Лазерный измеритель расстояний

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в оптических системах: измерителях характеристик световодов и качества стыковок оптических колебаний, измерителях расстояния до места обрыва световода, лазерных высотомерах и дальномерах. Целью изобретения является повышение точности измерения расстояния до объекта в широком динамическом диапазоне при наличии помехового сигнала рассеяния. Это достигается введением блока масштабирования 11, блока адаптации 9, блока коррекции 10 и перестраиваемого фильтра 8. В результате этого расстояние до объекта/или неоднородности канала распространения/ измеряется в широком динамическом диапазоне с высокой точностью независимо от уровня сигнала релеевского рассеяния. Кроме того, изобретение упрощает проведение измерений в автоматизированном режиме, т. к. не требует введения ручных регулировок для оператора. 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в оптических системах: измерителях характеристик световодов и качества стыковок оптических кабелей, измерителях расстояния до места обрыва световода, лазерных высотометрах и дальномерах.

Известно устройство для определения места повреждения оптических кабелей, содержащее задающий генератор с синхронизирующим выходом, подключенный к нему генератор оптического излучения, последовательно расположенные по ходу излучения оптический ответвитель с двумя выходными плечами, селектор мод и фотоприемник, соединенный с блоком регистрации, причем синхронизирующий выход задающего генератора соединен с блоком регистрации, а вход селектора мод через блок согласования подключен к синхронизирующему выходу задающего генератора. Недостатком данного устройства является низкая достоверность измерения расстояния при наличии мешающих сигналов.

Известен волоконно-оптический рефлектометр, состоящий из последовательно соединенных волоконно-оптического ответвителя, фотоприемного устройства, блока стробирования, усилителя и блока регистрации, а также излучателя, подключенного к второму плечу ответвителя, третье плечо которого связано со средой распространения сигнала (с исследуемым волокном).

Недостатком устройства является низкая достоверность измерения расстояния. Это обусловлено, во-первых, возможностью насыщения фотоприемного устройства (ФПУ) мощным оптическим сигналом рассеяния от ближней зоны неидеально прозрачной среды распространения. При этом слабый импульс, отраженный от границы среда-объект (от места обрыва исследуемого волокна) не может быть обнаружен из-за "ослепления" ФПУ, соответственно нельзя достоверно измерить время задержки импульса и рассеяния до объекта. Во-вторых, при стробировании усилителя из экспоненциально спадающего сигнала рассеяния будет формироваться ("вырезаться") импульс с крутым фронтом, по которому блок регистрации будет производить ложное измерение.

В третьих, даже при амплитуде рассеянного от ближней зоны сигнала меньше, чем уровень насыщения ФПУ, не обеспечивается высокая точность измерения рассеяния, так как на блок регистрации поступает аддитивная смесь "сигнал рассеяния + импульс от объекта". При постоянном пороге регистрации это приводит к ошибке измерения временного положения импульса, отраженного от объекта. Действительно, динамический диапазон смеси "сигнал рассеяния + импульс от объекта" составляет не менее 40 дБ. В этих условиях погрешность фиксации положения импульса по фронту определяется длительностью фронта импульса на выходе ФПУ: Δ_дин= τ_ф.фпу= где τ_ф.и длительность фронта излучаемого (зондирующего импульса); Т₁ постоянная времени эквивалентной схемы фотодетектора T₁= Т₂ постоянная времени эквивалентной схемы усилителя T₂= При полосе пропускания фотодетектора w_гр.1= 4π·10⁷ усилителя w_гр.2= 2π·10⁺⁷ и при τ_ф.и. 30 нс случайные изменения амплитуды отраженного сигнала приводят к погрешности. Δ_дин 50,74 нс.

Таким образом, ошибка измерения расстояния до объекта, обусловленная данным дестабилизирующим фактором, составляет ΔR c ˙Δ_дин/2 7,61 м, что недопустимо в большинстве волоконно-оптических измерительных систем и локационных устройств. Кроме того, значительная амплитуда сигнала, отраженного от места неидеальной стыковки с исследуемым волокном, затрудняет измерение малых расстояний (до близкого объекта или места обрыва). Действительно, длительность среза импульса, отраженного от места стыковки, составляет для различных типов полупроводниковых лазерных излучателей τ_с 20-2000 нс. На это время фотоприемное устройство должно быть закрыто за счет введения стробирования. Таким образом диапазон измеряемых расстояний ограничивается снизу величиной R_min= c τ_с/2=3÷ 300 м Из-за разброса параметров волоконно-оптических разъемов заранее предсказать и учесть влияние импульса, отраженного ими, не представляется возможным.

В известных устройствах для высокоточного измерения временного интервала между компонентами излучения и прихода отраженного от объекта импульса требуется высокая частота следования тактовых импульсов. Так при групповой скорости импульса в световоде 2 ˙ 10⁸ м/с точность измерения расстояния 0,1 м может быть достигнута за счет тактовой частоты более 2 ГГц. Однако соответствующая элементная база (счетчики, регистры) отсутствует.

Целью изобретения является повышение точности измерения расстояния до объекта в широком динамическом диапазоне при наличии помехового сигнала.

Широким динамическим диапазоном понимается диапазон аддитивной смеси помехового сигнала рассеяния и импульса от объекта не менее 40 дБ.

Это достигается тем, что устройство, содержащее последовательно соединенные приемную оптическую систему, фотоприемное устройство, усилитель и блок регистрации, а также излучатель с передающей оптической системой и блок стробирования, введены перестраиваемый фильтр, блок адаптации и блок коррекции, при этом вход блока адаптации подключен к выходу фотодетектора, а выход к управляющему входу усилителя, первый вход блока коррекции соединен с выходом усилителя, а выход с регулирующим входом блока регистрации, перестраиваемый фильтр соединен по входу с выходом фотодетектора, а по выходу с входом блока адаптации. Оптический выход излучателя соединен с входом передающей оптической системы, а синхровыход с входом блока стробирования, выход которого подключен к стробирующему входу усилителя и к второму входу блока коррекции, выход блока масштабирования соединен с вторым входом блока регистрации, третий вход которого подключен к синхровыходу излучателя.

В данном решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект.

При этом обеспечивается сверхсуммарный положительный эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков, заключающийся в том, что устраняются дестабилизирующее влияние помеховых сигналов и зависимость результатов измерения от амплитуды полезного сигнала.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 диаграмма, поясняющая работу перестраиваемого фильтра, блока адаптации и усилителя; на фиг. 3 АЧХ перестраиваемого фильтра (1 и 2) для соответствующих спектров сигнала рассеяния (3 и 4); на фиг. 4 показана принципиальная схема перестраиваемого фильтра; на фиг. 5 принципиальная схема регистра и блока стробирования; на фиг. 6 принципиальная схема излучателя; на фиг. 7 показана принципиальная схема фотоприемного усилителя, блока адаптации и блока коррекции.

Предложенное устройство содержит приемную оптическую систему 1, фотоприемник 2, усилитель 3, блок регистрации 4, передающую оптическую систему 5, излучатель 6, блок стробирования 7, перестраиваемый фильтр 8, блок адаптации 9, блок коррекции 10, блок масштабирования 11.

Устройство работает следующим образом.

Излучатель 6 формирует оптический импульс и совпадающий во времени с его фронтом синхроимпульс. Оптический импульс через передающую оптическую систему 5 поступает в среду распространения (измеряемый сигнал). Синхроимпульс поступает в блок стробирования 7, где формируется стробимпульс с необходимыми временными характеристиками (задержка, длительность). Отраженный от объекта и среды распространения оптический сигнал посредством приемной оптической системы 1 подается на фотоприемник 2, где он преобразуется в электрический сигнал. Блок регистрации 4, выполненный в виде преобразователя время-амплитуда-код, формирует электрический сигнал (напряжение), амплитуда которого пропорциональна временному интервалу между синхроимпульсом и принятым сигналом, а далее сформированный аналоговый сигнал преобразует в двоичный код. Это позволяет точно измерять интервалы времени в диапазоне единицы-тысячи наносекунд без использования сверхширокополосных цифровых устройств.

Линейность преобразования, а соответственно, и высокую достоверность измерения расстояния до объекта, блок регистрации 4 обеспечивает на ограниченном временном интервале, для расширения пределов высокочастотного измерения в блоке масштабирования 11 производят грубое измерение расстояния, о дискретных интервалах которого с помощью блока регистрации 4 осуществляют измерение с заданной точностью.

