close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12471

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01B 11/24
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПОСРЕДСТВОМ ЛАЗЕРА
(21) Номер заявки: a 20080546
(22) 2008.04.24
(43) 2008.10.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
BY 12471 C1 2009.10.30
BY (11) 12471
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) BY 4076 С1, 2001.
SU 1103695 А1, 1992.
SU 415489, 1974.
JP 2000009463 A, 2000.
(57)
Способ измерения профиля земной поверхности посредством лазера, включающий
посылку с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и гетеродинный
прием отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, причем угол наклона поверхности к горизонтали в точке падения лазерного луча определяют из отношения вектора радиальной скорости движения v r , вычисленной из доплеровского сдвига
частоты, к горизонтальной скорости движения v = летательного аппарата, затем по величине угла наклона в каждой точке поверхности восстанавливают полный профиль поверхности по линии движения, причем величину превышения каждой последующей точки
измерения поверхности над предыдущей h определяют из выражения:
h = v r ∆t ,
где ∆t - время между измерениями,
отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют двухволновой
полупроводниковый лазер, обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух
Фиг. 1
BY 12471 C1 2009.10.30
различных оптических частотах f1 и f 2 , излучения на частотах f1 и f 2 посылают к исследуемой поверхности под разными углами, причем излучение на частоте f1 направляют
перпендикулярно к линии горизонта, а излучение на частоте f 2 направляют под углом α
к направлению f1 , определяют расстояние между верхней и нижней точками поверхности
∆h , которая параллельна направлению лазерного луча на частоте f1 из выражения:
v (∆t − ∆t1 )
∆h = = 2
,
tgα
где ∆t1 , ∆t 2 - разность времен прохождения верхней и нижней точек поверхности соответственно лучами на частотах f1 и f 2 ;
α - угол между зондирующими лучами на частотах f1 и f 2 .
Изобретение относится к лазерной локационной технике и может быть использовано в
геодезии для получения изображений и профилей местности.
Известен лазерный профилометр [1], способ определения профиля поверхности в котором заключается в непрерывном измерении и записи высоты полета при передвижении
летательного средства над местностью. Основным недостатком этого способа, ограничивающим точность измерений, является необходимость строго горизонтального передвижения летательного средства над местностью. Любое отклонение от горизонтального
передвижения дает погрешность в определении высоты подстилающей поверхности, а
следовательно, и в определении профиля местности.
Наиболее близким является способ измерения профиля земной поверхности [2], 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 [2] является низкая точность измерений профиля в точках, где поверхность земли параллельна направлению лазерного
луча. Кроме того, эта система не позволяет измерять высоту полета летательного средства.
Задача изобретения - повышение точности определения профиля земной поверхности
в точках, где поверхность земли параллельна направлению лазерного луча (ямы, обрывы,
скалы), и обеспечение возможности измерения высоты полета летательного средства в
процессе измерений.
Для решения поставленной задачи в способе измерения профиля земной поверхности,
заключающемся в посылке с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и
гетеродинном приеме отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты,
причем 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, причем величина превышения каждой последующей точки измерения над предыдущей определяется по формуле h = vr · ∆t, где vr радиальная скорость, ∆t - время между измерениями, в качестве источника излучения использован двухволновой полупроводниковый лазер, обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических частотах f1 и f2, при этом излучения на
этих частотах посылаются к исследуемой поверхности под разными углами, причем излу-
2
BY 12471 C1 2009.10.30
чение на частоте f1 направляется перпендикулярно к линии горизонта, а излучение на частоте f2 направляется под углом α к направлению f1, а расстояние между верхней и нижней
точками поверхности, которая параллельна направлению лазерного луча на частоте f1, определяется по формуле:
ν (∆t − ∆t 1 )
∆h = = 2
,
tgα
где α - угол между зондирующими лучами на частотах f1 и f2, ∆t1, ∆t2 - разность времен
прохождения верхней и нижней точек поверхности соответственно лучами на частотах f1
и f2.
Свойства, появляющиеся у заявляемого способа, следующие:
повышение точности измерения профиля поверхности в тех точках, где поверхность
земли параллельна направлению лазерного луча на частоте f1;
заявляемый способ позволяет измерять высоту полета летательного средства в точках,
где происходит резкое изменение угла наклона поверхности к линии горизонта (ямы, обрывы, скалы).
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый
способ, а на фиг. 2 - векторные диаграммы, поясняющие его работу.
Для реализации заявляемого способа используются: двухволновой лазер 1, светоделитель 2, дисперсионная призма 3, светоделитель 4 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, спектральный селектор 5, гетеродинные фотоприемники 6, 7, блок
измерения доплеровского сдвига частоты 8, вычислительный блок 9, блок индикации 10.
Для повышения точности определения профиля земной поверхности в точках, где
поверхность земли параллельна направлению лазерного луча, в качестве источника зондирующего излучения предлагается использовать 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 диодов [3] достигает значений 20-120 нм.
Система работает следующим образом. С летательного аппарата, передвигающегося
над поверхностью земли, от двухволнового лазера 1 направляется непрерывное оптическое излучение на двух различных длинах волн λ1, λ2, частоты которых f1 и f2 соответственно. Светоделитель 2 выделяет часть зондирующего излучения для формирования
гетеродинного оптического сигнала. С помощью дисперсионной призмы 3 излучение на
частотах f1 и f2 посылается к исследуемой поверхности под разными углами, причем излучение на частоте f1 направляется перпендикулярно к линии горизонта, а излучение на частоте f2 направляется под углом α к направлению f1. Отраженное от поверхности земли
оптическое излучение на частотах f1 и f2 сдвигается по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровские частоты fd1, fd2 соответственно:
v f
v f
f d1 = 2 = 1 tgϕ, f d 2 = 2 = 2 tg (ϕ + α ),
(1)
c
c
где v= - горизонтальная скорость летательного аппарата, с - скорость света, ϕ - угол наклона поверхности к горизонтали в точке падения лазерного луча.
Отраженное от поверхности земли оптическое излучение, имеющее доплеровский
сдвиг частоты (1), проходя через светоделитель 4, совмещается с гетеродинным излучением и попадает на спектральный селектор 5, где происходит пространственное разделение
излучения на два пучка, в одном концентрируется излучение на частотах f1 и f1 + fd1, в
другом - на частотах f2 и f2 + fd2. С выходов блока 5 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 доплеровские частоты
fd1 и fd2 соответственно. С выходов фотоприемников 6, 7 электрические сигналы попадают
в блок измерения доплеровского сдвига частоты 8, где происходит измерение его пара-
3
BY 12471 C1 2009.10.30
метров. Блок 8 целесообразно построить с использованием оптимальных методов обработки сигналов согласованными фильтрами, что позволяет производить обработку сигнала в реальном масштабе времени.
В блоке 8 измеряются значения доплеровских частот fd1, fd2, обусловленные радиальной составляющей скорости vr (фиг. 2). Код измеренных частот поступает в вычислительный блок 9, который производит обработку сигнала по следующему алгоритму. По
значениям доплеровских частот fd1, fd2 определяются величина и знак радиальной скорости vr = ±с⋅fd1/2⋅f1, где с - скорость света. Как видно из фиг. 2, в зависимости от угла наклона касательной в точке падения луча к линии горизонта знак радиальной скорости
может быть как положительный (т. A на фиг. 2), так и отрицательный (т. H на фиг. 2). При
нулевом значении vr (т. C и т. D на фиг. 2) касательная к поверхности будет расположена
горизонтально. Так как зондирующие излучения на частотах f1 и f2 направляются к поверхности под разными углами, то и доплеровские частоты fd1, fd2 будут иметь разные
значения (формулы (2)). При этом, так как угол α достаточно мал, то, как следует из формул (1), по разности fd1 - fd2 можно однозначно определить знак угла наклона поверхности
ϕ: если fd1 > fd2, то знак ϕ положительный, если fd1 < fd2, то знак ϕ отрицательный. В блок 7
также поступает значение горизонтальной скорости движения летательного аппарата v= ,
величина которой определяется любым из известных в авиации способов. Угол ϕ наклона
касательной в точке падения излучения определяется следующим образом (фиг. 2):
(2)
tg ϕ = vr / v= = h / s,
где h - превышение последующей точки измерения над предыдущей, s = v= · ∆t - расстояние по горизонтали между точками измерения, ∆t - время между измерениями.
Преобразовывая (2), получаем vr / v= = h / v = ∆t, откуда
(3)
h = vr∆t.
Таким образом в блоке 9 по значению радиальной скорости vr происходит вычисление
превышения h каждой последующей точки измерения над предыдущей, и затем, зная горизонтальную скорость передвижения летательного аппарата v= , вычисляется расстояние
между точками измерений S = v=∆t и воспроизводится профиль земной поверхности вдоль
линии передвижения, индицируемый печатающим устройством 10.
Если поверхность земли параллельна направлению лазерного луча на частоте f1 (линия ВС на фиг. 2), то в т. B, в соответствии с формулой (1) (ϕ = 90°), произойдет исчезновение доплеровского сигнала на частоте f1. При прохождении лазерного луча на частоте f2
через т. B (фиг. 2) также произойдет сначала исчезновение доплеровского сигнала, а затем
его резкое скачкообразное изменение. Измерив разность времен прохождения этой точки
лучами на частотах f1 и f2, можно определить высоту полета летательного средства над
т. B следующим образом:
(4)
h1 = v=∆t1 / tgα,
где α - угол между зондирующими лучами на частотах f1 и f2, ∆t1 - разность времен прохождения т. B лучами на частотах f1 и f2.
При прохождении т. D зондирующими лучами на частотах f1 и f2 также произойдет
сначала исчезновение, а затем резкое скачкообразное изменение доплеровского сигнала.
Измерив разность времен прохождения этой точки лучами на частотах f1 и f2, можно определить высоту полета летательного средства над т. D:
(5)
h2 = v=∆t2 / tgα,
где ∆t2 - разность времен прохождения т. D лучами на частотах f1 и f2.
Следовательно, глубина ямы BCDE (фиг. 2), боковые стенки которой параллельны направлению лазерного луча на частоте f1, будет равна^
v (∆t − ∆t 1 )
∆h = = 2
.
(6)
tgα
4
BY 12471 C1 2009.10.30
Предлагаемый способ в принципе позволяет определить разность высот любых точек
измеряемой поверхности, в которых происходит скачкообразное изменение угла наклона
поверхности к линии горизонта, необходимо только измерить разности ∆t1 и ∆t2 времен
прохождения этих точек зондирующими лучами на частотах f1 и f2.
Повышение точности измерения профиля поверхности в заявляемом способе также
достигается за счет того, что в тех точках, где поверхность земли параллельна направлению лазерного луча на частоте f1 и доплеровский сдвиг для этой частоты не определяется,
для лазерного луча на частоте f2, сдвинутого относительно луча на f1 на угол α, доплеровский сдвиг частоты излучения определяется и имеется возможность определить профиль
поверхности по описанному выше алгоритму. В вычислительном блоке 9 по значениям
доплеровских сигналов для лучей на частотах f1 и f2 определяется профиль поверхности
отдельно для каждого из лучей, причем если в определенных точках для одного из лучей
доплеровский сдвиг не определяется, то профиль определяется по доплеровскому сигналу
для другого луча.
Таким образом, использование в качестве источника зондирующего излучения в лазерном профилометре 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 прототипом повысить точность определения профиля земной поверхности в точках, где поверхность земли параллельна направлению лазерного луча (ямы,
обрывы, скалы), и обеспечивает возможность определения высоты полета летательного
средства в процессе проведения измерений.
Источники информации:
1. Лазерные измерительные системы / Под ред. Д.П.Лукьянова. - М.: Радио и связь,
1981. - С. 82.
2. Патент РБ 4076, МПК G 01В 11/24. Способ измерения профиля земной поверхности / В.Л.Козлов. - 2001.
3. Патент РБ 1385, МПК Н 01S 3/19. Полупроводниковый лазер / А.А.Афоненко,
В.К.Кононенко, И.С.Манак. - Опубл. 1996.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
97 Кб
Теги
by12471, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа