Лазерный дальномер

 

ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР, содержащий первый лазер, с первым выходом которого оптически связаны последовательно установленные светоделитель, внешний оптический отражатель и плоское зеркало, оптически связанное с - входом первого фотоэлектрического преобразователя, подключенного выходом через первый детектор с фильтром нижних частот к первому входу фазометра , оптически связанный вход,ом со светоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенный выходом через второй детектор с фильтром нижних частот к второму входу фазометра , фотоэлектрический преобразователь частот, входом оптически связанный с вторым выходом первого лазера , а выходом - с первым входом блока фазовой автоподстройки, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к управляющему входу первого лазера, а также кварцевый генератор, первый выход которого через умножитель частоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выход подключен к входу делителя частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, 9 в него дополнительно введены второй ko лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аттенюаторы с входами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, последовательно включенные двухканальный синтезатор частот, коммутатор и второй блок фазовой автоподстройки, выход которого подключен к управляюще 1 му входу второго лазера, при этом фотоэлектрический преобразователь ел частот выполнен двухканальным, вход его второго канала оптически соедиi;o нен с вторым выходом второго лазера, 00 выход - с вторым входом второго блока фазовой автоподстройки, а вход двухканального синтезатора частот подключен к выходу делителя частоты.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК (19) (11) (511 4 01 С 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

По ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3477158/40-23 (22) 10.06.82 (46) 15.09.87. Бюл. У 34 (72) А.M.Àíäðóñåíêî, В.П.Данильченко, В.С.Купко, И.В.Лукин и А.В.Прокопов (53) 621.373.8(088.8) (56) Сундуков А.Я.Геодезические работы при возведении крупных промышленных сооружений и высотных зданий.

И., "Недра", 1980, с. 84.

Андрусенко А.M. и др. Поверочная установка высокой точности для воспроизведения единицы длины в области больших длин, Иурнал "Измерительная техника", М 2, 1981, с. 31. (54)(57) ЛАЗЕРНЫЙ gAJIbHOMEP, содержащий первый лазер, с первым выходом которого оптически связаны последовательно установленные светоделитель, внешний оптический отражатель и плоское зеркало, оптически связанное с .входом первого фотоэлектрического преобразователя, подключенного выходом через первый детектор с фильтром нижних частот к первому входу фазометра, оптически связанный входом со светоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенный выходом через второй детектор с фильтром нижних частот к второму входу фазометра, фотоэлектрический преобраэователь частот, входом оптически связанный с вторым выходом первого лазера, а выходом — с первым входом блока фазовой автоподстройки,. второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход — к управляющему входу первого лазера, а также кварцевый генератор, первый выход которого через умножитель частоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выход подключен к входу делителя частоты, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, а в него дополнительно введены второй лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аттенюаторы с входами первого и второго фотоэлек- Сю трических преобразователей, последовательно включенные двухканальный синтезатор частот, коммутатор и второй блок фазовой автоподстройки, выход которого подключен к управляюще- { ) му входу второго лазера, при этом 3 фотоэлектрический преобразователь,Сл частот выполнен двухканальным, вход

его второго канала оптически соединен с вторым выходом второго лазера, .выход — с вторым входом второго блока фазовой автоподстройки, а вход двухканального синтезатора частот подключен к выходу делителя частоты.

1 107579

Предлагаемое устройство для измерения расстояния относится к области дальнометрии и может быть ис.пользовано, в частности в метрологи5 ческих целях, для высокоточных геодезических измерений, при юстировке крупногабаритных радиоинтерферометров и ряде других работ.

Известен лазерный дальномер, со. держащий лазер, фотоприемник, генератор опорного напряжения и фазовый детектор.

Недостатком его является низкая точность измерения дальности примени- 15 тельно к требованиям прецизионных измерений.

Наиболее близким к настоящему устройству является лазерный дальномер, используемый в качестве дально- Zp мерной части поверочнОй установки высшей точности. Он содержит двухчастотный лазер, фотопреобразователи измерительного и опорного каналов, опорный кварцевый генератор, умножи- 25 тель частоты, делитель частоты, фазовый детектор и синтезаторы-преобразователи измерительного и опорного каналов.

