Устройство для измерения расстояний

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель , модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник , выход которого через фазометр соединен с регистратором, а второй вход фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем непрерывного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления, оно снабжено дополнительным отражателем, вторым приемником , вторым фазометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между моду-, лятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответствующим оптическим осям, а выход втоа рого приемника через первые входы с последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого генератора , .второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра - с управлякицим входом модулятора и с выходом управляемого генератора. со эо

1 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5()4 G 01 С 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llo делАм изоБРетений и oTHpbITMA.(21) 3701695/24-10 (22) 16. 02. 84 (46) 15.08 ° 85. Бюл. N- 30 (72) А.Б.Бушуев, В.В.Григорьев, Ю.В.Литвинов и И.П.Салмыгин (71) Ленинградский ордена Трудового

Красного Знамени институт точной механики и оптики (53) 528.517(088.8) (56) 1. Патент США - 3779645, кл. G 01 С 3/10, 18.12.73.

2. Михеечев В.С. Геодезические светодальномеры. M., "Недра", 1979, с. 193-194 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАССТОЯНИЙ, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель, модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединен с регистратором, а второй вход фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем непрерывного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления, оно снабжено дополнительным отражателем, вторым приемки" ком, вторым фазометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между моду-, лятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответствующим оптическим осям, а выход вто рого приемника через первые входы последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого генератора, .второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра — с управляющим входом модулятора и с выходом управляемого генератора.

1 11731

Изобретение относится к светодальномерным автоматическим системам и предназначен для автоматизации измерения расстояний до различных объектов с высокой точностью, напри мер, для измерения деформации сооружений.

Известно лазерное устройство для измерения расстояний, состоящее из опорного генератора, выход которого 10 через последовательйо соединенные модулятор, источник света, переключающее устройство, детектор и второй усилитель подключен к первому входу сравнивающего устройства, вы- 15 ход которого соединен с индикатором, а второй вход через первый усилитель подключен к выходу модулятора, дру-, гой выход второго усилителя соединен с устройством коррекции амплитуды Яgg

Однако в данном устройстве не учитывается изменение условий окру- . жающей среды, происходящее непосредственно в процессе проведения измерений. Для уменьшения погрешностей от влияния среды на трассе прохождения луча применяется многократное измерение расстояния и осреднение результатов измерений. Это приводит к увеличению времени, необходимого о для проведения измерений, т. е. ухудшаются динамические свойства измерителя при незначительном увеличении точности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату

35 к предлагаемому является устройство для измерения расстояний, содержащее излучатель, на оптической оси которого находятся модулятор, отражающий элемент, имеющий отверстие и расположенный под углом к оптической оси, .и отражатель, установленный, на объекте, оптически связанный через отражающий элемент, имеющий отверс- 45 тие, с входом первого приемника, выход которого через первый вход первого фазометра соединен с регистрирующим устройством, а второй вход первого фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, вход которого соединен с выходом модели среды (2J .

87 непосредственно в процессе измерений, влияющих на показатель преломления среды на трассе и снижающих точность измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем непрерывного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления.

Для достижения поставленной цели устройство для измерения расстояний, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель, модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединен с ре гистратором, а второй вход фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, снабжено дополнительным . отражателем, вторым приемником, вторым фаэометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между модулятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответствующим оптическим осям, а выход второго приемника через первые входы последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого генератора, второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра — с управляющим вхо. .,ом модулятора и с выходом управляемого генератора.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Устройство содержит интегратор 1 модель 2 среды, управляемый генератор 3, модулятор 4, излучатель 5, первое полупрозрачное зеркало 6, отражатель 7, имеющий отверстие, объект 8, второе полупрозрачное зеркало 9, дополнительный отражатель

10, второй приемник 11, второй фазометр 12, сумматор 13, первый приемник 14, первый фазометр 15, регистратор 16.

Однако в указанном устройстве используется статическая неточная модель атмосферы, не учитывающая динамических изменений метеоусловий

Сущность изобретения заключается в следующем. Для измерения дальности используется фазовый метод. Посылаемое на трассу оптическое излуче-„, ., 1173187 ние модулируется по интенсивности.

По разности фаз .огибающих посланного и отраженного сигнала определяется дальность объекта.

