Устройство для измерения расстояний

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 01 С Зl ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР00 делАм изОБРетений и ОтнРы 1 ий АВТОРСМОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(46) 15.08.85, Бюл. й. 30 (72) А.Б.Бушуев, В.В.Григорьев, Ю,В.Литвинов и И.П.Салмыгин (71) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени институт точной механики и оптики(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ, содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель, модулятор и отражатель с отверстием, установленный под углом к оптической оси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединен с регистратором, а второй вход фазометра подключен к управляю" щему входу модулятора и к выходу управляемого генератора, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений путем непрерывного автоматического учета влияния внешней среды на показатель преломления, оно снабжено дополнительным отражателем, вторым приемки" ком, вторым фазометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между моду-, лятором и отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем оба полупрозрачных зеркала расположены под углом к соответстО вующим оптическим осям, а выход вто рого приемника через первые входы последовательно соединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен к входу управляемого ге- Ф нератора, .второй вход интегратора соединен с выходом модели среды, а второй вход второго фазометра - с управляющим входом модулятора и с выходом управляемого генератора.1 11731Изобретение относится к свето- ф"дальномерным автоматическим системам и предназначен для автоматизацииизмерения расстояний до различныхобъектов с высокой точностью, например, для измерения деформации сооружений.Известно лазерное устройство дляизмерения расстояний, состоящее изопорного генератора, выход которого 10через последовательйо соединенныемодулятор, источник света, переключающее устройство, детектор и второй усилитель подключен к первомувходу сравнивающего устройства, выход которого соединен с индикатором,а второй вход через первый усилительподключен к выходу модулятора, дру-;гой выход второго усилителя соединенс устройством коррекции амплитуды ДурОднако в данном устройстве неучитывается изменение условий окружающей среды, происходящее непосредственно в процессе проведения измерений. Для уменьшения погрешностей 25от влияния среды на трассе прохождения луча применяется многократноеизмерение расстояния и осреднениерезультатов измерений. Это приводитк увеличению времени, необходимогодля проведения измерений, т. е.ухудшаются динамические свойства измерителя при незначительном увеличении точности.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результату35к предлагаемому является устройстводля измерения расстояний, содержащее излучатель, на оптической оси ко"торого находятся модулятор отражающий элемент, имеющий отверстие ирасположенный под углом к оптической оси, .и отражатель, установленный,на объекте, оптически связанный черезотражающий элемент, имеющий отверстие, с входом первого приемника,выход которого через первый входпервого фазометра соединен с регистрирующим устройством, а второй входпервого фазометра подключен к управляющему входу модулятора и к выходууправляемого генератора, вход которого соединен с выходом модели среды 21,непосредственно в процессе измерений, влияющих на показатель преломления среды на трассе и снижающихточность измерений.Целью изобретения является повышение точности измерений путем непрерывного автоматического учетавлияния внешней среды на показательпреломления.Для достижения поставленной целиустройство для измерения расстояний,содержащее модель среды, последовательно расположенные излучатель,модулятор и отражатель с отверстием,установленный под углом к оптическойоси излучателя, приемник, выход которого через фазометр соединен с регистратором, а второй вход фазомет-ра подключен к управляющему входумодулятора и к выходу управляемогогенератора, снабжено дополнительнымотражателем, вторым приемником, вторым фаэометром, сумматором, интегратором, первым полупрозрачным зеркалом, расположенным между модулятороми отражателем с отверстием, и вторым полупрозрачным зеркалом, установленным между дополнительным отражателем и вторым приемником, причем обаполупрозрачных зеркала расположеныпод углом к соответствующим оптическим осям, а выход второго приемникачерез первые входы последовательносоединенных второго фазометра, сумматора и интегратора подключен квходу управляемого генератора, второй вход интегратора соединен свыходом модели среды, а второй входвторого фазометра - с управляющимвхо;.,ом модулятора и с выходом управляемого генератора.На чертеже представлено предлагаемое устройство,Устройство содержит интегратор 1,модель 2 среды, управляемый генератор 3, модулятор 4, излучатель 5,первое полупрозрачное зеркало 6,отражатель 7, имеющий отверстие,объект 8, второе полупрозрачное зеркало 9, дополнительный отражатель10, второй приемник 11, второй фазометр 12, сумматор 13, первый приемник 14, первый фазометр 15, регистратор 16.55 Однако в указанном устройствеиспользуется статическая неточнаямодель атмосферы, не учитывающаядинамических изменений метеоусловий Сущность изобретения заключается в следующем. Для измерения дальности используется фазовый метод, Посылаемое на трассу оптическое излуче-,ние модулируется по интенсивности.По разности фаз огибающих посланногои отраженного сигнала определяетсядальность объекта,Дальность П связана с измеряемымфазовым сдвигом Ь соотношением скорость света в вакууме; 10частота модуляции по интенсивности непрерывного лазер.ного излучения,групповой показатель преломления, усредненный по всей 5трассе измерений. Для уменьшения погрешности вводится дополнительный тестовый канал измерения эталонного расстояния (контрольного базиса) до отражателя, при 20 , чем метеорологические условия на .трассе измерения расстояний отражателя и объекта одинаковы, Поскольку контрольный базис известен и постоя- нен, можно выявить ошибку измерения дальности, вызванную изменением п, т.е. внешней средой, и автоматически скорректировать измерения дальности объекта. Комплекс строится таким образом, что в отличие от основного канала измерения дальности объекта, являющегося разомкнутым, тестовый канал является замкнутой автоматической системой и отрицательной обратной связью, Эта замкнутая систе ма стабилизирует заданный фазовый сдвиг, соответствующий контрольному базису при номинальных значениях ГМ и й, . Если групповой показатель преломления й при измерении конт рольного базиса из-за влияния среды на трассе отличается от номинального. то и измеренный фазовый сдвиг будет отличаться от заданного. Сигнал разности этих фазовых сдвигов воздейст вует в конечном итоге на частоту модуляции Ем и изменяет ее так, чтобы скомпенсировать ошибку в фазовых сдвигах, Таким образом, несмотря на . изменения й в тестовом канале все 50 время поддерживается постоянным произведение Йм й равное произведению их номинальных значений. Поскольку оптические части основного и тестового каналов находятся в од них и тех же условиях (одни и те же опти 4 еское излучение, частота модуляции Хм и показатель п, ), то в основном канале поддерживается постоянным произведение г й . Тогдамнеизвестное расстояние до объекта определяется по формуле (1), в которой коэффициент пропорциональности при измеренном фазовом сдвиге Аосновного канала уже является постоянным, независящим от изменений й Тем самым, в отличие от прототипа, непрерывно в процессе измерений автоматически устраняется влияние среды на изМерение дальности, а следовательно, повышается точность,Работа дальномерного комплекса заключается в следующем. Комплекс содержит два канала измерений, Основной канал измерения неизвестного расстояния является разомкнутым. Тестовый канал измерения эталонного расстояния (контроль ного базиса) является замкнутой авто. матической системой. Перед началом серии измерений на второй вход интегратора 1-подается постоянный сигнал начальных условий с выхода модели 2 среды. Этот сигнал формируется на основании физико-метеороло гических условий, существующих в момент начала работы комплекса. В первый момент после включения комплекса в работу сигнал на выходе интегратора 1 определяется только начальными условиями, заданными с модели среды, С выхода интегратора 1 сигнал подается на вход управляе" мого генератора 3. Генератор 3 вырабатывает гармоническое напряжение, частота которого соответствует входному сигналу генератора 3, т.е. в первый момент времени генератор 3 выдает на управляющий вход модулятора 4 напряжение номинальной частоты модуляции мм . Излучатель 5 посылает непрерывное излучение на модулятор 4. Модулированное по интенсивности с частотой Тм нем излучение, выйдя из модулятора 4, первымФ полупрозрачным зеркалом 6 разделяет" ся на две части. проходящий поток основного канала поступает через отверстие в отражателе 7 на отражатель, установленный на объекте 8, а отраженный от зеркала 6 поток тестового канала попадает на второе полупрозрачное зеркало 9. Отражаясь от зеркала 9, тестовый поток поступает на трассу измерения контроль" ного базиса, Контрольный базис ог 1173187раничен дополнительным отражателем10. На отражателе 10 устанавливается светсвозвращатель (например, триппель-призма), направляющий проходящий через второе полупрозрачноезеркало 9 поток на второй приемник11, Оптические трассы основного итестового каналов находятся водинаковых метеорологических усло рвиях, т.е. проходя через среду содним и тем же групповым показателем .преломления п, . Во втором фотоприемнике 11 выделяется огибающая оптического излучения и подается напервый вход второго фазометра 12,на второй вход которого подаетсяопорный сигнал с частотой Ем о,А свыхода управляемого генератора 3,фазометр 12 измеряет сдвиг фаз своих входных сигналов. Сигнал, прошед"оший оптическую трассу и поступившийна первый вход второго фазометра12, отстает по фазе от сигнала навтором входе фазометра 12. Пустьгрупповой показатель преломленияна трассе измерений постоянный,равный своему номинальному значению,тогда, в соответствии с формулой(1) сигнал на выходе второго фазометра 12 равен4 Я КБною С Ем нол ф комогде дноминальный фазовый сдвиг соответствующий произведению номинальных значений частоты модуляциигруппового показателя преломления, КБ - контрольный базис. Сигнал с выхода второго фаэометра 12 подается на первый вход алгебраического сумматора 13,на второй вход которого также подайтся постоянный сигнал ву. Сумматор 13 производит вычитание сигналов, пос 45 тупающих на его входы. Поск".