close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11972

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11972
(13) C1
(19)
G 01C 3/08
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА
ПОСРЕДСТВОМ ДВУХВОЛНОВОГО ЛАЗЕРА
(21) Номер заявки: a 20071440
(22) 2007.11.27
(43) 2008.06.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) BY 8172 C1, 2006.
BY 3886 U, 2007.
BY 4076 C1, 2001.
BY 5991 C1, 2004.
RU 2091710 C1, 1997.
US 5621514 A, 1997.
BY 11972 C1 2009.06.30
(57)
Способ измерения дальности до объекта посредством двухволнового лазера, в котором объект одновременно сканируют с заданной угловой скоростью ω двумя параллельными пучками непрерывного лазерного излучения различных оптических частот f1 и f2,
разнесенными в пространстве на заданное расстояние d вдоль линии сканирования, осуществляют гетеродинный прием отраженного от объекта излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и определяют дальность L до любой выбранной точки объекта в
соответствии с выражением
L = d / tg (ω∆t ) ,
где ∆t - разность времен приема доплеровских сигналов от различных пучков излучения,
соответствующих одинаковым значениям радиальной скорости указанной точки.
Фиг. 1
BY 11972 C1 2009.06.30
Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и может использоваться в
строительстве и монтаже крупных инженерных сооружений, а также для получения изображений и профилей заданной области пространства.
Известен способ измерения профиля земной поверхности [1], заключающийся в посылке с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и гетеродинном приеме
отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, при этом угол наклона
поверхности к горизонтали в точке падения лазерного луча определяется из отношения
вектора радиальной скорости движения, вычисленной из доплеровского сдвига частоты к
горизонтальной скорости движения летательного аппарата; затем по величине угла наклона в каждой точке поверхности восстанавливается полный профиль поверхности по линии
движения. Недостатком этого способа является невозможность измерять дальность до
конкретной точки заданной области пространства. Кроме того, недостатком [1] является
низкая точность измерений профиля в точках, где поверхность объекта параллельна направлению лазерного луча.
Наиболее близким является лазерный дальномер [2], содержащий генератор, усилитель, лазер, приемник излучения, измерительный блок. Принцип измерения дальности основан на измерении времени задержки лазерного излучения на дистанции. При этом для
обеспечения высокой точности измерений необходимо измерять временные интервалы с
точностью десятки-сотни пикосекунд. Это требование значительно усложняет измерительную схему дальномера и увеличивает время единичного измерения до нескольких секунд. Поэтому такие дальномеры не позволяют производить большое число измерений
дальности с высокой точностью за несколько секунд, то есть не позволяют получать изображения и профили заданной области пространства с высокой точностью за короткое
время.
Задача изобретения - обеспечение возможности измерять дальность до объекта с
высокой точностью при минимальном времени измерений и повышение точности определения профиля объектов заданной области пространства. Решение поставленной задачи
позволит использовать предлагаемое изобретение в строительстве и монтаже крупных
инженерных сооружений, а также для получения изображений и профилей предметов в
заданной области пространства с высокой точностью, например для ориентирования роботов
в пространстве или для измерения профиля скал, пещер, ущелий и т.п.
Для решения поставленной задачи объект одновременно сканируют с заданной угловой скоростью ω двумя параллельными пучками непрерывного лазерного излучения различных оптических частот f1 и f2, разнесенными в пространстве на заданное расстояние d
вдоль линии сканирования, осуществляют гетеродинный прием отраженного от объекта
излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и определяют дальность L до любой
выбранной точки объекта в соответствии с выражением
L = d / tg (ω⋅∆t),
где ∆t - разность времен приема доплеровских сигналов от различных пучков излучения,
соответствующих одинаковым значениям радиальной скорости указанной точки.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый
способ, а на фиг. 2 и 3 - векторные диаграммы, поясняющие его работу.
Для реализации заявляемого способа используются: двухволновой лазер 1, спектральный
селектор 2, светоделители 3, светоделители 4 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, блок сдвига частоты гетеродинного излучения 5, гетеродинные фотоприемники 6, 7, блок измерения доплеровских сдвигов частоты 8, вычислительный блок 9.
Для решения поставленной задачи в качестве источника зондирующего излучения используется двухволновой инжекционный полупроводниковый лазер [3], обеспечивающий
одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн. Разность длин волн генерации ∆λ = λ1 - λ2 для асимметричных квантоворазмерных лазерных
2
BY 11972 C1 2009.06.30
диодов [3] достигает значений 20-100 нм, а стабильность разностной длины волны обеспечивается синхронизацией электронно-оптических процессов в активной области лазера
и значительно превышает стабильность разности длин волн двух отдельно взятых лазеров.
Дальномер работает следующим образом. Двухволновой лазер 1 направляет на исследуемую область пространства непрерывное оптическое излучение на двух различных
длинах волн λ1, λ2, частоты которых f1 и f2 соответственно. Излучение от лазера попадает
на спектральный селектор 2, где происходит пространственное разделение излучения на
два пучка, в одном концентрируется излучение на частоте f1, в другом - на частоте f2. Светоделители 3 выделяют часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного
оптического сигнала на частотах f1 и f2, которые после прохождения блока частотного
сдвига 5 (построенного, например, с использованием акустооптического модулятора)
сдвигаются по частоте на fg. Таким образом, на дистанцию посылают два параллельных
зондирующих луча на частотах f1 и f2, сдвинутых в пространстве вдоль линии сканирования на расстояние d, и осуществляется сканирование этими лучами заданной области пространства с угловой скоростью ω, как показано на фиг. 2.
