close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12740

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.12.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12740
(13) C1
(19)
G 01C 3/08
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА
(21) Номер заявки: a 20080376
(22) 2008.03.27
(43) 2008.10.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) BY 6490 C1, 2004.
BY 10240 C1, 2008.
BY 7214 C1, 2005.
RU 2155322 C1, 2000.
US 6147747 A, 2000.
(57)
Способ измерения дальности до объекта, в котором поверхность объекта сканируют с
заданной угловой скоростью ω непрерывным лазерным излучением длины волны λ, осуществляют гетеродинный прием отраженного от поверхности излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и определяют искомую дальность rо по числу импульсов fd
доплеровского сигнала за время сканирования в случае симметричного сканирования относительно перпендикуляра к поверхности в соответствии с выражением
f ⋅ ϕ ⋅ λ  cos(ϕ / 2) 
,
ro = d
4ω 1 − cos(ϕ / 2 ) 
где ϕ - удвоенный угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к поверхности,
а в случае несимметричного сканирования - в соответствии с выражением
BY 12740 C1 2009.12.30
ro =
f d ⋅ ϕ1 ⋅ λ  cos ϕ1 

,
2ω 1 − cos ϕ1 
где ϕ1 - угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к
поверхности.
Фиг. 2
BY 12740 C1 2009.12.30
Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и может использоваться в
строительстве, монтаже крупных инженерных сооружений, а также для измерения небольших расстояний с высокой точностью, например в технологических процессах, для
ориентирования роботов в пространстве и т.п.
Известен лазерный дальномер [1], содержащий генератор, лазер, приемник излучения,
усилитель, 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 единицы десятки пикосекунд. Это требование значительно усложняет измерительную схему дальномера, что вызывает большие сложности при практической реализации. Погрешность
измерения в таких дальномерах также ухудшается за счет влияния амплитуды дистанционного сигнала на точность измерений. Таким образом, недостатком [1] является невысокая точность измерения дальности, обусловленная вышеупомянутыми факторами.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является светодальномер [2], содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель, лазер, оптически
связанные зеркало, контрольную оптическую линию, фотоприемник, соединенный последовательно с усилителем, смесителем, фазоизмерительным устройством, блоком вычисления и индикации, и гетеродин, соединенный с другим входом смесителя и с задающим
генератором, а также оптический аттенюатор, оптически связанный с фотоприемником.
Недостатками этого способа являются невысокая точность измерения дальности и сложность измерительной системы.
Задача изобретения - повышение точности измерений и упрощение измерительной
системы. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение
для измерения небольших расстояний с высокой точностью, например в технологических
процессах, для ориентирования роботов в пространстве и т.п.
Для решения поставленной задачи осуществляют сканирование поверхности с известной угловой скоростью ω непрерывным лазерным излучением длины волны λ и гетеродинный прием отраженного от поверхности излучения, имеющего доплеровский сдвиг
частоты, а искомую дальность rо определяют по числу импульсов fd доплеровского сигнала за время сканирования в случае симметричного сканирования относительно перпендикуляра к поверхности в соответствии с выражением
ro =
f d ⋅ ϕ ⋅ λ  cos(ϕ / 2 ) 
,
4ω 1 − cos(ϕ / 2 ) 
где ϕ - удвоенный угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к поверхности,
а в случае несимметричного сканирования - в соответствии с выражением
ro =
f d ⋅ ϕ1 ⋅ λ  cos ϕ1 