Дальность П связана с измеряемым фазовым сдвигом hp соотношением скорость света в вакууме, 10 частота модуляции по интенсивности непрерывного лазерного излучения, групповой показатель преломления, усредненный по всей !5 трассе измерений. де Сo м

"сР

Для уменьшения погрешности вводится дополнительный тестовый канал измерения эталонного расстояния (контрольного базиса) до отражателя, при20, чем метеорологические условия на .трассе измерения расстояний отражателя и объекта одинаковы. Поскольку контрольный базис известен и постоянен,.можно выявить ошибку измерения дальности, вызванную изменением п„, т.е. внешней средой, и автоматически скорректировать измерения дальности объекта. Комплекс строится таким образом, что в отличие от основного канала измерения дальности объекта, являющегося разомкнутым, тестовый канал является замкнутой автоматической системой и отрицательной обратной связью. Эта замкнутая систе- 35 ма стабилизирует заданный фазовый сдвиг, соответствующий контрольному базису при номинальных значениях

f> и nr . Если групповой показатель преломления й„ при измерении конт- 40 рольного базиса из-за влияния среды на трассе отличается от номинального. то и измеренный фазовый сдвиг будет отличаться от заданного. Сигнал разности этих фазовых сдвигов воздейст- 45 вует в конечном итоге на частоту модуляции f и изменяет ее так, чтобы скомпенсировать ошибку в фазовых сдвигах. Таким образом, несмотря на . изменения и в тестовом канале все 50 время поддерживается постоянным произведение f> n, равное произведению их номинальных значений.

Поскольку оптические части основного и тестового каналов находятся в од- 55 них и тех же условиях (одни и те же опти4еское излучение, частота моду ляции f> и показатель n,p ), то в основном канале поддерживается постоянным произведение f n . Тогда

N неизвестное расстояние до объекта определяется по формуле (1), в которой коэффициент пропорциональности при измеренном фазовом сдвиге А Р основного канала уже является постоянным, независящим от изменений и

ГР

Тем самым, в отличие от прототипа, непрерывно в процессе измерений автоматически устраняется влияние среды на изМерение дальности, а следовательно, повышается точность.

Работа дальномерного комплекса заключается в следующем.

Комплекс содержит два канала измерений. Основной канал измерения неизвестного расстояния является разомкнутым. Тестовый канал измерения эталонного расстояния (контроль ного базиса) является замкнутой автоматической системой. Перед началом серии измерений на второй вход интегратора 1-подается постоянный сигнал начальных условий с выхода модели 2 среды. Этот сигнал формируется на основании физико-метеороло-. гических условий, существующих в момент начала работы комплекса. В первый момент после включения комплекса в работу сигнал на выходе интегратора 1 определяется только начальными условиями, заданными с модели среды. С выхода интегратора

1 сигнал подается на вход управляемого генератора 3. Генератор 3 вырабатывает гармоническое напряжение, частота которого соответствует входному сигналу генератора 3, т.е. в первый момент времени генератор 3 выдает на управляющий вход модулятора 4 напряжение номинальной частоты модуляции t „„д . Излучатель 5 посылает непрерывное излучение на модулятор 4. Модулированное по интенсивности с частотой t „дщ излучение, выйдя из модулятора 4, первым

Ф полупрозрачным зеркалом 6 разделяет" ся на две части . проходящий поток основного канала поступает через отверстие в отражателе 7 на отражатель, установленный на объекте 8, а отраженный от зеркала 6 поток тестового канала попадает на второе полупрозрачное зеркало 9. Отражаясь от зеркала 9, тестовый поток поступает на трассу измерения контрольного базиса. Контрольный базис or1173187 раничен дополнительным отражателем

10. На отражателе 10 устанавливается светсвозвращатель (например, трип пель-призма), направляющий проходящий через второе полупрозрачное зеркало 9 поток на второй приемник

11. Оптические трассы основного и тестового каналов находятся в одинаковых метеорологических условиях, т.е. проходя через среду с одним и тем же групповым показателем . преломления n > . Во втором фотоприемнике 11 выделяется огибающая оп.тического излучения и подается на первый вход второго фазометра 12, на второй вход которого подается опорный счгнал с частотой Ец „ощ с выхода управляемого генератора 3.

Фазометр 12 измеряет сдвиг фаз своих входных сигналов. Сигнал, прошед"

0 ший оптическую трассу и поступивший на первый вход второго фазометра

12, отстает по фазе от сигнала на втором входе фазометра 12. Пусть групповой показатель преломления на трассе измерений постоянный, равный своему номинальному значению, тогда, в соответствии с формулой (1)„ сигнал на выходе второго фазометра 12 равен

4Я КБ м нож ком о где д ном — номинальный фазовый дв г соответствующий произведению номинальных значений частоты модуляции группового показателя преломления, КБ — контрольный базис.

Сигнал с выхода второго фаэометра 12 подается на первый вход алгебраического сумматора l3, ° на второй

1 вход которого также подайтся постоянный сигнал йу „оц . Сумматор 13 производит вычитание сигналов, пос45 тупающих на его входы. Поск-:чьку на входы сумматора 13 подаются одинаковые сигналы, то разность их равна нулю.и выходной сигнал сумматора

13, поступающий на первый вход интег- ратора 1, равен нулю. Поэтому сиг: нал на выходе интегратора 1. остается постоянным, соответствующим начальным условиям. Следовательно, частота модуляции оптического излучения остается постоянной и равной

f> но„. В основном канале световозвращатель (например, триппель-.призма или катафот), установленный на объекте 8, направляет световой поток на отражающий элемент 7, с которого отраженное излучение поступает на вход первого приемника 14. Сигнал огибающей оптического излучения с выхода приемника 14 подается на первый вход первого фазометра 15, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода управляемого генератора 3. Сигнал ь сдвига фаз йа выходе первого фазометра 15 несет информацию об измеренной дальности.

Этот сигнал подается на вход регистратора 16, который определяет измеренную дальность П до объекта 8 по формуле о

hq= Са, N иом nr ном

1 где С = С (41о К „о . n ) к эффициент пропорциональности.

В качестве регистратора 16 может быть использован самописец с масштабирующим усилителем на входе (например, самописец марки ЛКД4-003).

В этом случае входом регистратора

16 будут клеммы "Вход" самописца

ЛКД4-003. Коэффициент усиления масштабирующего усилителя самописца устанавливается постоянным и равным

С, тогда на самописце будет воспроизвоциться сигнал дальности О.

Если метеоусловия на трассе измерений изменятся, то сигнал на выходе второго фаэометра 12 уже не будет равен Ьф„од„, так как под влиянием среды изме :нтся групповой показатель преломления, а контрольный базис и частота модуляции останутся прежними. Тогда на выходе сумматора l3 появится разностный сигнал, по величи.1е и знаку соответствующий величине и знаку отклонения и, от й,„ „о,, Разностный сигнал поступает на первый вход интегратора 1, начинает изменяться, сигнал на выходе интегратора

1, следовательно, изменяется и частота модуляции на выходе управляемого генератора 3, изменяется сдвиг фаз на выходе второго фазометра 12 до тех пор, пока не станет равным hq „о, но уже при других (не номинальных) значениях fy и и (М ном nã ном f + n rp ) . Интегратор 1 перестает интегрировать, поскольку сигнал на его первом вхо1173187 де становится равным нулю. Сигнал на его выходе остается постоянным и равным тому значению, которое существовало на его выходе в момент равенства нулю сигнала на его первом входе. В комплексе устанавливается частота модуляции, соответствующая компенсации изменений и

В этом случае коэффициент С остается постоянным и для основного кана ла, следовательно, влияния измене-. ния группового показателя преломле" ния на измерения дальности исключаются.

Конструктивно в качестве излучателя 5 может быть использован He-Neлазер, генерирующий непрерывное оптическое излучение (например, марки

ЛГ-56) °,Модулятором 4 может быть электрооптический модулятор с использованием поперечного эффекта г

Поккельса. В этом случае оптическим входом модулятора 4 является вход поляризатора, выходом модулятора 4—

,выход модулятора Поккельса, а управляющим входом модулятора 4 — обкладки. Именно на эти обкладки подает,ся сигнал напряжения с выхода управ-! ляемого генератора 3. Первый 14 и второй 11 приемники конструктивно могут быть выполнены одинаково в виде фотоэлектронного умножителя с линзой, фокусирующей световой поток на катоде ФЭУ. Первый 15 и второй

12 фазометры могут быть также одина* ковыми (например, может использоваться серийно выпускаемый фазометр . типа Ф2-13). Модель 2 среды конструкт тивно может представлять собой регу

10 лируемый источник напряжения. Управ ляемый генератор 3 технически может быть выполнен по одной из известных схем.

В качестве базового объекта при

15 нят промышленно выпускаемый светодальномер ти а МСД-1.

Аппаратурная точность современньМ светодальнометрических приборов достигла предела и дальнейшее повышение

20 точности может быть обеспечено, в ,основном, за счет более точного оп-. ределения среднеинтегрального пока.зателя преломления на трассе измерений. Поэтому введение дополнительных блоков, по сравнению с прототипом, позволяет учесть влияние среды на трассе измерений на ошибку измерения дальности, повышая тем самым точность измерений. Дополнительные блоки, кроме того, позволяют автоматизировать процесс измерений, повысить производительность измерительных работ.

1173187

Составитель В.Лыков

Редактор М.Циткина Техред Л.Микеш Корректор А.Обручар

Заказ 5038/37 Тираж 651 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4