Лазерный дальномер

(56) боты ленньИ.,Андрусенко А.М. и дстановка высокой точи Поверочная сти для восины в област змерительная 31. произведбольшихтехника" ия единицы д ин, Буркал " М 2, 1981, с(54) (57) ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМ,Р, содержащий первый лазер, с первым выходомкоторого оптически связаны последовательно установленные светоделитель, двнешний оптический отражатель и плоское зеркало, оптически связанное с Рвходом первого фотоэлектрического хпреобразователя, подключенного выхо- мдом через первый детектор с фильтром фнижних частот к первому входу фазомет- чра, оптически связанный входом со есветоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенныйвыходом через второй детектор с фильтром нижних частот к второму входу фазометра, фотоэлектрический преобраэоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬГГИЙ 3477158/40-2310,06.8215.09.87. Бюл. У 34А.М,Андрусенко, В,П.Данильченко, Купко, И,В.Лукин и А.В.Прокопов 621.373.8(088.8)Сундуков А.Я.Геодезические рапри возведении крупных промышх сооружений и высотных зданий. Недра", 1980, с. 84. ватель 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены второй лазер, оптически связанный через первый и второй оптические аттенюаторы с входами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, послеовательно включенные двухканальный синтезатор частот, коммутатор и втоой блок фазовой автоподстройки, выод которого подключен к управляющеу входу второго лазера, при этом отоэлектрический преобразователь астот выполнен двухканальным, вход го 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 частоты1 107579Предлагаемое устройство для измерения расстояния относится к области дальнометрии и может быть ис.пользовано, в частности в метрологических целях, для высокоточных геодезических измерений, при юстировкекрупногабаритных радиоинтерферометров и ряде других работ.Известен лазерный дальномер, содержащий лазер, фотоприемник, генератор опорного напряжения и фазовыйдетектор.Недостатком его является низкаяточность измерения дальности применительно к требованиям прецизионных измерений.Наиболее близким к настоящемуустройству является лазерный дальномер, используемый в качестве дальномерной части поверочной установкивысшей точности. Он содержит двухчастотный лазер, фотопреобразователиизмерительного и опорного каналов,опорный кварцевый генератор, умножитель частоты, делитель частоты, фазовый детектор и синтезаторы-преобразователи измерительного и опорногоканалов.Недостатком его является недоста-. З 0точно высокая точность измерений дальности за счет влияния фазовых сдвиговинформационных сигналов, происходящих во внутренних цепях лазерногодальномер а,Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигается засчет того, что в известное устройство,содержащее первый лазер, с первым вы- .40ходом которого оптически связаны последовательно установленные .светоделитель, внешний оптический отражательи плоское зеркало, оптически связанное со входом первого фотоэлектрического преобразователя, подключенноговыходом через первый детектор с фильтром нижних частот к первому входу фазометра, оптически связанный входомсо светоделителем второй фотоэлектрический преобразователь, подключенныйвыходом через второй детектор с фильтром нижних частот ко второму входуфазометра, фотоэлектрический преобразователь частот, входом оптически свя 55занный с вторым выходом первого лазера, а выходом - с первым входом первого блока фазовой автоподстройки,второй вход которого подключен к вы 8 гходу делителя частоты, а выход - куправляющему входу первого лазера,атакже кварцевый генератор, первый вход которого через умножительчастоты подключен к гетеродинным входам первого и второго фотоэлектрических преобразователей, а второй выходподключен ко входу делителя частоты,дополнительно введены второй лазер,оптически связанный через первый ивторой оптические аннтеюаторы совходами первого и второго фотоэлектрических преобразователей, последовательно включенные двухканальныйсинтезатор частот, коммутатор и второй блок фазовой айтоподстройки, выход которого подключен к управляющему входу второго лазера. при этомфотоэлектрический преобразователь,частот выполнен двухканальным, входего второго канала оптически соединен со вторым выходом второго лазера, выход - со вторым входом второгоблока фазовай автоподстройки, а входдвухканального синтезатора частотподключен к выходу делителя частоты.На чертеже изображена структурнаясхема лазерного дальномера, в составкоторого входят; первый лазер 1, второй лазер 2, первый блок фазовой автоподстройки 3, второй блок фазовойавтоподстройки 4, двуканальный фотоэлектрический преобразователь частот5, первый фотоэлектрический преобразователь 6, светоделитель 7, внешнийоптический отражатель 8, кварцевыйгенератор 9, умножитель частоты 10,делитель частоты 11, двухканальныйсинтезатор частот 12, коммутатор 13,первый детектор с фильтром нижнихчастот 14, второй детектор с фильтромнижних частот 15, фаэометр 16, второйфотоэлектрический преобразователь 17,плоское зеркало 18, первый оптическийаттенюатор 19, второй оптическийаттенюатор 20,Предлагаемое устройство работаетследующим образом.Лазеры 1 и 2 работают в двухчастотном режиме и каждый излучает колебания, состоящие из двух частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные Не-Ие-.лазеры сМ й 0,63 мкм и интервалом частот между генерируемыми каждым из лазеровдвумя колебаниями около 500,.5 Мгц).Каждый лазер имеет электрическуюподстройку частоты генерируемых коленими, например, Я 1, = 500,5 ИГц, а лазер 2 с интервалом частот ЛК = = 500, 495 МГц или дГ= 500,505 МГц в зависимости от состояния коммутатора 13. Стабильность величины частотных интервалов будет определяться стабильностью частоты кварцевого генератора .9Сигнал лазера 1 поступает на светоделитель 7, который делитего 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 сигналвозвращается 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 107579баний за счет установки одного изего зеркал на пьезокерамическом преобразователе. Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала: зонди5рующий - через прозрачное зеркалолазера и опорный - через "глухое"зеркало лазера. При этом интенсивность,опорного сигнала составляет около одного процента от интенсивности 1 Озондирующего сигнала. Опорные сигналы обоих лазеров поступают на двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 и используютсядля автоподстройки величины частотных 15интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями,Двухканальный фотоэлектрический преобразователь частоты 5 представляетсобой два отдельных фотоэлектрических умножителя (ФЭУ), помещенных в об.щий коаксиальный резонатор, возбуждаемый электрическим гетеродинным сигналом и создающий переменное электричесгкое поле в прикатодной области расположенных в нем ФЭУ,Гетеродинный сигнал поступает отумножителя частоты 10, который умножает частоту опорного кварцевого генератора 9 (например, частота опорногокварцевого генератора - 5 МГц, частота гетеродинного сигнала - 500 МГц).В двухканальном фотоэлектрическомпреобразователе 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 40преобразования частоты в прикатоднойобласти образуется электрический сигнал с разностнай частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждения коаксиального резонатора (так, при величине интервала частот лазера 1 ВЕ=- 500,5 МГц и интервала частот лазера 2 дй= 500,505 МГц на выходахФЭУ появляются электрические сигналыс частотами 500 кГц и 505 кГц, соответственно), Эти сигналы поступаютна фазовые детекторы первого и второго блоков фазовой автоподстройки3 и 4 и сравниваются по фазе с сигналами, поступающими от делителя частоты 11 - для автоподстройки лазера 1,а поступающими от двухканальногосинтезатора частот 12 через коммутатор 13 - для автоподстройки лазера 2.Получаемые сигналы рассогласованияусиливаются 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 образуетдва электрических сигнала с частотами, незначительно отличающимися от частоты сигнала на выходе делителячастоты 11 и симметрично по отношению к ней расположенными (например,частота сигнала на выходе делителяравна 500 кГц, а на выходе синтезатора 495 кГц и 505 кГц). Коммутатор13 позволяет попеременно подключатьодин иэ сигналов с выхода синтезатора 12 на второй блок фазовой автопод. стройки 4 лазера 2 и, таким образом, дискретно изменять величину частотного интервала между генерируемымиэтим лазером двумя оптическими колебаниями. Таким образом, за счет системы фазовой автоподстройки лазер 1будет генерировать два оптическихколебания с интервалом частот междувый и второй фотоэлектрические преобразователи 6 и 1 устроены аналогично фотоэлектрическому преобразователю частоты 5 и их коаксиальные ре 5 зюнаторы возбуждаются от умножителя частоты 10. В фотоэлектрических преобразователях 6 и 17 также производит. ся 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. За счет преобразования частоты в прикатодной области каждого ФЭУ образуются электрические сигналы с разностными частотами между частотами выделенных 25 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 име 35 ются суммы двух высокочастотных сигна 1 лов с незначительно отличающимися частотами. Они поступают на детекторы с фильтрами нижних частот 14 и 15.Постоянная времени этих фильтров зна чительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода биений между этими частотами. В резуль.1 ате этого на выходе каждого фильтра выделяется сигнал с частотой биений. фаза электрического сигнала, снимаемого с выхода фильтра нижних частот 15 измерительного канала несетинформацию о величине измеряемого расстояния, причем, единица измерительного масштаба определяется интерваломчастот между генерируемыми лазером 1и двумя оптическими колебаниями. Измерение фазы этого сигнала производитсяфазометром 16 по отношению к фазесигнала, снимаемого с выхода детектора с фильтром нижних частот 14. Фазометр 16 измеряет суммарный фазовыйсдвиг информационных сигналов, происходящий как за счет прохождения зондирующим лучом измеряемого расстояния,так и за счет прохождения информационных сигналов по внутренним цепям лазерного дальномера, Для уменьшениявлияния нестабильности фазовых сдвигов информационных сигналов внутрилазерного дальномера на погрешностьизмерений расстояний, в процессе измерения может периодически производиться его калибровка при помощи калибровочной короткозамыкающей оптическойлинии 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.1075798Техред М. Ходанич Корректор М.Демчик Редактор П. Горькова Заказ 4152Тираж 676 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4