,
2ω  1 − cos ϕ1 
где ϕ1 - угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к
поверхности.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый
способ, а на фиг. 2 и фиг. 3 - векторные диаграммы, поясняющие его работу. Для реализации заявляемого способа используются: лазер 1, светоделители 2, 3 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, гетеродинный фотоприемник 4, блок измерения
доплеровского сдвига частоты 5, вычислительный блок 6, блок сканирования 7.
Дальномер работает следующим образом. Лазер 1 направляет к измеряемой поверхности непрерывное оптическое излучение на длине волны λ, частота которого f. Светоделители 2, 3 выделяют часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного
оптического сигнала. Блок сканирования 7 осуществляет сканирование лучом лазера заданной поверхности в угле ϕ с угловой скоростью ω, как показано на фиг. 2а, б.
2
BY 12740 C1 2009.12.30
Отраженное от поверхности оптическое излучение сдвигается по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровскую частоту fd, мгновенное значение которой
имеет величину
ν f
ν
f d = 2 = tg (ϕ / 2 ) = 2 = tg (ϕ / 2 ) ,
(1)
c
λ
где v= = ω⋅r - линейная скорость перемещения лазерного луча вдоль линии сканирования, r
- расстояние до точки падения лазерного луча, ω - угловая скорость сканирования, с - скорость света, λ - длина волны зондирующего излучения, ϕ/2 - угол между лазерным лучом
и перпендикуляром к поверхности (фиг. 2).
Отраженное оптическое излучение, имеющее доплеровский сдвиг частоты, с помощью светоделителя 3 совмещается с гетеродинным излучением и попадает фотоприемник
4. В результате фотогетеродинирования на фотоприемнике выделяется сигнал разностной
частоты fd, величина которого выражается формулой (1).
Очевидно, что в процессе сканирования поверхности лазерным лучом расстояние от
лазера до точки падения лазерного луча r будет изменяться в соответствии выражением
(2)
r = rо/cos(ϕ/2),
где rо - расстояние от лазера до сканируемой поверхности (фиг. 2).
Из (1), (2) выражение для мгновенного значения доплеровского сдвига частоты, регистрируемого блоком 5, будет иметь вид
fd = 2
ωro tg(ϕ / 2 )
.
λ cos(ϕ / 2 )
(3)
Выражение (3) показывает максимальное значение доплеровского сдвига частоты, когда угол ϕ/2 между лазерным лучом и перпендикуляром к поверхности имеет максимальное значение. Если лазерный луч направляется перпендикулярно к поверхности, то
tg(ϕ/2) = 0, следовательно, доплеровский сдвиг будет равен нулю. Диаграмма изменения
доплеровского сигнала при сканировании поверхности представлена на фиг. 3а. В начале
сканирования т. А (фиг. 2а), когда угол ϕ/2 имеет максимальное значение, доплеровская
частота максимальная. Затем в процессе сканирования доплеровская частота постепенно
уменьшается, достигает нулевого значения в т. В, когда угол равен нулю, и возрастает при
увеличении угла т. С (фиг. 3а). Среднее значение числа импульсов доплеровского сигнала
за все время сканирования в угле ϕ с угловой скоростью ω можно определить следующим
образом:
ϕ/ 2
tgα
ωr 1
fd = 2 о
dα .
λ ϕ − ϕ / 2 cos α
∫
Вычислив интеграл (4), получаем
fd = 4
ωrо 1 1 − cos(ϕ / 2 ) 
.
λ ϕ  cos(ϕ / 2) 
(4)
(5)
В блоке 5 измеряется число импульсов доплеровского согнала, и его величина поступает в вычислительный блок 6, который определяет дальность rо до сканируемой области
пространства поверхности по формуле
rо =
f d ⋅ ϕ ⋅ λ  cos(ϕ / 2) 
,
4ω 1 − cos(ϕ / 2) 
(6)
где ω - угловая скорость сканирования поверхности, λ - длина волны зондирующего излучения, fd - число импульсов доплеровского сигнала за время сканирования, ϕ - угол сканирования.
Таким образом, зная угол сканирования и угловую скорость сканирования и определив число импульсов доплеровского сигнала, можно однозначно определить расстояние
до поверхности. Так как в качестве зондирующего сигнала используется излучение опти3
BY 12740 C1 2009.12.30
ческого диапазона, то даже при небольших скоростях сканирования доплеровские сдвиги
частоты будут иметь большие значения, что позволит определять расстояние с высокой
точностью.
Однако не всегда удается обеспечить симметричное сканирование лазерного луча относительно перпендикуляра к поверхности. Вариант несимметричного сканирования показан на фиг. 2б. В этом случае число импульсов доплеровского сигнала при
сканировании от т. А до т. В будет не равно числу импульсов при сканировании от т. В до
т. С (фиг. 3б). Если разница в углах сканирования лазерного луча относительно перпендикуляра к поверхности не велика, то это не окажет существенного влияния на погрешность
измерений. Если углы различаются в 1,5 и более раз, вычисление дальности должно производиться по следующей формуле
ro =
f d ⋅ ϕ1 ⋅ λ  cos ϕ1 

,
2ω  1 − cos ϕ1 
(7)
где ϕ1 - угол между направлением на начальную точку сканирования и перпендикуляром к
поверхности. Величина угла, при котором лазерный луч перпендикулярен к поверхности,
определяется в вычислительном блоке и блоке сканирования по моменту времени, когда
исчезают импульсы доплеровского сигнала. В соответствии с формулой (3) при ϕ = 0,
fd = 0 (т. В, фиг. 2, 3).
В известных дальномерах, принцип измерения которых основан на измерении времени задержки лазерного излучения на дистанции [1, 2], для обеспечения точности измерений в 1 мм необходимо измерять временные интервалы с точностью не хуже 7
пикосекунд. Очевидно, что измерение таких коротких временных интервалов вызывает
большие практические сложности. Кроме того, для обеспечения такой точности необходимо учитывать зависимости результата измерения расстояния от амплитуды дистанционного сигнала, что дает дополнительную погрешность. В предложенном способе для
измерения дальности определяется число импульсов доплеровской частоты, обусловленное радиальной скоростью движения лазерного луча при сканировании поверхности. Очевидно, что значение числа импульсов можно измерить более просто и более точно, чем
величину малых временных интервалов с точностью единицы пикосекунд. За счет этого
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.
Источники информации:
1. Лазерная дальнометрия / Под ред. В.П. Васильева. - М.: Радио и связь, 1995. - 256 с.
2. Патент РБ на изобретение 6490, 2004.
Фиг. 1
4
BY 12740 C1 2009.12.30
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
246 Кб
Теги
патент, by12740
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа