close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6263

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6263
(13) C1
(19)
7
(51) G 01C 3/08
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР
(21) Номер заявки: a 20001142
(22) 2000.12.21
(46) 2004.06.30
(71) Заявители: Белорусский государственный университет; Фонд фундаментальных исследований Республики Беларусь (BY)
(72) Авторы: Козлов Владимир Леонидович; Кононенко Валерий Константинович; Манак Иван Степанович (BY)
(73) Патентообладатели: Белорусский государственный университет; Фонд фундаментальных исследований Республики Беларусь (BY)
BY 6263 C1
(57)
Прецизионный лазерный дальномер, содержащий последовательно соединенные источник питания и лазер, полупрозрачное зеркало для направления части излучения лазера
на первый спектральный селектор, оптически связанный с первым и вторым фотоприемниками, первое фазоизмерительное устройство, счетчик, вычислительный блок, отличающийся
тем, что содержит второй спектральный селектор для приема излучения, пришедшего с
дистанции, третий и четвертый фотоприемники, второе фазоизмерительное устройство,
первый и второй делители, коммутатор, причем лазер представляет собой полупроводниковый лазер с ассиметричной квантоворазмерной гетероструктурой, второй спектральный
селектор оптически связан с третьим и четвертым фотоприемниками, выходы первого и
третьего фотоприемников соединены с первым фазоизмерительным устройством, выходы
второго и четвертого фотоприемников - со вторым фазоизмерительным устройством, выходы фазоизмерительных устройств соединены с коммутатором, вход управления которого соединен с вычислительным блоком, а выход - с управляющим входом источника
питания, вход запуска которого соединен с вычислительным блоком, выходы второго и
четвертого фотоприемников через делители соединены соответственно со "старт" и "стоп"
- входами счетчика, выходы первого и второго фотоприемников соединены со счетными
входами счетчика, вход управления и двоичные входы которого соединены с вычислительным блоком.
BY 6263 C1
(56)
SU 1810753 A1, 1993.
RU 2164005 C2, 2000.
RU 2139498 C1, 1999.
SU 1811263 A1, 1996.
SU 1624251 A1, 1991.
SU 1075798 A, 1987.
US 4895441 A, 1990.
US 4153366 A, 1979.
WO 96/22509 A1.
Изобретение относится к области оптической дальнометрии и может использоваться в
геодезии, строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений.
Известен лазерный дальномер [1], содержащий генератор импульсов, лазерный излучатель, спектральный селектор, два приемника излучения, импульсное фазоизмерительное
устройство, счетчик, вычислительный блок. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений.
Задача изобретения - повышение точности измерений дальности путем повышения
стабильности разности оптических длин волн и исключения влияния амплитуды импульсов на результат измерения дальности.
Поставленная задача решается путем того, что в устройство [1], содержащее последовательно соединенные источник питания, лазер, полупрозрачное зеркало, спектральный
селектор, оптически связанный с первым и вторым фотоприемниками, фазоизмерительное
устройство, счетчик, вычислительный блок, вводятся второй спектральный селектор, третий и четвертый фотоприемники, второе фазоизмерительное устройство, два делителя и
коммутатор, в качестве источника излучения используется полупроводниковый лазер с
асимметричной квантоворазмерной гетероструктурой, а также осуществляются соответствующие функциональные связи между введенными блоками.
Функциональная схема устройства представлена на фигуре.
Устройство содержит импульсный источник питания 1, лазер 2, полупрозрачное зеркало 3, первый спектральный селектор 4, второй спектральный селектор 5, первый фотоприемник 6, второй фотоприемник 7, третий фотоприемник 8, четвертый фотоприемник 9,
первое фазоизмерительное устройство 10, второе фазоизмерительное устройство 11, первый делитель 12, второй делитель 13, многофункциональный счетчик 14, блок вычисления
и индикации 15, аналоговый коммутатор 16.
В качестве источника излучения 2 используется лазерный диод с асимметричной
квантоворазмерной гетероструктурой [2]. Принцип измерения заключается в установлении такой частоты следования зондирующих импульсов, при которой на дистанции будет
укладываться целое число периодов, т.е. фаза оптического импульса, прошедшего измеряемое расстояние, будет равна фазе опорного импульса, прошедшего контрольную линию задержки, используемую в качестве нулевого отсчета.
Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода блока 15 запускает импульсный источник питания 1, который подает управляющий сигнал на лазер 2. Лазер 2
излучает на дистанцию оптические импульсы с частотой f на длинах волн λ1, λ2. Полупрозрачное зеркало 3 направляет часть излучения лазера для использования в качестве опорного
сигнала. Оптическое излучение лазера, прошедшее опорную линию задержки, и излучение, пришедшее с дистанции, попадают соответственно на первый и второй спектральные
селекторы 4, 5. В спектральных селекторах происходит пространственное разделение излучения на два пучка, в одном концентрируется излучение на длине волны λ1 в другом λ2. С выходов блока 4 излучение, прошедшее опорную линию задержки, на длине волны
2
BY 6263 C1
λ1 попадает на первый фотоприемник 6, а на длине волны λ2 - на второй фотоприемник 7.
С выходов блока 5 излучение, пришедшее с дистанции, на длине волны λ1 попадает на
третий фотоприемник 8, а на длине волны λ2 - на четвертый фотоприемник 9. С выходов
фотоприемников 7, 9 через делители 12, 13 соответственно сигналы поступают на "старт"и "стоп"-входы многофункционального счетчика 14, где измеряется число периодов зондирующих импульсов N, укладывающихся за время распространения излучения на дистанции. Так как λ1 > λ2, то время распространения на дистанции излучения на длине
волны λ2 будет больше времени распространения излучения на длине волны λ1. Поэтому
для определения числа периодов зондирующих импульсов, укладывающихся на дистанции, используются импульсы на длине волны λ2, чтобы не допустить ошибки на один период. Импульсы, посланные на дистанцию, поступают на "старт"-вход счетчика 14 с
фотоприемника 7, а импульсы, пришедшие с дистанции, поступают на "стоп"-вход счетчика 14 с фотоприемника 9. Число импульсов между "старт" и "стоп" определяется путем
заполнения временного интервала импульсами на длине волны λ2. Делители 12, 13 используются для того, чтобы измерять временной интервал не между первыми импульсами,
посланными на дистанцию, а между n-ми (где n - 10÷50 - коэффициент деления делителей 12, 13). Это необходимо для того, чтобы исключить влияние переходных процессов
в момент начала генерации лазера 2. Таким образом, на начальном этапе определяется целое число периодов зондирующих импульсов N, укладывающихся за время распространения излучения на дистанции. После измерения N счетчик 14 сигналом с вычислительного
блока 15 переходит в режим измерения частоты следования оптических импульсов.
Одновременно с выходов фотоприемников 6, 8 сигналы подаются на первое фазоизмерительное устройство 10, а с выходов фотоприемников 7, 9 - на второе фазоизмерительное устройство 11. В фазоизмерительном устройстве 10 определяется разность фаз на
длине волны λ1 дистанционных импульсов и импульсов, прошедших опорную линию задержки, соответствующую нулевой дальности. В фазоизмерительном устройстве 11 определяется разность фаз дистанционных и опорных импульсов на длине волны λ2. Сигнал,
соответствующий разности фаз на длине волны λ2, через аналоговый коммутатор 16 поступает в источник питания 1, который путем изменения тока накачки изменяет частоту
следования лазерных импульсов. Согласно [2], частота следования лазерных импульсов
следующим образом зависит от тока накачки:

1 νk1  j
 − 1 ,
2π τ  jtr

где ν - скорость света, k1 - коэффициент потерь в резонаторе, τ - время жизни носителей
тока, j - плотность тока накачки, jtr - плотность порогового тока.
Сигнал с источника питания 1 изменяет частоту следования лазерных импульсов таким образом, чтобы фазы опорного и дистанционного импульсов совпадали, что будет соответствовать нулевому сигналу фазового рассогласования на выходе блока 11. Таким
образом, на дистанции будет укладываться целое число периодов импульсов, следующих
на длине волны λ2 с частотой f2. Величина частоты f2 измеряется счетчиком 14 и передается в вычислительный блок 15. Чтобы исключить ошибку в один период, система автоподстройки частоты f2 работает только в сторону увеличения периода следования импульсов
Затем сигнал с вычислительного блока переключает коммутатор 16, и он передает на источник питания 1 сигнал с фазоизмерительного устройства 10, в котором определяется
разность фаз на длине волны λ1 дистанционных и опорных импульсов.
Аналогично предыдущему режиму система автоматической подстройки частоты установит такую частоту следования импульсов f1 на длине волны λ1, чтобы на дистанции укладывалось целое число периодов. Так как λ1 > λ2, то время распространения на
дистанции излучения на длине волны λ2 будет больше, чем на длине волны λ1, т.е. частота
f=
3
BY 6263 C1
f1 будет всегда больше частоты f2. Чтобы исключить ошибку в один период, система автоподстройки работает в сторону увеличения периода следования импульсов. Величина частоты f1 измеряется счетчиком 14 и передается в вычислительный блок 15. Если в
результате автоподстройки произошла ошибка в один период (что практически маловероятно), то частота f1 станет меньше частоты f2, тогда сигналом с вычислительного блока
будет осуществляться автоподстройка частоты f1 в сторону уменьшения периода следования импульсов.
Так как скорость распространения оптического излучения в воздухе зависит от длины
волны, причем λ2 < λ1, то задержка на дистанции излучения на длине волны λ2 будет
больше, чем на λ1. Разность оптических задержек ∆t излучения на длинах волн λ1 и λ2 на
измеряемой дистанции равняется:
2Ln 2 2Ln1 2L
∆t =
−
=
(n 2 − n 1 ),
(1)
c
c
c
где L - измеряемое расстояние, с - скорость света в вакууме, n1, n2 - коэффициенты преломления воздуха на длинах волн λ1 и λ2 в условиях измерений.
Значение ∆n = n2-n1 также можно определить по разности оптических задержек ∆t следующим образом:
c
∆t
,
∆n = ∆t
= n2
(2)
2L
t opt
где topt - время задержки на дистанции излучения на длине волны λ2.
Используя (1) и (2), получаем формулу для расчета дальности:
ct opt c 
∆t

L=
=  t opt −
(n 2 − 1) .
(3)
2n 2 2 
∆n

В выражении (3) имеются четыре неизвестных topt, ∆t, n2 и ∆n. Значения n2 и ∆n можно
рассчитать на основании справочных данных, в частности, как международный стандарт
для дисперсии воздуха утверждена формула из справочника [3]. Из этой формулы следует
тождество:
n2 −1 n0 −1
=
,
(4)
∆n
∆n 0
где n0, n2 - показатели преломления воздуха на длине волны λ2 при стандартной температуре (значение берется из справочника) и в условиях измерений соответственно; ∆n0, ∆n разности показателей преломления на длинах волн λ1 и λ2 при стандартной температуре и
в условиях измерений соответственно.
Как следует из формулы [3], если заданы две длины волны излучения λ1 и λ2, то обратная относительная дисперсия воздуха, равная отношению (n1-1)/(n2-n1), оказывается
постоянной и не зависит от условий окружающей среды. Для удобства используем значения n0 и ∆n0 при стандартных условиях окружающей среды, т.е. t = 0 °С и p = 760 мм рт.ст.
Эти значения рассчитываются из справочных данных и их величины заносятся в память
вычислительного блока 15 для последующего расчета дальности. На основании (4) формула для расчета дальности приобретает вид:

c
∆t
L =  t opt −
( n 0 − 1) .
(5)
2
∆n 0

Значение topt определяется по величине частоты f2 и числу периодов зондирующих
импульсов N, укладывающихся за время распространения излучения на дистанции.
N
t opt =
.
(6)
fλ2
4
BY 6263 C1
Значение ∆t определяется по разности периодов следования импульсов с частотами f1
и f2:
N
N
∆t =
−
.
(7)
f λ 2 f λ1
Используя (6), (7), имеем окончательную формулу для расчета дальности:
cN  1 n 0 − 1  1
1 

 .
L=
−
−
(8)

2  f λ 2 ∆n 0  f λ 2 f λ1 
Таким образом, использование в качестве источника излучения полупроводникового
лазера с асимметричной квантоворазмерной гетероструктурой обеспечило получение зондирующего излучения на двух различных оптических длинах волн, а введение в устройство спектрального селектора, двух фотоприемников, второго фазоизмерительного
устройства, двух делителей, коммутатора и функциональных связей между ними позволило повысить точность измерений дальности, а также одновременно с измерением дальности получить информацию о скорости распространения излучения на дистанции и учесть
ее значение при вычислении дальности.
Источники информации:
1. А. с. СССР 1810753, МПК J 01 С 3/08, 1991.
2. Патент РБ 1385, МПК H01S 3/19, 1994.
3. Г. Эберт. Краткий справочник по физике. - М.: ГИФМЛ, 1963. - С. 240-241.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
169 Кб
Теги
by6263, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа