивая строгий контроль и учет влияния линии связи на время прохождения по ней информации, могут быть использованы одни часы на два датчика с приемниками. Однако такую линию коммутации осуществить трудно даже на малых расстояниях.
В основном варианте способа моменты регистрации сигнала каждым из датчиков определяют отдельными синхронизированными или не синхронизированными высокоточными часами. Время регистрации можно передавать для последующего вычисления расстояния по любому каналу связи, но предпочтительным является беспроводной способ передачи.
Время регистрации может фиксироваться по переднему фронту сигнала при достаточной его крутизне или - для исключения влияния ослабления сигнала с расстоянием - по экстремуму сигнала, или по другому алгоритму, а использование коротких, например фемтосекундных, световых импульсов, упрощает эту задачу. Для исключения влияния посторонних сигналов используют селективные приемники и/или их датчики.
Предлагаемым способом можно измерять и задавать с точностью порядка τс (где τ - предельное временное разрешение часов, с — скорость сигнала) расстояния, величина которых ограничена сверху только возможностью доставки приемника к концам измеряемого отрезка, интенсивностью сигнала и чувствительностью датчиков. Смысл проведения измерений со сменой направления распространения сигнала или с обменом местами датчиков в том, что при вычислении средних арифметических значений полученных приблизительных длин, регулярные аппаратные погрешности взаимно уничтожаются. Действительно, если время прохождения сигнала через первый и второй датчики регистрируется с ошибками, которые обозначим δi и δ2 (алгебраические величины) соответственно, а точное время было tOi и tø соответственно при одном порядке прохождения сигналом датчиков и tоз и to4 — при обратном (времена tоi и to4 относятся к первому датчику, а времена tог и tоз — ко второму), то ti= tOi+ δь tг= to2+ δг, t3= t0з+ δ2, t4= tO4+ δi. Подставляя эти выражения в формулу для расчета точного расстояния, получим: 1 = c[(t2-t0+(t4-tз)]/2= c[(to2+δ2)-(toi+δi)+(to4+δi)-(toз+ δ2)]/2= =c[(to2-tOi)+(to4-toз)]/2, т.е. результат не зависит от регулярных ошибок в определении моментов прохождения сигнала через детекторы и совпадает с результатом, какой был бы при отсутствии этих ошибок. Это имеет место и при использовании неодинаковых датчиков, приемников или часов.
Существенно, что в варианте со сменой направления распространения сигнала на противоположное способ дает расстояние между датчиками, а в варианте с обменом местами датчиков — расстояние переноса их, а не расстояние между датчиками. Поэтому обмен позиций датчиков производят с точностью, превышающей требуемую точность измерения расстояния, причем для исключения влияния геометрических различий датчики устанавливают на новых позициях без поворота по отношению к их прежней пространственной ориентации. Подачу сигнала с двух противоположньж сторон измеряемого отрезка, используемую в варианте способа, осуществляют следующими способами: - производят измерения по базовой процедуре при одном положении излучателя сигнала, а затем переносят этот же излучатель на другую сторону от измеряемого отрезка и повторяют измерения;
- используют два излучателя сигнала, расположенные по разные стороны измеряемого отрезка, и производят измерения по базовой процедуре сначала с использованием одного излучателя, а затем - с использованием другого;
- используют сигнал от одного излучателя и фиксируют времена детектирования приемниками этого сигнала и сигнала, отраженного в обратную сторону отражателем, который устанавливают по другую от излучателя сторону измеряемого отрезка.
При использовании вариантов способа со сменой мест приемников и со сменой направления распространения сигнала ноль отсчета времени у часов может не совпадать — это не повлияет на результат измерения расстояния, т.е. накапливаемые за длительные сроки расхождения часов не влияют на результат измерения расстояния. Следовательно, нет необходимости «cвepять чacы». Для получения отрезка, например, эталона, заданной длины устанавливают детекторы по концам отрезка, отмеренного грубо, а затем один или оба приемника перемещают, чередуя эти перемещения с проведением измерения по предлагаемому способу, до получения требуемого отрезка.
Для минимизации случайных ошибок — по всем предложенным вариантам способа - измерения повторяют необходимое количество раз, и результаты подвергают необходимой математической (статистической) обработке. Для исключения влияния среды (например, при использовании световых сигналов) повторяют измерения на другой частоте излучения и вычисляют истинное расстояние по известным алгоритмам. Для задания эталонных расстояний измерения проводят в вакууме или в заданной среде при заданных условиях. Для осуществления предложенного способа определения расстояния (в частности, эталонного) предлагается устройство, включающее излучатель (или излучатели) сигнала заданной формы, приемник (или приемники) с датчиками этого сигнала, высокоточные часы, регистрирующие моменты достижения сигналом датчиков и с накапливаемой за время измерения ошибкой определения времени Δt<Δl/c, где Δl — предельно допустимая ошибка измерения расстояния, с - скорость распространения сигнала, и средства, позволяющие установить излучатель (или излучатели) и датчики вдоль траектории сигнала, а также систему управления, включающую средства для управления излучателем (излучателями) и приемником (приемниками), для съема, обработки, хранения, передачи и отображения информации.
В варианте устройства, исключающем влияние линий связи, каждый датчик сигнала снабжен своим приемником и своими высокоточными часами. В этом случает датчики со своими приемниками и часами могут быть выполнены в виде блоков регистрации одинаковой конструкции и геометрии.
Для создания возможности использования предлагаемого устройства для определения расстояния до подвижных объектов или между ними, а также для повышения удобства работы, особенно при больших измеряемых расстояниях, средства передачи информации предлагается выполнить беспроводными.
Для точного и воспроизводимого позиционирования датчиков или блоков регистрации на концах измеряемого отрезка при использовании способа с обменом их местами или при процедуре метрологического сличения, устройство содержит прецизионные установочные узлы с линейной погрешностью меньшей, чем Δl.
Для упрощения определения расстояния между датчиками и расстояния переноса датчиков при обмене позициями установочные узлы могут быть выполнены идентичными друг другу и со служащими вехами элементами с выделенной точкой (пирамиды, конусы, перекрестия оптической системы и т.п.). Сигнал может быть электромагнитным (включая радиоволны, оптическую и рентгеновскую области спектра, гамма-излучение), акустическим (в заданных проводниках сигналов), а также корпускулярным. Соответствующими должны быть излучатели и датчики.
Предпочтительнее датчики с малой протяженностью чувствительной области вдоль направления распространения сигнала и точно определяемой ее локализацией. Датчиками могут являться, например, тонкие пленочные элементы, плоскости которых перпендикулярны направлению распространения сигнала, а упомянутая протяженность может составлять нанометры. Датчики могут иметь малую протяженность и в двух или трех направлениях («нитoчныe» и «тoчeчныe» датчики). Для больших расстояний, на определение которых, в основном, и направлено предлагаемое изобретение, проблемы попадания одного миниатюрного датчика в тень от другого нет (в частности, и благодаря дифракции сигнала), но, при необходимости, датчики могут быть выполнены прозрачными, например, на основе полупрозрачных полупроводниковых пленок, или могут быть смещены друг относительно друга в поперечном для измеряемого отрезка направлении.
При требуемых, например, в метрологии для задании эталонных отрезков, точностях измерения расстояния существенное значение приобретают времена прохождения электрических сигналов в трактах приема и обработки, т.е. размеры электронных элементов и проводников, поэтому предпочтительнее интегральное исполнение тракта от детектора до регистратора времени (в одном чипе, например). Для осуществления варианта предложенного способа, в котором измерение повторяют при противоположном направлении распространения сигнала, предлагаемое устройство включает второй излучатель сигналов (причем сигналы излучателей могут отличаться по типу и характеристикам) или отражатель с линией задержки. Линия задержки должна быть такой, чтобы удвоенное время ее прохождения сигналом было больше временного разрешения системы регистрации второго приемника (иначе отраженный сигнал не будет регистрироваться приемником еще не готовым для этого). Например, для сигнала оптического диапазона линией задержки может служить снабженный узлом ввода-вывода излучения протяженный гибкий световод достаточной длины (который можно смотать), а отражателем может быть зеркальное покрытие на его торце. Особых требований к стабильности оптических характеристик этих элементов линий задержки нет.
Второй излучатель может быть выполнен испускающим сигнал с заданной временной задержкой после попадания на него сигнала от первого излучателя. Данный вариант предпочтительнее при больших расстояниях, когда отраженный сигнал слишком слаб.
Использование в предлагаемом устройстве в качестве источника электромагнитного сигнала мазера или лазера значительно увеличивает диапазон измеряемых расстояний и упрощает юстировку, т.е. установку всех элементов вдоль траектории сигнала. Для этого можно использовать лазер, способный излучать вспомогательный видимый (непрерывный, например) луч. Импульсу излучения мазера или лазера придают форму, соответствующую выбранной логике определения момента регистрации сигнала.
Вариантом устройства, в котором в качестве сигнала используются потоки элементарных частиц и соответствующие излучатели и датчики. В случае использования γ-частиц скорость сигнала совпадает со скоростью света. В случае же использования, например, α- или β-частиц источник сигнала может, в зависимости от конструкции датчиков и алгоритма идентификации сигнала, содержать средство для формирования посылок с одинаковыми скоростями частиц с точностью, например, до Δc<cΔl/l, где Δс — максимальный разброс скоростей частиц, 1 - определяемое расстояние, с - скорость распространения сигнала, т.е., в данном случае, частиц, Δl — допустимая погрешность измерения расстояния. Если детектор срабатывает по переднему фронту импульса, то сепарировать частицы по скоростям не нужно, т.к. максимальная скорость определяется природой источника элементарных частиц. Скорость корпускулярных сигналов значительно меньше скорости света, соответственно возрастает точность измерения расстояний.
Расстояние от излучателя сигнала до первого датчика не влияет на работу устройства и может быть выбрано из конструктивных требований. Например, излучатель и первый датчик могут быть зафиксированы на общей для них платформе так, чтобы сигнал от излучателя проходил через первый датчик при любых перемещениях платформы и при дальнейшей юстировке устройства их взаимное расположение не менялось, а лишь подбиралось положение, при котором второй датчик тоже оказывался на пути сигнала. Аналогичным образом и второй датчик со вторым излучателем (или зеркалом с линией задержки) могут быть зафиксированы относительно друг друга.
Для упрощения юстировки в случае использования отражателя второй датчик предлагается выполнить «тoчeчным», т.е. протяженность чувствительной области которого вдоль возможных направлений сигнала меньше допустимой ошибки измерения, а отражатель выполнить в виде обратного отражателя (например, микроуголкового) такой площади, чтобы телесный угол, под которым он виден из точки расположения второго датчика, перекрывал возможные направления поступления сигнала. При этом исполнении достаточно, чтобы сигнал от источника, прошедший через датчик первого приемника, попал на датчик второго приемника, а юстировки отражателя не требуется.
Краткое описание чертежей. На схеме (Фиг.) приведена иллюстрация способа в варианте с повторением измерения при противоположном направлении сигнала. Подробности (включая систему управления источником и приемниками, систему съема, передачи, обработки и отображения информации, узлы крепления, вехи, рассеянная часть сигнала и т.д.) не приведены. Обозначения:
1 - излучатель сигнала,
2 - первый приемник с часами,
3 - второй приемник с часами, 4 - отражатель, 5 - датчики сигнала («тoчeчныe»),
6 - сигнал (стрелками указаны направления до и после отражения).
Вариант осуществления изобретения.
Примером конкретного исполнения может служить, например, устройство, реализующее эталонное расстояние в сто метров, в котором: - излучателем сигнала служит фемтосекундный лазер с длительностью импульса 10 фс, установленный на расстоянии lм перед датчиком первого приемника, излучение которого, для удобства юстировки, продублировано излучением в непрерывном режиме в видимой области спектра;
- два установленных на расстоянии 100 м друг от друга блока, каждый из которых содержит «тoчeчный» датчик из бескорпусного фотодиода, цезиевые атомные часы, узел регистрации времени по сигналам с датчика, узел преобразования информации и устройство беспроводной передачи данных; функцию узлов точного позиционирования выполняют геометрически тождественные друг другу трехточечные опоры, основания которых снабжены направляющими, микрометрическими парами
(Конструирование приборов. Под ред. В. Краузе. M., «Maшинocтpoeниe, 1987 г., с. 196-198), вехами в виде стальных пирамид и элементами для обеспечения одинаковой ориентации опор с вехами; - вторичным источником служит серебряное зеркало, установленное на расстоянии lм за датчиком второго приемника;
- блоком управления служит компьютер, снабженный контроллерами и исполнительными узлами, обеспечивающий, с помощью заданной программы автоматическое и ручное дистанционное управление излучателем сигнала, съем информации с приемников, вычисление расстояния по заданным алгоритмам, повтор измерений заданное количество раз или в течение заданного времени, статистическую обработку информации, отображение результатов (кроме измеренного расстояния, это: параметры сигнала, схема измерений, результаты отдельных измерений, графическое изображение разброса, число измерений, дисперсия, коэффициент преломления среды распространения сигнала, дата, номер, графики, таблицы и т.п.).
Примером использования предлагаемого способа является следующий порядок действий с использованием устройства, описанного выше как пример конкретного исполнения:
- задают на блоке управления выбранный вариант способа измерения,
- задают параметры сигнала; - устанавливают с возможной предварительной точностью узлы позиционирования датчиков и обеспечивают одинаковую ориентацию опор с вехами,
- во вспомогательном режиме непрерывного излучения лазера вводят, с помощью механизма узлов позиционирования, в видимый луч лазера датчики приемников и юстируют зеркало так, чтобы отраженный луч пространственно совпал с падающим;
- проводят серию измерений при данном положении компонентов устройства: измеряют ti, t2, t3 и t4 (времена, зафиксированные двумя приемниками на пути луча туда и обратно);
- собирают эти результаты, вычисляют расстояние
1 =c[(t2- ti)+(t4- t3)]/2 и усредняют его по проведенному ряду измерений, проводят статистическую обработку; - повторяют измерения на другой длине волны, по сравнению полученных результатов исключают погрешность, вносимую средой, и вычисляют истинное расстояние между датчиками.
При отличии полученного результата от требуемых ста метров, с помощью микровинтов установочных узлов ликвидируют эту разницу и повторяют действия до получения заданного отрезка с заданной точностью.
Использование сигналов с длительностью меньше, чем Δl/с, позволяет не заботиться об алгоритме регистрации сигнала и обходиться меньшим числом измерений для набора необходимой статистки. При допустимой погрешности Δl = lмкм, длительность импульса должна быть порядка 3 фс.
Предложенный способ измерения расстояния и устройство для его осуществления обеспечивают исключение регулярных ошибок, сводят измерение расстояния к измерению только времени в широком интервале расстояний. В них максимально исключено использование элементов, влияющих на измеряемый промежуток времени. При этом не требуются какие-либо контрольные эталонные отрезки и нет особых требований к характеристикам излучателей и зеркал, в частности, не требуется когерентности сигнала. Определение больших расстояний, в т.ч. с субмикронной точностью, которое обеспечивает предлагаемое изобретение, необходимо для использования в спутниковых системах определения координат (в т.ч. для контроля и коррекции систем самих спутников и определяемых коорднат), в других системах навигации, в т.ч. в системах подводной навигации (в случае использования акустического сигнала и соответствующих излучателей и приемников), для геофизических исследований (сдвиги земной поверхности, перемещение континентов, деформации земной коры, являющиеся предвестниками землетрясений и др.), для измерений в космосе и т.п. При использовании предлагаемого изобретения в варианте с использованием электромагнитного сигнала аппаратная составляющая абсолютной погрешности измерения не зависит от измеряемого расстояния, т.к. скорость света известна точно (в отличие от скорости других сигналов), следовательно, относительная погрешность уменьшается с увеличением измеряемого расстояния (обратная пропорция), что особенно существенно при метрологическом применении изобретения.
Временная селекции позволяет при использовании предлагаемого способа отсеивать переотраженные сигналы, т.к. последние распространяются не по прямой и приходят позже, и повышает помехозащищенность. Предлагаемое устройство для осуществления предлагаемого способа позволяет с высокой точностью решать и обратную задачу: определение скорости сигнала по времени прохождения им известного расстояния от датчика до датчика. Промышленная применимость.
Применимость предлагаемого изобретения основана на том, что излучатели, в т.ч. и перестраиваемые, легко доступны, производство требуемых высокоточных часов, в том числе и переносных, освоена промышленностью, а требуемая точность изготовления других узлов находится в пределах, достигнутых электронной и машиностроительной технологиями.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ прецизионного измерения расстояния, заключающийся в том, что измеряют время прохождения сигналом заданного отрезка, отличающийся тем, что датчики сигнала (в составе блоков, их содержащих - далее «дaтчики») устанавливают на концах измеряемого отрезка, сигнал заданной формы подают вдоль и извне этого отрезка и определяют первое приближенное значение расстояния Ii=c(t2-ti), где ti и t2 - зарегистрированные по заданному алгоритму моменты прохождения сигналом первого и второго датчиков, а с — скорость распространения сигнала, затем сигнал подают либо с противоположной стороны отрезка (извне и вдоль него), либо меняют местами датчики, сохраняя прежнее направление сигнала, и определяют второе приближенное значение расстояния l2 =c(t4-tз), где tз и U — последовательные моменты регистрации прохождения сигналом датчиков, а точное расстояние определяют по формуле 1 = (Ii + l2)/2, причем время регистрируют высокоточными часами с накапливаемой за время измерения ошибкой определения времени Δt<Δl/c, где Δl — предельно допустимая ошибка измерения расстояния.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что моменты регистрации сигнала каждым из датчиков определяют отдельными синхронизированными или не синхронизированными высокоточными часами.
3. Устройство для прецизионного определения расстояния, включающее излучатель сигнала, приемник сигнала и узел регистрации времени, отличающееся тем, что включает излучатель или излучатели сигнала заданной формы, приемник (приемники) с датчиками этого сигнала, высокоточные часы, регистрирующие моменты достижения сигналом датчиков и с накапливаемой за время измерения ошибкой определения времени Δt<Δl/c, где Δl - предельно допустимая ошибка измерения расстояния, с - скорость распространения сигнала, и средства, позволяющие установить излучатель (или излучатели) и датчики вдоль траектории сигнала, а также систему управления, включающую средства для управления излучателем (излучателями) и приемником (приемниками), для съема, обработки, хранения, передачи и отображения информации.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что каждый датчик сигнала снабжен своим приемником и своими высокоточными часами.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что средства передачи информации выполнены беспроводными.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что датчики со своими приемниками и часами выполнены в виде блоков регистрации одинаковой конструкции и геометрии.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что содержит прецизионные установочные узлы для точного и воспроизводимого позиционирования датчиков или блоков регистрации с линейной погрешностью меньшей, чем Δl .
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что установочные узлы идентичны друг другу и каждый имеет служащий вехой элемент с выделенной точкой.
9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что включает два излучателя с возможностью подачи сигнала с разных сторон (вдоль) измеряемого отрезка.
10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что вторым излучателем служит отражатель с линией задержки или без нее.
11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что излучатель сигнала — радиочастотный.
12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что радиочастотным излучателем служит мазер.
13. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что излучатель сигнала - оптический.
14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что излучателем сигнала служит лазер.
15. Устройство по любому из п.п. 3, 12 - 14, отличающееся тем, что излучатель сигнала — перестраиваемый по частоте.
16. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что излучатель сигнала — акустический.
17. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что излучателем сигнала является источник элементарных частиц.
18. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что взаимное расположение излучателя и ближайшего к нему датчика зафиксировано на общей для них платформе так, что сигнал от источника проходит через датчик при любом положении платформы.
19. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что второй датчик выполнен «тoчeчным» (протяженность меньше, чем Δl), а второй излучатель выполнен в виде обратного отражателя такой площади, чтобы телесный угол, под которым он виден из точки расположения этого датчика, перекрывал возможные направления поступления сигнала.
20. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что содержит средство для создания между датчиками требуемой среды (твердой, жидкой, газовой или вакуума).
PCT/RU2009/000527 2008-10-16 2009-10-09 Способ измерения расстояния и устройство для этого WO2010044699A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008141062 2008-10-16
RU2008141062/28A RU2481554C2 (ru) 2008-10-16 2008-10-16 Способ измерения расстояния и устройство для этого (варианты)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010044699A1 true WO2010044699A1 (ru) 2010-04-22

Family

ID=41046882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2009/000527 WO2010044699A1 (ru) 2008-10-16 2009-10-09 Способ измерения расстояния и устройство для этого

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2481554C2 (ru)
WO (1) WO2010044699A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2567866C2 (ru) * 2014-03-24 2015-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ измерения расстояния от излучателя до контролируемого объекта на основе чм локатора
GB201614330D0 (en) 2016-08-22 2016-10-05 Univ Of Sussex The Attitude determination system
RU183346U1 (ru) * 2018-03-28 2018-09-18 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Лазерно-фотометрическое устройство измерения геометрических параметров поверхности криволинейных объектов

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2041481C1 (ru) * 1992-11-14 1995-08-09 Малое инновационно-коммерческое предприятие "ИннКо" Устройство для автоматического измерения расстояния между двумя объектами
RU2101730C1 (ru) * 1996-07-23 1998-01-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Способ измерения расстояния и устройство для его осуществления
RU2121699C1 (ru) * 1992-12-22 1998-11-10 Научно-исследовательский институт механики при Нижегородском государственном университете им.Н.И.Лобачевского Способ измерения расстояния
RU2267743C1 (ru) * 2004-05-31 2006-01-10 Лев Петрович Гаврилюк Бесконтактный способ определения расстояний до объекта и устройство для его осуществления
RU2280261C2 (ru) * 2000-05-08 2006-07-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Способ и устройство для компенсации частотной погрешности гетеродина

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5574552A (en) * 1995-01-19 1996-11-12 Laser Technology, Inc. Self-calibrating precision timing circuit and method for a laser range finder
TW523635B (en) * 2002-03-28 2003-03-11 Asia Optical Co Inc Camera with ranging function

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2041481C1 (ru) * 1992-11-14 1995-08-09 Малое инновационно-коммерческое предприятие "ИннКо" Устройство для автоматического измерения расстояния между двумя объектами
RU2121699C1 (ru) * 1992-12-22 1998-11-10 Научно-исследовательский институт механики при Нижегородском государственном университете им.Н.И.Лобачевского Способ измерения расстояния
RU2101730C1 (ru) * 1996-07-23 1998-01-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Способ измерения расстояния и устройство для его осуществления
RU2280261C2 (ru) * 2000-05-08 2006-07-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Способ и устройство для компенсации частотной погрешности гетеродина
RU2267743C1 (ru) * 2004-05-31 2006-01-10 Лев Петрович Гаврилюк Бесконтактный способ определения расстояний до объекта и устройство для его осуществления

Also Published As

Publication number Publication date
RU2481554C2 (ru) 2013-05-10
RU2008141062A (ru) 2009-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Brisken et al. Very long baseline array measurement of nine pulsar parallaxes
US4268167A (en) Distance measuring system
JP5235412B2 (ja) レーザ追跡装置、レーザ・デバイス及び方法
CN106643702B (zh) 基于x射线的vlbi测量方法和系统以及地面验证装置
CN101319898B (zh) 测量系统
Boynton et al. Precision Measurement of the Frequency Decay of the Crab Nebula Pulsar, NP 0532
CN108594258A (zh) 基于多普勒效应的修正式测速传感器及其标定与测量方法
WO2010044699A1 (ru) Способ измерения расстояния и устройство для этого
JPH0652170B2 (ja) 光結像式非接触位置測定装置
US4678337A (en) Laser based gaging system and method of using same
US4600301A (en) Spinning disk calibration method and apparatus for laser Doppler velocimeter
US3614239A (en) Photoelectric space-object position measuring device
JPS636483A (ja) 時間間隔測定装置
US3722258A (en) System for measuring time difference between and synchronizing precision clocks
US3634011A (en) Optical range finder
US6400447B1 (en) Differentiation of targets in optical station based on the strength of the reflected signal
EP0480027A1 (en) Method and device for determining the thickness of a glass tube
Curran et al. Digital ABS laser sounder bathymetry
RU2698699C1 (ru) Способ воспроизведения единицы длины в лазерных дальномерах на основе интерферометра Майкельсона
RU2091711C1 (ru) Способ измерения дальности и устройство для его осуществления
RU2238521C1 (ru) Способ определения векторов воздушной и земной скоростей, угла сноса летательного аппарата и комплексное лазерное устройство его реализации
RU2046343C1 (ru) Устройство для измерения скорости объекта
US3606549A (en) Ring laser inertial angle encoder
JPH11304898A (ja) 位置標定方法及びその装置
RU2626973C1 (ru) Оптическое устройство для определения расстояний до объекта

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09820816

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09820816

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1