чьку на входы сумматора 13 подаются одинаковые сигналы, то разность их равна нулю.и выходной сигнал сумматора 13, поступающий на первый вход интегратора 1, равен нулю. Поэтому сиг: нал на выходе интегратора 1. остается постоянным, соответствующим начальным условиям, Следовательно, частота модуляции оптического излучения остается постоянной и равной Е но . В основном канале световозвращатель (например, триппель-.призма или катафот), установленный на объекте 8, направляет световой поток на отражающий элемент 7, с которого отраженное излучение поступает на вход первого приемника 14. Сигнал огибающей оптического излучения с выхода приемника 14 подается на первый вход первого фазометра. 15, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода управляемого генератора 3. Сигналсдвига фаз йа выходе первого фазометра 15 несет информацию об измеренной дальности. Этот сигнал подается на вход регистратора 16, который определяет измеренную дальность П до объекта 8 по формулеоВ щ= Сь,4 Т 1 Ем иом пгоомгде С = Со(4", Еином йг ноч) - коэффициент пропорциональности.В качестве регистратора 16 может быть использован самописец с масштабирующим усилителем на входе (например, самописец марки ЛКД 4-003). В этом случае входом регистратора 16 будут клеммы "Вход" самописца ЛКД 4-003. Коэффициент усиления масш" табирующего усилителя самописца устанавливается постоянным и равным С, тогда на самописце будет воспроизвоциться сигнал дальности О,Если метеоусловия на трассе измерений изменятся, то сигнал на выходе второго фаэометра 12 уже не будет равен ЬЩоц , так как под влиянием среды иэме.:нтся групповой показатель преломления, а контрольный базис и частота модуляции останутся прежними. Тогда на выходе сумматора 13 появится разностный сигнал, по величине и знаку соответствующий величине и знаку отклонения п, от й.ноцРазностный сигнал поступает на первый вход интегратора 1, начинает изменяться, сигнал на выходе интегратора 1, следовательно, изменяется и частота модуляции на выходе управляемого генератора 3, изменяется сдвиг фаз на выходе второго фазометра 12 до тех пор, пока не станет равным Ьцо, , но уже при других (не номинальных) значениях Е и и М ном пг ном Ео пгр). Интегратор 1 перестает интегрировать, поскольку сигнал на его первом входе становится равным нулю. Сигнал на его выходе остается постоянным и равным тому значению, которое су. ществовало на его выходе в момент равенства нулю сигнала на его первом входе. В комплексе устанавливается частота модуляции, соответствующая компенсации изменений п В этом случае коэффициент С остается постоянным и для основного кана ла, следовательно, влияния измене-. ния группового показателя преломле" ния на измерения дальности исключаются. Конструктивно в качестве излучателя 5 может быть использован Не-Иелаэер, генерирующий непрерывное оптическое излучение (например, марки ЛГ),Модулятором 4 может быть электрооптический модулятор с использованием поперечного эффекта Поккельса. В этом случае оптическим входом модулятора 4 является вход поляризатора, выходом модулятора 4 - ,выход модулятора Поккельса, а управляющим входом модулятора 4 - обкладки. Именно на эти обкладки подает,ся сигнал напряжения с выхода управляемого генератора 3. Первый 14 и второй 11 приемники конструктивно могут быть выполнены одинаково в виде фотоэлектронного умножителя с линзой, фокусирующей световой поток на катоде ФЭУ. Первый 15 и второй 12 фазометры могут быть также одина ковыми (например, может использоваться серийно выпускаемый фазометр .типа Ф 2-13). Модель 2 среды конструк тивно может представлять собой регу 10 лируемый источник напряжения. Управляемый генератор 3 технически может быть выполнен по одной из известных схем.В качестве базового объекта при 15 нят промышленно выпускаемый светодальномер тина МСД.Аппаратурная точность современньвсветодальнометрических приборов достигла предела и дальнейшее повышение 20 точности может быть обеспечено, в,основном, за счет более точного определения среднеинтегрального показателя преломления на трассе измерений. Поэтому введение дополнительных блоков, по сравнению с прототипом, позволяет учесть влияние среды на трассе измерений на ошибку измерения дальности, повышая тем самым точность измерений. Дополнительные блоки, кроме того, позволяют автоматизировать процесс измерений, повысить производительность измерительных работ.1173187 Составитель В,Лыковткина Техред Л.Микеш Корректор А едактор ар Заказ 5038/ илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж ВНИИПИ Гос по дела 035, Москваарственног изобретени Ж, Рауш Подписноекомитета ССи открытийая наб., д.