Фазовый светодальномер

 

Изобретение относится к области измерения расстояний с помощью источников света и используется в устройстве для точного измерения расстояния до объектов в геодезии, топографии , маркшейдерском деле и позволяет повысить точность измерений за счет исключения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала. Для этого устройство снабжено блоком управления 1, и vчaтeлeм 3, внешним электродом 6, фильтрами низких частот 14, 25, усилителями 9, 15,26.1. Сигнал с генератора 18 через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение фиксируется световодом 4 в ту же точку катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), что и сигнал, пришедший с дистанции. Сигнал с выхода ФЭУ вьщеляется фильтром 22 и поступает на первый вход фазового дискриминатора 23, а на второй его вход - прошедший фильтр низких частот 25 и усилитель 26 сигнал с выхода смесителя 24, на вход которого поступают напряжения второго и третьего генераторов. Разностные частоты выбираются низкими, благодаря чему изменения фазы в описанных элементах малы. Для их минимизации в фазовый дискриминатор 23 входит фазовый корректор, вносящий постоянньй фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства. 1 ил. (Л ю 00 IVD со Од

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3700102/24-10 (22) 13.02.84 (46) 15 ° 03.86. Бюл. № - 10 (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Г.Д. Петрухин и Н.В. Шиянов (53) 528 ° 514(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 8709 19, кл. G 01 С 3/00, 07. 10. 8 1.

Авторское свидетельство СССР

¹ 734504, кл. G 01 С 3/06, 15.05.80. (54) ФАЗОВЫЙ СВЕТОДАЛЬНОМЕР (57) Изобретение относится к области иЗмерения расстояний с помощью источников света и используется в устройстве для точного измерения расстояния до объектов в геодезии, топографии, маркшейдерском деле и позволяет повысить точность измерений за счет исключения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала.

Для этого устройство снабжено блоком управления 1, и чателем 3, внешним

„„SU„„1218296 А

Ш4 G 01 С 3/08 электродом 6, фильтрами низких .частот 14, 25, усилителями 9, 15,26..

Сигнал с генератора 18 через аттенюатор 19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение фиксируется световодом 4 в ту же точку катода фотоэлектронного умножителя (ФЗУ), что и сигнал, пришедший с дистанции.

Сигнал с выхода ФЭУ выделяется фильтром 22 и поступает на первый вход фазового дискриминатора 23, а на второй его вход — прошедший фильтр низких частот 25 и усилитель 26 сигнал с выхода смесителя 24, на вход которого поступают напряжения второго и третьего генераторов. Разност- $ ные частоты выбираются низкими, благодаря чему изменения фазы в описанных элементах малы. Для их минимиза-. ции в фазовый дискриминатор 23 входит фазовый корректор, вносящий постоянный фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства.

1 ил.

218296

15

25

1 1

Изобретение относится к измерению расстояний с помощью источников света и может быть использовано для точного измерения расстояния до объектов в геодезии, топографии, маркшейдерском деле.

Пель изобретения — повышение точности измерений за счет исключения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала.

На чертеже представлена схема фазового светодальномера.

Устройство содержит блок 1- управления, первый генератор 2, выход которого связан с излучателем 3 (например светодиодом). Оптическое излучение последнего после прохождения по трассе и отражение от объекта поступает через оптическую приемную систему на конический световод 4, меньшее сечение которого находится в контакте с торцовой поверхностью фотоэлектронного умножителя 5. На торцовой поверхности ФЭУ размещен внешний электрод 6, подключенный к выходу второго генератора 7. Выход блока питания ФЭУ 8 связан с входом питания ФЭУ, выход которого соединен с входом первого усилителя 9, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра 10. Выход фильтра через фазовращатель 11 соединен с первым входом первого фазового дискриминатора 12, к второму входу которого подключен выход соединенных последовательно первого смесителя 13, первого фильтра низких частот 14 и второго усилителя 15. Выход фазово- го дискриминатора 12 подключен к первому входу переключателя 16, выход которого соединен с входом регистратора 17. Выход второго генератора 7 подключен к второму входу смесителя 13. Выход третьего генератора 18 соединен через управляемый аттенюатор 19 с дополнительным излучателем 20, оптически связанным со световодом 4. Управляющий вход аттенюатора 19 соединен через выпрямитель 21 с выходом первого полосового фильтра 10. Выход первого усилителя 9 соединен с вторым фильтром

22, подключенным к первому входу второго фазового дискриминатора 23, выход которого соединен с вторым входом переключателя 16.

Второй вход второго фазового дискриминатора 23 подключен к выходу каскадно включенных второго смесителя 24, второго фильтра 25 низких частот и третьего усилителя 26, Пер вый вход смесителя 24 связан с выхо дом второго генератора 7, а.второй вход — с выходом третьего генератора 18. Вход масштабного усилителя

27 подключен к выходу второго фазового дискриминатора 23, выход — к фазовращателю 11, а управляющий вход — к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу переключателя 16.

Устройство работает следующим образом.

Ток первого генератора 2 поступает на излучающий диод 3. Оптическая система (не показана) направляет оптическое модулированное с частотой генератора 2 излучение на объект, расстояние до которого необходимо измерить. Отраженная от объекта волна фокусируется коническим световодом 4 на определенную фиксированную площадку фотокатода ФЭУ, благодаря чему исключается зависимость фазы выходного сигнала ФЭУ от угла прихода волны. Необходимое для нормаль б- ной работы ФЭУ напряжение питания подается с выхода блока питания 8.

Напряжение генератора 7, поступающее на внешний электрод 6, расположенный на торцовой поверхности ФЭУ, 35 создает высокочастотное электрическое поле с частотой f — f, где К в частота генератора 1..

Вследствие нелинейного взаимодействия фотоэлектронного потока и электрического поля, созданного в прикатодной области напряжением, приложенным к внешнему электроду относительно катода, создаются условия для смешения указанных частот.

На выходе ФЭ7 после усиления ли"нейным усилителем 9 на выходе фильтра 10 выделяется разностная частота

f*- f

Указанный сигнал поступает через фазовращатель 11 на первый вход фазового дискриминатора 12, на второй вход которого подается сигнал, полученный путем смешения в первом смесителе 13. напряжений первого 2 и второго 7 генераторов с последующим усилением и селекцией сигнала с частотой f — Е„ (блоки 14 и 15). Таким образом, на входа фазового дискрими3 12 натора 12 частоты сигналов равны, а фазы сдвинуты на некоторый угол, зависящий от расстояния до- объекта.

Напряжение с выхода фазового дискриминатора 12, пропорциональное указанному фазовому углу, поступает через переключатель 16, открытый по первому входу в блок регистрации

17. Это напряжение оказывается пропорциональным расстоянию до объекта, так как приращение фазы принимаемого сигнала пропорционально времени распространения излученной волны до объекта и обратно.

Однако, фазовая характеристика реальных фотоприемников, входящих в состав дальномеров, зависит от уровня принимаемого сигнала. В фотоэлектронном умножителе 5 она обусловлена зависимостью времени пролета электронного потока через диодную систему от плотности объемного заряда при высоких уровнях засветки катода.

Экспериментально полученные зависимости фазы от уровня тока ФЭУ показывают, что фаза не зависит от уровня тока в диодной системе на малых и средних токах и монотонно растет с увеличением уровня тока.

Причем, скорость возрастания является функцией частоты сигнала. Рассмотренное явление является источником дополнительных фазовых погрешностей, снижающих точность измерения расстояний. . Для минимизации указанной погрешности в устройстве введены элементы, компенсирующие эту погрешность.

Сигнал с третьего генератора 18 с частотой f — fq через аттенюатор

19 возбуждает дополнительный излучатель 20, излучение которого фокусируется коническим световодом 4 в ту же точку катода ФЭУ, что и сигнал, пришедший с дистанции.

Сигнал с частотой биений fP =

=.Š— f на выходе ФЭУ выделяется вторым фильтром 22 ° Частота третьего генератора 18 выбирается таким образом, чтобы частота калибровки

fP превышала частоту биений первоr0 и второго генераторов (частоту измерений), f + > Й», например приследующем соотношении частот

fP (1,5 — 2,0) f . Сигнал с частотой ff поступает на первый вход второго фазового дискриминатора 23, идентичного первому (12). На второй

18296

4 вход второго дискриминатора 23 подается прошедший фильтр низких частот

25 и усиленный усилителем 26 сигнал с выхода второго смесителя 24, на вход которого поступают напряжения второго и третьего генераторов. Частота сигнала на втором входе f =

= f — f = f* равна частоте сигнала на первом входе. Разностные час>g тоты f+> и fP выбираются достаточно низкими, порядка единиц десятков

У килогерц, благодаря чему изменения фазы в описанных элементах устройства оказываются достаточно малыми.

Для их минимизации в состав фазового дискриминатора 23 может входить фазовый корректор, вносящий постоянный фазовый сдвиг, равный сдвигу фазы в элементах устройства.

В связи с очевидностью этого решения фазовый корректор на схеме не показан.

Уровень засветки катода ФЭУ светодиодом 20 изменяется с помощью атте25 нюатора 19, управляемого выпрямленным блоком 21 напряжением первой разностной частоты измерений f+. РеФ гулирующая характеристика аттенюатора 19 такова, что при увеличении амплитуды измерительного сигнала с выхода фильтра 10 коэффициент передачи аттенюатора увеличивается. Цепь автоподстройки интенсивности излучения светодиода 20 позволяет поддерживать примерное постоянство отношения

f*

А = †= const

I fP где А — постоянный коэффициент;

I f,If* — значения освещенности катода ФЭУ световыми потоками с частотами

f, и и соответственно.

Передаточная характеристика аттенюатора 19 выбирается таким образом, чтобы 0,1(. А (0,3. В этом случае .дробовые шумы ФЭУ, обусловленные дополнительным источником 20, малы и

50 практически не снижают пороговую чувствительность фотоприемника.

На низких и средних уровнях засветок катода ФЭУ отраженным сигналом

55 приращения фазы в ФЭУ ничтожны, напряжение на выходе фазового дискриминатора 23 увеличивается.. На .частоте

;калибровки f зависимость прироста фазы от тока анода ФЭУ более выражена, чем на измерительной частоте, так как Ц > f*, причем на уровнях тока, где фазовые сдвиги существенны — — к (I )

"Е„(Т) „(I), Y (I) — фазо-токовые

10 характеристики

ФЭУ на измерительной и калибровочной

15 частотах соотгде

К

Пму где Uqр

Uwv выходные напряжения фазового детектора и масштабного усилителя соответственно, ветственно;

K — константа.

Для определения значения коэффициента К снимают зависимость Ч 1 (I) путем установки перед катодом ФЭУ

20 светофильтра с регулируемым коэффициентом пропускания,(не показан) и измерения сдвига фазы регистратором 17.

Затем устанавливают блок 1 управле25 ния в состояние, когда сигнал управления с его второго выхода переводит переключатель 16 в открытое с второго входа состояние. Аналогично снимается зависимость,У (I) на частоте f . Коэффициент К определяется в соответствии с соотношением (1) .

Затем устанавливают с ломощью первого выхода блока 1 управления коэффициент передачи масштабного усилителя

27, равным К. 35

В рабочем режиме сигнал на втором выходе блока 1 управления отсутствует, на регистратор поступает напряжение с первого фазового дискриминатора 12, работающего на частоте f<+.

Одновременно с помощью блоков 2026 оценивается фазовая погрешность на частоте ff > f, согласно зависимости +„(I), Положим передаточные характерис- 45 тики второго фазового детектора

К,р и управляемого фазовращателя

Ъ

К, б равными ч ;, — сдвиги фаз на частотах калибровки и измерения.

Для получения фазовой компенсации необходимо иметь коэффициент передачи масштабного усилителя К,„ равным: к .= — — ИУ К

К

К, Кр (2) Выражение (2) используется для определения коэффициента передачи масштабного усилителя 27. Коэффициенты передачи фазовращателя 11 и фазового детектора 23 постоянны. Поэтому с учетом (1) коэффициент передачи масштабного усилителя 27 также постоянен и не зависит от интенсивности принимаемого сигнала.

Формула изобретения

Фазовый светодальномер, содержащий первый генератор, выход которого связан с излучателем, фотоэлектронный умножитель, вход питания которого подключен к выходу блока питания, второй генератор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, третий генератор, подсоединенный к второму входу второго смесителя, переключатель, выходом связанный с регистратором, а первым входом — с выходом первого фазового дискриминатора, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения точности измерений за счет исклюЧения фазовой погрешности на высоких уровнях отраженного сигнала, в него введены блок управления, конический световод, внешний электрод, первый и второй фильтры, фазовращатель, первый и второй фильтры низких частот, первый, второй и третий усилители, управляемый аттенюатор, дополнительный излучатель, выпрямитель, второй фазовый дискримиТаким образом, в рабочем режиме блоком 17 регистрации измеряется значение фазы отраженного сигнала, пропорциональное расстояние до объекта. Причем, показания уточняются благодаря учету дополнительного фазового сдвига в ФЭУ 5..Составитель В. Агапова

Техред М. Надь Корректор Л. Пилипенко

Редактор И. Сегляник. Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 1127/52

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

121 натор и масштабный усилитель, при1чем меньшее сечение конического световода находится в контакте с фиксированной точкой торцовой поверхности фотоэлектронного умножителя, в контакте с которой находится также внешний электрод, соединенный с выходом второго генератора, выход фотоэлектронйого умножителя через первый усилитель подключен к входам первого и второго фильтров, выход первого фильтра подсоединен через фазовращатель к первому входу первого фазового дискриминатора, вторым входом подсоединенного через последовательно включенные первый фильтр низких частот и второй усилитель к выходу первого смесителя, выход первого фильтра соединен также через выпрямитель с управляющим

8296

8 входом аттенюатора, сигнальный вход которого подключен к выходу третьего генератора, а выход связан с дополнительным излучателем, оптически связанным с коническим световодом, второй смеситель подсоединен через последовательно включенные второй фильтр низких частот и третий усилитель к второму входу второго фазово10 го дискриминатора, первый вход которого подключен к выходу второго фильтра, а выход соединен с вторым входом переключателя и входом масштабного усилителя,управляющий вход которого связан с первым. выходом блока управления, второй выход которого подключен к управляющему входу переключателя,а выход масштабного усилителя соединен с управляющим входом фазовращателя.