Недостатком его является недоста-. 30 точно высокая точность измерений дальности за счет влияния фазовых сдвигов информационных сигналов, происходящих во внутренних цепях лазерного дальномер а.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее первый лазер, с первым вы- .4 ходом которого оптически связаны последовательно установленные .светоделитель, внешний оптический отражатель и плоское зеркало, оптически связанное со входом первого фотоэлектричес- 4 кого преобразователя, подключенного выходом через первый детектор с фильтром нижних частот к первому входу фазометра, оптически связанный входом со светоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенный выходом через второй детектор с фильтром нижних частот ко второму входу фазометра, фотоэлектрический преобразователь частот, входом оптически свя55 занный с вторым выходом первого лазера, а выходом — с первым входом первого блока фазовой автоподстройки, второй вход которого подключен к вы8 г ходу делителя частоты, а выход - к управляющему входу первого лазера, а также кварцевый генератор, первый вход которого через умножитель частоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выход подключен ко входу делителя частоты, дополнительно введены второй лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аннтеюаторы со входами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, последовательно включенные двухканальный синтезатор частот, коммутатор и второй блок фазовой айтоподстройки, выход которого подключен к управляющему входу второго лазеоа. IIDH этом фотоэлектрический преобразователь, частот выполнен двухканальным, вход

его второго канала оптически соединен со вторым выходом второго лазера, выход — со вторым входом второго блока фазовай автоподстройки, а вход двухканального синтезатора частот подключен к выходу делителя частоты.

На чертеже изображена структурная схема лазерного дальномера, в состав которого входят: первый лазер 1, второй лазер 2, первый блок фазовой авто. подстройки 3, второй блок фазовой автоподстройки 4, двуканальный фотоэлектрический преобразователь частот

5, первый фотоэлектрический преобразователь 6, светоделитель 7, внешний оптический отражатель 8, кварцевый генератор 9, умножитель частоты 10, делитель частоты 11, двухканальный синтезатор частот 12, коммутатор 13, первый детектор с фильтром нижних частот 14, второй детектор с фильтром нижних частот 15, фаэометр 16, второй фотоэлектрический преобразователь 17, плоское зеркало 18, первый оптический аттенюатор 19, второй оптический аттенюатор 20.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Лазеры 1 и 2 работают в двухчастотном режиме и каждый излучает колебания, состоящие из двух частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные Не-Ne-.ëàçåðû с

М и 0,63 мкм и интервалом частот между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями около 500,.5 Мгц).

Каждый лазер имеет электрическую подстройку частоты генерируемых коленими, например, g f, = 500,5 МГц, а лазер 2 с интервалом частот f =

= 500, 495 Мгц и дк2= 500,505 Мгц в зависимости от состояния коммутатора 13. Стабильность величины частотных интервалов будет определяться стабильностью частоты кварцевого генератора .9 °

Сигнал лазера 1 поступает на светоделитель 7, который делит его на опорный и зондирующий сигналы. Опорный сигнал поступает непосредственно на второй фотоэлектрический преобразователь 17, а зондирующий сигнал направляется на внешний оптический отражатель 8, расположенный на удаленном конце измеряемого расстояния.

После отражения зондирующий сигнал возвращается и зеркалом 18 направляется на первый фотоэлектрический преобразователь. Луч лазера 2 при помощи полупрозрачных оптических аттенюаторов 19 и 20 делится на два сигнала, которые под некоторым углом направляются в те же входы первого и второго фотоэлектрических преобразователей, в которые поступают опорный и отраженный внешним отражателем зондирующий сигнал, соответственно. Перз 107579 баний за счет установки одного из его зеркал на пьезокерамическом преобразователе. Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала: зонди-!! !!

5 рующий — через прозрачное зеркало лазера и опорный — через "глухое" зеркало лазера. При этом интенсивность ,опорного сигнала составляет около одного процента от интенсивности 10 зондирующего сигнала. Опорные сигналы обоих лазеров поступают на двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 и используются для автоподстройки величины частотных 15 интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями.

Двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 представляет собой два отдельных фотоэлектрических умножителя (ФЭУ), помещенных в общий коаксиальный резонатор, возбуждаемый электрическим гетеродинным сигналом и создающий переменное электричесг кое поле в прикатодной области рас- 25 положенных в нем ФЭУ.

Гетеродинный сигнал поступает от умножителя частоты 10, который умножает частоту опорного кварцевого генератора 9 (например, частота опорного кварцевого генератора — 5 МГц, частота гетеродинного сигнала — 500 МГц).

В двухканальном фотоэлектрическом преобразователе частоты осуществляется двойное преобразование частоты: на фотокатодах ФЭУ выделяется электрический сигнал с частотой, соответственно, равной разности частот, излучаемых двухчастотными лазерами оптических колебаний, и затем, за счет 40 преобразования частоты в прикатодной области образуется электрический сигнал с разностнай частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждения коак- 45 сиального резонатора (так, при величине интервала частот лазера 1 df — 500,5 МГц и интервала частот лазера 2 If = 500,505 МГц на выходах

ФЭУ появляются электрические сигналы с частотами 500 кГц и 505 кГц, соответственно). Эти сигналы поступают на фазовые детекторы первого и второго блоков фазовой автоподстройки

3 и 4 и сравниваются по фазе с сигна- 5 лами, поступающими от делителя частоты 11 — для автоподстройки лазера 1, а поступающими от двухканального синтезатора частот 12 через коммутатор 13 — для автоподстройки лазера 2.

Получаемые сигналы рассогласования усиливаются и подаются на пьезокерамические преобразователи этих лазеров, которые изменяют длину их оптических резонаторов, и таким образом, поддерживают номинальное значение интервалов частот между генерируемыми оптическими колебаниями. Двухканальный синтезатор частот образует два электрических сигнала с частотами, незначительно отличающимися от частоты сигнала на выходе делителя частоты 11 и симметрично по отношению к ней расположенными (например, частота сигнала на выходе делителя равна 500 кГц, а на выходе синтезатора 495 кГц и 505 кГц). Коммутатор

13 позволяет попеременно подключать один иэ сигналов с выхода синтезатора 12 на второй блок фазовой автоподстройки 4 лазера 2 и, таким образом, дискретно изменять величину частотного интервала между генерируемыми этим лазером двумя оптическими коле-. баниями. Таким образом, за счет системы фазовой автоподстройки лазер 1 будет генерировать два оптических колебания с интервалом частот между

1075798 вый и второй фотоэлектрические преобразователи 6 и 17 устроены аналогично фотоэлектрическому преобразователю частоты 5 и их коаксиальные ре5 зюнаторы возбуждаются от умножителя частоты 10 ° В фотоэлектрических преобразователях 6 и 17 также производится двойное преобразование частоты.

Так как на фотокатоды ФЭУ сигналы .от лазера 1 и от лазера 2 поступают под разными углами, то преобразование частоты излучения каждого лазера на фотокатод происходит независимо друг от друга и эффект оптического гетеродинирования отсутствует. Поэтому на фотокатоде каждого ФЭУ выделяются два элекрических сигнала с частотами, равными разности частот, излучаемых двухчастотными лазерами 1 и 2 оптических колебаний. 3а счет преобразования частоты в прикатодной области каждого ФЭУ образуются электрические сигналы с разностными частотами между частотами выделенных электрических сигналов и частотой возбуждения коаксиального резонатора сигналом гетеродинной частоты. Образующиеся в результате преобразования частоты электрические сигналы с суммарной частотой и сигналы с частотой выделенных на фотокатодах разностных . частот лежат вне полосы пропускания

ФЭУ частот и на их выходы не проходят, Таким образом, на выходах ФЭУ име35 ются суммы двух высокочастотных сигна1 лов с незначительно отличающимися частотами. Они поступают на детекторы с фильтрами нижних частот 14 и 15.

Постоянная времени этих фильтров зна- 40 чительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода биений между этими частотами. В резуль гате этого на выходе каждого фильтра выделяется сигнал с частотой биений.

Фаза электрического сигнала, снимаемого с выхода фильтра нижних час— тот 15 измерительного канала несет информацию о величине измеряемого расстояния, причем, единица измерительного масштаба определяется интервалом частот между генерируемыми лазером 1 и двумя оптическими колебаниями. Измерение фазы этого сигнала производится фазометром 16 по отношению к фазе сигнала, снимаемого с выхода детектора с фильтром нижних частот 14, Фазометр 16 измеряет суммарный фазовый сдвиг информационных сигналов, происходящий как за счет прохождения зондирующим лучом измеряемого расстояния, так и за счет прохождения информационных сигналов по внутренним цепям лазерного дальномера. Для уменьшения влияния нестабильности фазовых сдвигов информационных сигналов внутри лазерного дальномера на погрешность измерений расстояний, в процессе измерения может периодически производиться его калибровка при помощи калибровочной короткозамыкающей оптической линии задержки.

Повышение точности лазерного дальномера позволяет при его эксплуатации повысить точность, качество и экономическую эффективность метрологических, маркшейдерских и геодезических работ, систем навигации и др., а также получить новые данные о движениях земной коры. Экономический эффект получается за счет снижения себестоимости измерительных работ, требующих обеспечения высокой точности. Это происходит за счет существенного уменьшения количества измерений, необходимых для получения статистически достоверного результата с заданной точностью.

1075798

Техред M. Коданич Корректор М.Демчик

Редактор П. Горькова

Заказ 4152

Тираж 676 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4