Устройство для дистанционного измерения расстояний

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее интерферонетр Майкельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор , соединенный с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона , и вычислительный блок, отличающееся тем, что, с целью увеличения дальности действия, оно снабжено генератором парных им-пульсов , коммутатором частот лазера и измерителем дробной доли порядка .интерференции, соединенным входом с выходом фотоприемника, а выходом с входом вычислительного блока, при этом генератор парных импульсов сое динен выходом с вторым входом вычислительного блока и с входом коммутатора частот лазера, соединенного выходом с двухчастотным стабилизированным лазером.. 2. Устройство по П.1, о т л и (Л чающееся тем, что, измеритель дробной доли порядка интерференции состоит из резонансного усилителя, соединенного входом с выходом фотоприемника , и измерителя амплитуды со со перв)й гармоники, соединенного входом с выходом резонансного усилите00 ля, а выходом - с первым входом выоь числительного блока. а

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОцИАлистичесних

РЕСПУБЛИН

„„аи„„эз866О

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 Дюаи ИЗОВ ЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 Ъ ! (21) 2924106/40-23 (22) 05.05.80 (46) 15.03.85. Бюл. t» 10 (72) М.Т.Прилепив, A.C.Медовиков, В.Н.Морозов, А.Б.Сергеев и С.F..Cîëîдов (71) Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии

{53) 531.715 (088.8) (56) 1.Брусин И.Я. и др. ДАН, т.23, % 4, 553, 1952.

2.Авторское свидетельство СССР

В 748125, кл. С О> В 9/02,07. 12. 77.

З.Патент США »" 3970389, кл. С 01 С 3/08,20.07. 76.

4.Патент СИА В 3542472, кл. 6 01 С 3/08, 10.01.70. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее интерфероиетр Маикельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор, соединенный с отражателем опор4(я)6 01 С 3/08 G 01 .В 9/02 ного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения дальности действия, оно снабжено генераторам парных импульсов, коммутатором частот лазера и измерителем дробной доли порядка .интерференции, соединенным входом с выходом фотоприемника, а выходомс входом вычислительного блока, при этом генератор парных импульсов соединен выходом с вторым входом вычислительного блока и с входом комму-, татора частот лазера, соединенного выходом с двухчастотным стабилизированным лазером.

2. Устройство по п.1, о т"л ич а ю щ е е с я тем, что, измеритель дробной доли порядка интерференции состоит из резонансного усилителя, соединенного входом с выходом фотоприемника, и измерителя амплитуды первОй гармоники, соединенного входом с выходом резонансного усилителя, а выходом — с первым входом вычислительного блока.

9386б О

Изобретение относится к области геодезического приборостроения и может использоваться для измерения расстояний между объектами.

Известно устройство для дистанци- 5 онного измерения расстояний, содержащее двухлучевой интерферометр и измеритель дробной доли порядка интерференции $3), Это устройство позволяет изме- 1О рить смещение концевого отражателя двухлучевого интерферометра с точностью примерно 30 доли интерференционной полосы, что составляет

5.-30 " мкм. !5

Однако этим устройством невозможно измерить целые числа порядков интерференции, что делает его непригодным для уточнения расстояний, если оно предварительно не известно 2Î с точностью до половины длины волны излучения используемого источника света (0,2-0,4 мкм).

Известно устройство для дистанционного измерения расстояний, содер- 25 ,жащее двухчастотный лазер и измеритель дробных долей порядков интерференции на частотах излучения лазера f23.

Недостатком этого устройства явля- р ется наобходимость перестройки частоты в диапазоне между реперными частотами. Это приводит к использованию дорогих перестраиваемых лазеров. Кроме того, при выполнении высокоточных измерений больших расстояний (ggr 3 км) необходима точная фиксация концевых частот, что возможно осуществить, в частности„ с помощью дополнительного стабилизи- 4> рованного лазера и монохроматора 531.

При этом, измеряемое расстояние вычисляют по формуле

1 где ч — скорость света в воздухе; концевые частоты;

8 — число сосчитанных импуль. о сов (разность порядков интерференции

Это устройство предназначено для измерения длины интерфероме1ра, т. е. для измерения небольших расстояний (до нескольких метров) в условиях стационарной атмосферы и обладает сложной конструкцией.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для дистанционного измерения расстояний, содержащее интерферометр Майкельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра Майкельсона, модулятор, соединенный с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок j4).

Недостатком этого устройства является небольшой диапазон измерений (несколько десятков метров), так как в нем не предусмотрено исключение влияния атмосферы.

Цель изобретения — увеличение длительности действия.

Цель достигается тем, что устройство для дистанционного измерения расстояний, содержащее интерферометр Майкельсона, двухчастотный стабилизированный лазер и фотоприемник, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра

Майкельсона, модулятор, соединенный с отражателем опорного канала интерферометра Майкельсона, и вычислительный блок, снабжено генератором парных импульсов, коммутатором частот лазера и измерителем дробной доли порядка интерференции, соединенным входом с выходом фотоприемника, а выходом со входом вычислительного блока, при этом генератор парных импульсов .соединен выходом со вторым входом вычислительного блока и со входом коммутатора частот лазера, соединенного выходом с двухчастотным стабилизированным лазером.

Кроме. того поставленная цель дополнительно достигается тем, что измеритель дробной доли порядка ин терференции состоит из резонансного усилителя, соединенного входом с выходом фотоприемника, и измерителя амплитуды первой гармоники, соединенного входом с выходом резонанс ного усилителя, а выходом с первым входом вычислительного блока.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для дистанционного измерения расстояний.

Устройство для дистанционного измерения расстояний содержит интерферометр Майкельсона, состоящий из полупрозрачного зеркала 1, отражате3 93866 ля 2 рабочего канала и отражателя 3 опорного канала, двухчастотный стабилизированный лазер 4 и фотоприемник 5, расположенные соответственно на входе и выходе интерферометра

Майкельсона, измеритель 6 дробной доли порядка интерференции, соединенный входом с выходом фотоприемника 5, вычислительный блок 7, соединенный первым входом с выходом измерителя 1О

6 дробной доли порядка интерференции, генератор 8 парных импульсов, соединенный выходом со вторым входом вычислительного блока 7, коммутатор 9 частот лазера .4, соединенный входом 15 .с выходом генератора 8 парных импульсов, а выходом с двухчастотным стабилизированным лазером 4, и модулятор

10, соединенный с отражателем 3 опорного канала интерферометра Иайкельсог 20 на.

При этом измеритель 6 дробной доли порядка интерференции состоит из резонансного усилителя 11, соединенного входом с выходом фотоприемни- 25 ка 5, и измерителем 12 амплитуды первой гармоники, соединенного входом с выходом резонансного усилителя 11,а выходом с первым входом вычислительного блока 7; модулятор !0 может быть выполнен, например, пьезокерамическим.

0 (A N+ A, n2- 1Ь„, т 2

Устройство для дистанционного измерения расстояний работает следующим образом. . :;:; 35

Стабилизированньп двухчастотяый лазер 4 излучает на частоте 41 .:за время длительности одного из:- ",паоных импульсов, вырабатываемых генератором 8 парных импульсов, и на частоте 40 .за время длительности второго

2 парного импульса. Излучение на частотах 1 и 11 поступает в интерферо1 метр Майкельсона, расщепляется полупрозрачным зеркалом 1 и, отразившись 45 от отражателя 2 и 3 рабочего и опорного каналов сводится в один пучок полупрозрачным зеркалом 1 и направляется им на светочувствительную площадку фотоприемника 5. Измеритель 50

6 дробной доли порядка интерференции измеряет дробную долю интерференционной полосы и вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный этой доле интерференционной полосы, поступающий на первый вход вычислительного блока 7. Генератор 8 парных импульсов управляет переключением частот двухчастотного стабилизированного лазера 4 с помощью коммутатора 9 частот лазера 4 и этим же сигналом, поступающим на второй вход вычислительного блока 7, определяет время усреднения сигналов от измерителя 6 дробной доли порядка интерференции, поступающих на первый вход вычислительного блока 7. При этом, пьезокерамический модулятор 10, изменяя положение отражателя 3 опорного канала, вызывает модуляцию опти-" ческой разности хода на выходе интерферометра. Сигналы с выхода фотоприемника 5 поступают на резонансный усилитель t1, нафгро ййый. на частоту модуляции положения -отражателя 3 опорного канала интер Ьеройетра Иайкельсона. Резонансный усилитель 11 выделяет из них первую гармонику, величину которой определяет измеритель 12 амплитуды первой гармоники.

Величина сигнала на выходе измерителя 12 амплитуды пропорциональна дробной доли порядка интерференции.

При этом дистанционное определение расстояния осуществляется в вычислительном блоке 7 следующим обра- . зом.

Предварительно по величине расстояния В, измеренного с точностью 2 см, например, с помощью светодальнометра, вычисляется по формуле (1) разность целых порядков интерференции К на частотах излучения лазера „, 11 . Затем вводят в вычислительный блок 7 измеренные с помощью измерителя 6 дробной доли порядка интерференции дробные доли порядков интерференции а Ь2 на частотах,, 1 соответственно.

Производится вычисление целого числа порядков интерференции й, на частоте излучения 111 лазера по формуле где 1 h — длины волн, соответ2 ствующие частотам излученчя 1, М2 лазера.

Искомое уточненное расстояние определяется по формуле: р= " К+д ) (з1

Из формулы (3) видно, что относительная ошибка измерения определяет3 938660 ся стабильностью частоты лазера, ко- плитуды и разности @аэ не превосходят а торая имеет величину fO . Следова- 1 кГц. Следовательно, величину тельно, если исключить влияние атмо следует выбирать 1 мс. сферы на результат измерений, то от С другой стороны, корелляционныв носительная, погрешность измерений 5 связи флюктуации оптического сигнала величины расстояния Р так же соста- на приэемных трассах затухают за вревит величину 1-0 . мя «1 с. Поэтому целесообразно выВлияние флюктуацни атмосферы на брать временной интервал т между отрезультат измерения можно исключить,, дельныж измерениями > 1 с. Велнчинапример, ограничением времени ре- 10 ны Ф и Т определяют длительность пар, гистрацни интерференционной картины. имнульсон генератора 8 парных импуль. Для этого выполняется ряд измерений сов и интервал между ними. на двух частотак излучения лазера за малые промежутки временй

" с носледуюпщм осреднением в вы. . : числительном блоке 7. Поскольку as, вестно, что спектры 4люктуации амПредложенное устройство позволяет

11 измерять расстояния до 1 км. в один этап, то есть по дальномерному принципу с относительной погрешностью 10

Е.

Составитель й.Пров

Редактор Л.Письман ТехредИ.Надь Корректор Н,Король

Заказ 1679/2

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