Лазерный дальномер

Авторы патента:

G01C3/08 - с использованием детекторов излучения

Владельцы патента RU 2650851:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит лазерный полупроводниковый излучатель с датчиком тока накачки, двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности, причем приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, введено второе двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности. Причем приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, а также введен расщепитель выходного излучения лазерного полупроводникового излучателя, причем первый пучок выходного излучения направлен на первый объект, находящийся в поле зрения первого приемника, а второй пучок - на второй объект, находящийся в поле зрения второго приемника, при этом введен вычислитель дифференциальной дальности до первого и второго объектов. Технический результат – повышение точности лазерного дальномера. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен лазерный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами, определяемого путем подсчета хронирующих импульсов, заполняющих измеряемый временной интервал [1].

Такие устройства характеризуются невысокой точностью измерения, определяемой погрешностью временной фиксации передаваемого и принимаемого импульсов излучения, дискретностью хронирующих импульсов и систематической ошибкой, связанной с разной задержкой сигнала в устройствах временной фиксации зондирующего и принятого импульса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер, описанный в [2].

Этот лазерный дальномер содержит лазерный полупроводниковый излучатель с датчиком тока накачки, двухканальный приемник с коммутатором входов, а также внешнее вычислительное устройство, причем один из входов коммутатора связан с выходом лазерного излучателя, а второй вход - с датчиком тока накачки лазера.

На выходе приемника поочередно формируются сигналы от этих источников. Внешнее устройство (схема временной фиксации [3] с последующим измерителем временных интервалов или цифровой сигнальный процессор (ЦСП) с аналого-цифровым преобразователем на входе) осуществляет временную привязку выходных сигналов приемника к хронирующим импульсам времязадающего устройства [4].

Данное решение компенсирует погрешность измерения временного интервала τ, обусловленную разным временем регистрации и обработки сигналов с датчика тока накачки I_н(t,t₀) и с выхода приемника I_ф(t,t_D), но не устраняет разность временного положения импульса тока накачки I_н(t,t₀) и светового импульса лазера S₀(t,t₀), которая может достигать 1-5 нс. Здесь t - текущее время, t₀ - момент зондирования, t_D - момент приема отраженного сигнала.

Задачей изобретения является повышение точности лазерного дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем лазерный полупроводниковый излучатель с датчиком тока накачки, двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности, причем приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, введено второе двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности, причем приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, а также введен расщепитель выходного излучения лазерного полупроводникового излучателя, причем первый пучок выходного излучения направлен на первый объект, находящийся в поле зрения первого приемника, а второй пучок - на второй объект, находящийся в поле зрения второго приемника, при этом введен вычислитель дифференциальной дальности до первого и второго объектов.

Может быть введен калиброванный по оптической длине световод, вход которого направлен на излучатель и является расщепителем выходного излучения, а выход направлен на второй приемник.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - функциональная схема одного из его каналов.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит передающее устройство 1 с датчиком тока накачки, первый приемный канал, включающий первое приемное устройство 2, первый двухканальный усилитель 3, выход которого подключен к первому аналого-цифровому вычислителю 4. Второй приемный канал содержит второе приемное устройство 5, второй двухканальный усилитель 6, выход которого подключен к второму аналого-цифровому вычислителю 7. К управляющим входам первого и второго усилителей подключены соответственно первый 8 и второй 9 коммутаторы. Цифровые выходы аналого-цифровых вычислителей поступают на вход вычислителя дифференциальной дальности 10. Устройства 4, 7, 10 входят в состав вычислительного устройства 11. На выходе передающего устройства 1 установлен расщепитель выходного излучения 12, направляющий часть выходного излучения на первый объект 13, а часть - на второй объект 14. Сигнал с датчика тока накачки поступает на вторые входы усилителей 3 и 6.

На фиг. 2 показан двухканальный усилитель 3, на первый вход которого поступает сигнал с нагрузки фотоприемника 15, входящего в состав приемного устройства 2, а на второй вход - с датчика тока накачки 16, включенного в цепь тока накачки лазерного диода 17, входящего в состав передающего устройства 1. Питание фотоприемника, усилителя и лазерного диода осуществляется от источников питания 17, 18 и 19. Рабочий режим двухканального усилителя задается источником 20. Коммутатор 8 с помощью ключей 21 и 22 переключает входы двухканального усилителя, представляющего собой два истоковых повторителя с общей нагрузкой.

Устройство работает следующим образом.

Лазерный диод 17, входящий в состав передающего устройства 1, излучает ряд зондирующих импульсов. С помощью расщепителя 12 часть излучения направляется на первый объект 13, а часть - на второй объект 14. Отраженное этими объектами излучение принимается соответственно первым 2 и вторым 5 приемными устройствами, с помощью коммутаторов 8 и 9 подключаемыми к первому входу усилителей 3 и 6. При этом второй вход усилителей закрыт. При излучении очередного зондирующего импульса первый вход усилителей закрывается, а на второй вход поступает сигнал с датчика тока накачки 16. Таким образом, на выходах усилителей поочередно возникают импульсы, соответствующие зондирующим импульсам, вызванным током накачки I_н(t), и импульсы, соответствующие отраженным целью задержанным сигналам Is(t-τ)=S_λ⋅P(t-τ), где S_λ - спектральная чувствительность приемного устройства; P(t-τ) - мощность отраженного первым или вторым объектом сигнала на чувствительной площадке приемного устройства; τ=2R/c - задержка отраженного сигнала; t - текущее время; R - дальность до объекта; с - скорость света.

Аналого-цифровые вычислители 4 и 7 определяют [3, 4] временное положение t_нимпульса I_н(t) и временное положение t_s1 и t_s2 импульсов Is₁(t-τ) и Is₂(t-τ), после чего вычисляют оценку τ*₁ и τ*₁ задержки отраженного сигнала от первого и второго объектов по формулам

В связи с тем, что сигналы I_н(t) и Is(t-τ) проходят по одинаковым цепям, ошибки, связанные с их временем распространения, компенсируются.

Однако остается ошибка, достигающая нескольких наносекунд, определяемая несовпадением тока накачки I_н(t,t₀) и светового импульса лазера S₀(t,t₀). Эта ошибка компенсируется путем определения вычислителем дифференциальной разности величины

Данное техническое решение позволяет определять с высокой точностью относительное перемещение двух элементов объекта, что бывает необходимо при установке строительных конструкций, стыковке космических аппаратов, контроле ширины рельсового пути и т.п.

В качестве первого объекта может быть введен точно калиброванный по оптической длине световод, вход которого зафиксирован на выходе передающего устройства и играет роль расщепителя, а выход закреплен у первого приемного устройства. Такая конструкция создает эталон дальности, относительно которого дальность до второго объекта определяется с высокой точностью, соизмеримой с погрешностью определения оптической длины световода. Построенный подобным образом лазерный дальномер не содержит источников систематической погрешности и обеспечивает погрешность измерения несколько миллиметров по сравнению с несколькими десятками миллиметров у прототипа.

Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - повышение точности лазерного дальномера

Источники информации

1. В.А. Смирнов. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Советское радио, 1973 г., с. 189.

2. Патент РФ №2506547 по з-ке 2012140350 от 21.09.2012 г. - прототип.

3. В.Г. Вильнер и др. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров. «Электроника. Наука, Технология, Бизнес». №3, 2008 г. - с. 118.

4. В.Г. Вильнер и др. Способ измерения временного интервала. Патент РФ №2451962.

1. Лазерный дальномер, содержащий лазерный полупроводниковый излучатель с датчиком тока накачки, двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности, причем приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, отличающийся тем, что введено второе двухканальное приемное устройство с коммутатором входов, на выходе которого включен вычислитель дальности, приемное устройство состоит из фотоприемника, подключенного к первому входу двухканального усилителя, второй вход которого связан с датчиком тока лазерного излучателя, а также введен расщепитель выходного излучения лазерного полупроводникового излучателя, причем первый пучок выходного излучения направлен на первый объект, находящийся в поле зрения первого приемника, а второй пучок - на второй объект, находящийся в поле зрения второго приемника, при этом введен вычислитель дифференциальной дальности до первого и второго объектов.

2. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что введен калиброванный по оптической длине световод, вход которого направлен на излучатель и является расщепителем выходного излучения, а выход направлен на второй приемник.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля параметров лазерного прибора, содержащего излучающий и наблюдательный каналы.

Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором // 2629684

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный измеритель дальности с оптическим сумматором содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы взаимно перпендикулярно и совмещены с помощью оптического сумматора в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины.

Устройство для измерения аэродинамического давления на тоннельные сооружения // 2624786

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения аэродинамического давления, и может быть использовано в тоннелях на высокоскоростных железнодорожных магистралях.

Дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем // 2622229

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и раздельно размещенные лазерные излучатели, выполненные в виде полупроводникового лазерного диода.

Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков // 2621476

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя со взаимно параллельными излучающими площадками, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины и полуволновой пластины, установленной перед одним из лазерных излучателей.

Лазерный дальномер с оптическим сумматором излучения // 2620768

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с оптическим сумматором излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора.

Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков излучения // 2620767

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с сумматором зондирующих пучков излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два излучателя в виде полупроводниковых лазерных диодов, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора.

Лазерный дальномер // 2620765

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины.

Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения // 2619040

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины.

Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем // 2618787

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем содержащит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив с фокусным расстоянием Fo.

Способ и система измерения расстояния до удаленных объектов // 2652535

Группа изобретений относится к способам и системам измерения расстояния до удаленных объектов. Компьютерно-реализуемый способ измерения расстояния до удаленных объектов с помощью камеры содержит этапы, на которых: получают данные о точке наблюдения за удаленным объектом, содержащей географические координаты камеры и высоту ее установки над поверхностью земли; определяют, по меньшей мере, одну точку удаленного объекта и, по меньшей мере, одну точку горизонта на кадре, полученном с упомянутой камеры; получают данные об азимуте наблюдения, по меньшей мере, одной точки удаленного объекта, азимуте наблюдения, по меньшей мере, одной точки горизонта и данные о рельефе местности по азимуту наблюдения объекта и азимуту наблюдения, по меньшей мере, одной точки горизонта. На основании полученных данных определяют, по меньшей мере, одну разницу углов места между, по меньшей мере, одной точкой удаленного объекта и, по меньшей мере, одной точкой горизонта; определяют угол места наблюдения, по меньшей мере, одной точки горизонта на основании данных об азимуте наблюдения, по меньшей мере, одной точки горизонта, рельефе местности и заданной высоты наблюдения; определяют угол места наблюдения точки удаленного объекта на основе данных об угле места наблюдения, по меньшей мере, одной точки горизонта и разнице углов места между, по меньшей мере, одной точкой удаленного объекта и, по меньшей мере, одной точкой горизонта, определенных ранее; определяют расстояние до удаленного объекта на основании данных об угле места наблюдения точки удаленного объекта, рельефе местности, азимуте наблюдения удаленного объекта и заданной высоте наблюдения. Технический результат заключается в повышении точности определения расстояния до удаленных объектов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.