Отраженное от поверхности объектов, попавших в поле зрения, оптическое излучение
на частотах f1 и f2 сдвигается по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровские частоты fd1, fd2 соответственно, которые имеют следующие значения:
ν f
ν f
f d1 = 2 = 1 ctg ϕ, f d 2 = 2 = 2 ctg ϕ,
(1)
c
c
где ν= = ω⋅r - линейная скорость перемещения лазерного луча вдоль линии сканирования,
r - расстояние до точки падения лазерного луча, ω - угловая скорость сканирования,
с - скорость света, ϕ - угол наклона поверхности к направлению лазерного луча.
Отраженное оптическое излучение, имеющее доплеровский сдвиг частоты, проходя
через светоделители 4, совмещается с гетеродинным излучением и попадает на фотоприемники 6, 7, причем излучения на частоте f1 попадают на первый фотоприемник 6, а на
частоте f2 - на второй фотоприемник 7. В результате фотогетеродинирования на фотоприемниках 6, 7 выделяются разностные частоты fg – fd1 и fg – fd2 соответственно. Сдвиг
частоты гетеродинного излучения на величину fg необходим для определения знака доплеровского сдвига частот fd1, fd2. С выходов фотоприемников 6, 7 электрические сигналы
попадают в блок измерения доплеровских сдвигов частоты 8, где происходит измерение
его параметров.
В блоке 8 измеряются значения доплеровских частот fd1, fd2, обусловленные радиальной скоростью движения точки поверхности vr, которая связана с линейной скоростью
сканирования лазерного луча ν= следующим образом νr = ν=⋅ctgϕ (2), где ϕ - угол наклона
поверхности к направлению лазерного луча (фиг. 2). Код измеренных частот поступает в
вычислительный блок 9, который производит обработку сигнала по следующему алгоритму. По значениям доплеровских частот fd1, fd2 определяется величина и знак радиальной
скорости ν r (фактически угол наклона поверхности к направлению лазерного луча), соответствующей различным точкам поверхности сканируемого объекта, по формулам
νir
fi c
= d1 ,
2f1
ν rj
f dj2c
,
=
2f 2
(3)
где i, j = 1, 2, 3… - порядковый номер точки поверхности сканируемого объекта. Значения
ν ir , ν rj записываются в вычислительный блок 9, при этом для каждого значения радиальной скорости фиксируется соответствующее значение времени появления доплеровского
сигнала ti, tj.
Как следует из формул (1) и видно из фиг. 2, в зависимости от угла наклона касательной в точке падения луча к линии направления лазерного луча, знак радиальной скорости
3
BY 11972 C1 2009.06.30
может быть как положительный (линии АВ, ЕН на фиг. 2), так и отрицательный (линия
CD на фиг. 2). При нулевом значении νr (линии ВС, DE на фиг. 2) касательная к поверхности будет расположена перпендикулярно к направлению лазерного луча. На фиг. 3 представлена зависимость величины радиальной скорости vr от времени при сканировании
поверхности, показанной на фиг. 2, при этом на фиг. 3а - для луча с частотой f1, а на
фиг. 3б - для луча с частотой f2. Очевидно, что точки поверхности с одинаковым углом
наклона касательной ϕ дадут одинаковые значения радиальной скорости νr для каждого из
зондирующих лучей. Однако так как зондирующие лучи раздвинуты в пространстве на расстояние d, то время появления этих сигналов будет разное, причем разность времен появления сигналов ∆t (фиг. 3 - ∆t1, ∆t2, ∆t3…) будет определять расстояние до измеряемой
точки поверхности. Таким образом, дальность до измеряемой точки сканируемой области
пространства определяется по формуле
L = d / tg (ω⋅∆t),
(4)
где ω - угловая скорость сканирования заданной области пространства, ∆t - разность времен появления доплеровских сигналов на частотах f1 и f2, показывающих одинаковые значения радиальной скорости измеряемой точки сканируемой области пространства.
Из алгоритма работы заявляемого объекта следует: по значениям доплеровских частот
fd1, fd2 отраженного излучения определяется величина и знак радиальной скорости vr точки
падения лучей (фактически угол наклона поверхности к направлению лазерного луча),
при этом для вычисления дальности необходимо лишь определить разность ∆t времен
прохождения данной точки лучами f1 и f2. Следовательно, погрешность измерения дальности будет определяться точностью измерения ∆t при известных значениях угловой скорости сканирования ω и расстояния между зондирующими лучами d.
В известном способе измерения расстояний [2] дальность определяется по времени задержки излучения на дистанции, в то время как в предложенном способе для измерения
дальности определяется доплеровский сдвиг частоты, обусловленный радиальной скоростью движения точки поверхности при ее сканировании. Очевидно, что значение частоты
можно измерить более точно, чем величину малых временных интервалов, за счет чего
достигается повышение точности измерения дальности. Кроме того, в заявляемом способе
точность повышается также за счет независимости результата измерения расстояния от
амплитуды дистанционного сигнала, так как погрешность измерения частоты не зависит
от амплитуды сигнала.
Таким образом, использование в качестве источника зондирующего излучения в лазерном дальномере двухволнового полупроводникового лазера, обеспечивающего одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн, а также
использование соответствующего алгоритма обработки дистанционных сигналов, позволяет по сравнению с [2] обеспечить возможность измерять дальность до всех точек объекта с высокой точностью при минимальном времени измерений и повысить точность
определения профиля объектов.
Использованные источники:
1. Патент РБ 4076, МПК G 01В 11/24, 2001.
2. Патент РБ 8172, МПК G 01С 3/08, 2006.
3. Патент РБ 1385, МПК H 01S 3/19, 1996.
4
BY 11972 C1 2009.06.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
172 Кб
Теги
by11972, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа