Дальномер

(51) 5 О 01 С 3/О ОСУДАРСТВЕНН О ИЗОБРЕТЕНИ РИ ГКНТ СССР Й КОМИТЕТ И ОТНРЫТИ САНИЕ ИЗОБРЕТЕН К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ йки величиные;кду генерцруелюченцую к исптического сцгазовои автоподст тервалая ми, подрующе го част точн нала ного олеб з онди такыре ую оп роткоадержки, длибро ческую очную ини мык что,. ер ениятл ич а ищи иелью повышенияточ те ости и торои, рующего ки свяасстоянии, в неговухчастотный источптического сигнала ведены в ник зонд оптиче ельнымлемент нныи со светодел р джателе м и внешним оптическим подключенная к нему в фазовой автоподстрой рая системавеличины част измерении перемещений местах ее естественны бре Изои и ение отнт быть ипроведе емноц кори в рдзломо ц р осится к дальнометспользовано, в частнии метрологических стотных геодезипри юстировке крупнтерферометров,миост рабо п е других.Известны меры с к 1 то 1 ей счс то дог высоко ерений,ных ради етодаль регистр(56) Сунддков Я. А. Геодезические работы при возведении крупных промышленных сооружений и высотных зданий. М.; Недра, 1980, с, 84.Андрусенко А.М., Данильченко В.П, и др. Поверочная установка высшей точности для воспроизведения единицы длины в области больших длин. Измерительная техника, 1981, У 2, с. 31.(54) (57) ДАЛЬНОМЕР, содержащий двухчастотный источник зондирующего.оптического сигнала, оптически связанный с.ним светоделительный элемент, внешнийоптический отражатель,фотоэлектричес-,кий преобразовательчастот опорного иизмерительного сигналов, оптически связанный со светоделительным элементом ивнешним оптическим отражателем, кварцевый генератор и подключенные к немуумножитель и делитель частоты, систетотного интервала между генерируемыми им колебаниями, подключенный к ней синтезатор частоты, вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь час- С тот, подключенный между источниками зондирующих оптических сигналов и цх системами фазовой автоподстройки ве- ффяф" личины частотного интервала между гене- маей - ,рируемыми колебаниями и двд детектора с (П интегрирующими фильтрами, подключенные между выходами фотоэлектрического преобразователя частот опорного и измерительного сигналов и входдмц фазо-Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатуявляется дальномер, состоящий издвухчастотного лазерного источниказондирующего оптического сигнала, оптически связанного с ним светоделительного, элемента, внепнего оптического отражателя, фотоэлектрическогопреобразователя частот опорного и измер и тельно го си гнало в, оптиче ски свя занного со светоделительным элементоми внешним оптическим отражателем,кварцевого генератора и подключенныхк нему умножителя и делителя частоты, 15подключенной к источнику зондирующего сигнала системы фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генериру ыми колебаниями,двух синтезаторов - преобразователей 20информационных сигналов, подключенныхк выходам фотоэлек"рического преобразователя частоты опорного и измерительного сигналов, фаз ометра, подключенного к выходам синтезаторов-преобразователей, а также калибровочной ко-.роткозамыкающей оптической линии задержки,Недостатком известного устройстваявляется ограничение предельной точности измерения расстояний, вызываемое невозможностью уменьшения единицы измерительного масштаба ниже некоторого предельного значения без резкого уменьшения излучаемой лазероммощности оптического сигнала. Действительно, для увеличения разности между излучаемыми двухчастотным лазеромоптическими колебаниями (Г) необходимо уменьшить длину его оптического резонатора, что при Ь 1=500-б 00 МГц,вызывает резкое снижение излучаемойлазером мощности и, при дальнейшемуменьшении длины резонатора, переходв одночастотный режим работы, 45Целью изобретения является повьппение точности измерения расстояний,Поставленная цель достигается тем,чго в дальномер, содержащий двухчастотный источник зонцирующего оптического сигнала, оптически связанный сним светоделительный элемент, внешнийоптический отражатель, фотоэлектрический преобразователь частоты опорногои измерительноГо сигналовф оптически 55связанный со светоделительным элементом и внешним отражателем, кварцевыйгенератор и подключенные к нему умноълтель и делитель ча тоты, систему фазовой автоиодстройки величины частотного интервала между генерируемымиим колебаниями, подключенную к источнику зондирующего оптического сигнала, фазометр, а также калибровочную короткоз амыкающую оптическую линию задержки, введены второй двухчастоный источник зондирующего оптического сигнала, оптически связанный сосветоделительным элементом и внешнимоптическим отражателем, подключеннаяк нему вторая система фазовой автоподстройки величины частотного интерваламежду генерируемыми им колебаниями,подключенный к ней синтезатор частоты, вход которого соединен с делителем частоты, фотоэлектрический преобразователь частот, подключенный междуисточниками зондирующих оптическихсигналов и их системами фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми колебаниями,и два детектора с интегрирующимифильтрами, подключенные между выходами фотоэлектрического преобразователячастот опорного и измерительного сигналов.и входами фазометра,На чертеже изображена блок-схемапредлагаемого устройства,Оно содержит двухчастотный источник 1 зондирующего оптического сигнала, второй двухчастотный источник 2зондируюшего оптического сигнала, подключенную к источнику зондирующегооптического сигнала систему 3 фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемымиколебаниями, подключенную к второмуисточнику зондирующего оптическогосигнала систему 4 фазовой автоподстройки величины частотного интервала между генерируемыми им колебаниями, фотоэлектрический преобразовательчастот 5, подключенный между источ.никами оптических сигналов и их систе. мами фазовой автоподстройки, фотоэлек-,трический пр еобр аз ова ель 6 частотопорного и измерительного сигналов,оптически связанный со светоделительным элементом 7 и внешним оптическим .отражателеь 8, кварцевый генератор 9и подключенные к нему умножитель 10и делитель 11 частоты, подключенныйк делителю частоты синтезатор частот12, выход которого подключен к системе 4 фазовой автоподстройки величинычастотного интервала второго источни"ка зондирующего сигнала, детекторы 1351 г 2 и 14 с интегрирун 1 шимн фильтрами, подключенные к выходам фотоэлектрического преобразователя 6 частот опорного и измерительного сигналов, фазометр 5, подключенный к выходам этих де-.5 текторов с интегрирующими фильтрами, два глухих зеркала 16 и 17, оптически связанные с вторым источником зондирующего сигнала иотражателем 8, опО тически связанное с отражателем и фотоэлектрическим преобразователем частоты глухое зеркало 18 и калибровочную короткоз амыкающую оптическую линию 19 задержки, 15Предлагаемое устройство работает следущцим образом.Однотипные лазеры 1 и 2 работают в двухчастотном режиме, и каждый излучает колебания, состоящие из двух 20 частот оптического диапазона длин волн (например, двухчастотные Не-Белазеры с 30,63 мкм и интервалом частот между генерируемыми каждый из лазеров двумя колебаниями ЬГ=500, 25 501 МГц и И =499,5 МГц соответственно). Каждый лазер имеет электрическую подстройку частоты генерируемых им колебаний за счет установки одного из его зеркал на пьеэокерамическом 30 преобразователе, Каждый из лазеров излучает два оптических сигнала; рабочий - через прозрачное зеркало лазера и вспомогательный - через глухое зеркало лазера. При этом интенсивность вспомогательного сигнала составляет лишь око 35 ло одного процента от интенсивности рабочего сигнала, Вспомогательные сигналы обоих лазеров поступают на фотоэлектрический преобразователь 5 частот и используются для автоподстройки величины частотных интервалов между генерируемыми каждым из лазеров двумя колебаниями. Фотоэлектрический преобразователь 5 частот представляет собой два отдельных фотоэлектронных умножителя (ФЭУ), помещенных в общий коаксиальный резонаторвозбуждаемый электрическим гетеродинным сигналом и создающий перемен" ное электрическое поле в прикатодной области расположенных в нем ФЭУ, Гетеродинный сигнал поступает от умно- жителя частоты 1 О, который умножает частоту опорного кварцевого генератора 9 (например, частота опорного кварцевого генератора 5 МГц, частота гетеродинного сигнала 500 МГц). В фотоэлектрическом преобразователе часто 49ты осуществляется двойное преобразование частоты: на фотокатодах ФЭУ выделяется электрический сигнал с частотой, равной разности частот излучаемых двухчастотным лазером оптических колебаний, и затем за счет преобразования частоты в прикатодной области образуется электрический сигнал с разностной частотой между частотой выделенного электрического сигнала и частотой возбуждения коаксиального резонатора. (Так, в нашем примере при величине интервала частот лазера 1 Ь =500,501 МГц,и интервапа частот лазера 2 АГ =499,5 МГц на выходах ФЭУ фотоэлектрического преобразователя 5 частот появляются электрические сигналы с частотами 501 и 500 кГц соответственно), Эти сигналы поступают на фазовые детекторы отдельных систем автоподстройки величин частотных интервалов этих лазеров и сравниваются по фазе с сигналами той же частоты, поступающими от делителя частоты 11 для автоподстройки лазера 1 и поступающими от синтезатора частот 12для автоподстройки лазера 2. Получаемые на фазовых детекторах сигналы рассогласования усиливаются и подаются на пьезокерамические преобразователи с оответ ствующих л аз ер ов, которые изменяют длину их оптических резонаторов и, таким. образом, поддерживают номинальные значения интервалов частот между .генерируемыми оптическими колеб аниями. Рабочий сигнал (луч) лаз ер а 1 по ступает на светоделительный элемент (полупрозрачное зеркало) 7, который делит его на опорный и зондирующий сигналы, Опорный сигнал поступает непосредственно на фотоэлектрический прео бр аз оват ель 6 частот опорного и измерительного сигналов, а зондирующий сигнал направляется на внешний оптический отражатель 8, расположенный на удаленном конце измеряемого расстояния, Рабочий сигнал (луч) лазера 2 при помощи зеркал 16 и 17 направляется параллельно рабочему сигналу лазера 1 и также поступает на светоделительный элемент 7, который делит егона опорный и зондирующий сигналы, Опорный сигнал вместе с опорным сигнапом от лазера 1 поступает непосредственно на фотоэлектрический преобразователь 6, а зондирующий сигнал нап2349 где с 45 50 115 равляется на внешний оптический отражатель 8. По пути к внешнему оптическому отражателю 8, расположенному на удаленном конце измеряемого расстояния, зондирующие сигналы лазера 1 и лазера 2 образуют общий зондирующий сигнал, который после отражения возвращается и зеркалом 18 направляется на второй отдельный вход этого же фотоэлектрического преобразователя частот. Фотоэлектрический преобразователь б частот устроен аналогично фотоэлектрическому преобразователю 5, и их коаксиальные резонаторы возбуждаются от общего умножителя 10. В фотоэлектрическом преобразователе 6 частот также производится двойное преобразование частоты, Так как на фотокатоды ФЭУ сигналы от лазера 1 и от лазера 2 поступают несогласованными по плоскости оптических колебаний, то преобразование частоты излучения каждого лазера на фотокатоде происходит независимо друг от друга. Поэтому на фотокатоде каждого ФЭУ выделяется два электрических сигнала с час-. тотами, равными разности частот излу- чаемых двухчастотными лазерами 1 и 2 оптических колебаний (в нашем примере частоты этих электрических сигналов будут ЬГ 1=500, 501 МГц и ЬГ= =499,5 МГц). Затем за счет преобразования частот в прикатодной области каждого ФЭУ образуются электрические сигналы с разностнымн частотами между частотами выделенных на фотокатодах 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 пропускаемых ФЭУ частот и на его выход не проходят. (В нашем примере на выходе каждого ФЭУ будут присутствовать сигналы с частотами 501 и 500 кГц).1 Эти сигналы отдельно для каждого ФЭУ поступают и суммируются на детекторах 13 и 14 с интегрирующими фильтрами соответственно. Постоянная времени этих фильтров значительно больше периода поступающих на них двух колебаний с более высокой частотой и значительно меньше периода биений между этими частотами (в нашем примере 1/500 кГцй 10 с 2(1/1 кГц). В результате этого навыходе каждого фильтра выделяется сигнал с частотой биения (в нашем примере с частотой 1 кГц), Фазы каждого из электрических сигналов (501 и15 500 кГц), выделяюцихся на выходе ФЭУизмерительного канала, несут информацию о величине измеряемого расстояния причем фазы, этих электрических сигналов имеют противоположные знаки, Фаза электрического сигнала, снимае- мого с выхода детектора 14 с.интегрирующим фильтром (в нашем примере 1 кГц), также несет информацию о величине измеряемого расстояния, Однако ввиду того, что этот электрический сигнал получен суммированием электрических сигналов, имеющих разные знаки фаэовой зависимости от величины измеряемого расстояния, фазовый сдвиг это го сигнала будет равен сумме фазовыхсдвигов этих сигналов. Измерение фазы этого сигнала производится фазометром 15 по отношению к фазе сигнала, снимаемого с выхода детектора 13 с ин тегрируюшим фльтром. Измеряемое расстояние определяется нз выражения скорость света;разность частот излучаемыхпервым лазером оптическихколебаний;разность частот излучаемыхвторым лазером оптическихколебаний;число уложенных целых периодов;дробная часть периода;приборная поправка,1 52349 Корректор Н.Ревск Техред Редакто сынаи ык Тираж 402 НТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент Гагарина, 1 О г Заказ 4344ВНИИПИ Государств1 ого комитета по изобретения35, Москва, Ж, Раушская Подписноеоткрытиям ид. 4/5