Перестраиваемый фильтр 8 пропускает на вход усилителя 3 импульс от объекта, подавляя электрический сигнал, обусловленный рассеянием излучения от ближней зоны неидеально прозрачной среды распространения. Причем граничная частота перестраиваемого фильтра изменяется по информации об амплитуде и о крутизне спада сигнала рассеяния: чем медленнее снижается уровень сигнала рассеяния (по закону U_р U_oe^-t/τp), тем меньше граничная частота перестраиваемого фильтра (w ). Соответственно меньше потери энергии импульса от объекта, обусловленные подавлением низкочастотной части его спектра. В блоке адаптации 9 из неотфильтрованного электрического сигнала рассеяния формируется управляющее напряжение, компенсирующее медленный неотфильтрованный сигнал рассеяния, за счет чего рабочая точка усилителя 3 не смещается и не обеспечивается передача от объекта с максимальным коэффициентом. На стробирующий вход усилителя 3 с блока стробирования 7 подается строб-импульс и, если он совпадает во времени с импульсом до объекта, то последний после усиления поступает на сигнальный вход блока регистрации 4 и на первый вход блока коррекции 10. Чтобы напряжение переходных процессов при стробировании усилителя 3 и напряжение его шума не накапливались блоком коррекции 10, на его второй вход также подается строб-импульс. Таким образом по амплитуде импульса от объекта блок коррекции 10 вырабатывает регулирующее напряжение, поступающее на регулирующий вход блока регистрации 4.

В результате этого момент прихода импульса от объекта, а значит и расстояние до объекта, измеряются с высокой точностью независимо от амплитуды импульса.

Из рассмотрения эпюр напряжений, иллюстрирующих работу предлагаемого устройства (см. фиг. 2), видно, что устранение влияния сигнала рассеяния за счет перестраиваемого фильтра 8 и блока адаптации 9 позволяет предотвратить ложные коррекции 10, дает возможность снизить погрешность измерения расстояния ΔR обусловленную фронтом полезного импульса в 5-10 раз. Значение коэффициента к определяется точность воспроизведения формы фронта импульса блоком коррекции 10.

Конкретная реализация предлагаемого устройства следующая.

Перестраиваемый фильтр 8 (см. фиг. 4) ослабляет затянутый сигнал рассеяния экспоненциальной формы при незначительном ослаблении короткого импульса, отраженного от объекта. Чтобы минимизировать указанные потери мощности импульса от объекта, граничную частоту фильтра перестраивают в соответствии с шириной спектра сигнала рассеяния (см. фиг. 3). При значительной амплитуде импульса рассеяния граничная частота перестраиваемого фильтра также увеличивается, что позволяет улучшить отношение сигнал объекта/сигнал рассеяния.

Схема блока регистрации 4 и блока масштабирования 11 изображена на фиг. 5. Измеритель временных интервалов, применяемый в качестве блока регистрации, состоит из пороговых формирователей, преобразователя время-амплитуда и АЦП. С приходом синхроимпульса "Старт" с излучателя 6 компаратор ДА1 вырабатывает импульс отрицательной полярности. При этом опрокидывается триггер ДД1, ДД2, разрешая работу генератора ДД2.1, ДД2.2, также происходит сброс счетчиков по входу параллельной загрузки. По каждому импульсу генератора разряжается емкость С через транзистор VТ1, затем начинается ее разряд от генератора стабильного тока. Сигнал "Стоп" возвращает триггер ДД1.1, ДД1.2 в исходное состояние. При этом открывается транзистор VT2, шунтируя ГСТ и производится запуск АЦП через ждущий мультивибратор ДД1.3, ДД1.4. В результате на цифровом выходе измерителя формируется двоичный восемнадцатиразрядный код, младшие десять разрядов которого являются результатом точного отсчета, старшие 8 результатом грубого отсчета.

Таким образом при периоде переключе- ния блока масштабирования 11 T_м= при грубом отсчете расстояние измеряется с точностью ΔR₁ 100 м в пределах R₁ R_o 25600 м, где V скорость распространения излучения; R_o "мертвая зона".

С началом каждого периода переключения блока масштабирования через элемент ДД2.3 запускается блок регистрации и измеритель временных интервалов измеряет расстояние с точностью ΔR ≃ 0,2 м в пределах R R₁ + 100 м, что позволяет получить высокую точность измерения в широком диапазоне измерения расстояния до объекта.

Принципиальная схема излучателя 6 показана на фиг. 6. Блокинг-генератор на транзисторе VT1 генерирует импульсы питания для лавинного диода (S-диода) VД1. Лавинный диод VД1 формирует токовые импульсы длительностью 10-100 нс для накачки полупроводникового лазера VД2.

В момент пробоя лавинного диода VД1 с помощью дифференцирующей цепи R1C1 получается синхроимпульс, запускающий формирователь строба 7 (см. фиг. 6) на микросхеме ДД1. Стробирующий импульс поступает на второй (управляющий) вход блока коррекции 10, разрешая прохождение полезного сигнала на выход пикового детектора (диод VД2 на фиг. 7), выходное напряжение которого подается на регулирующий вход блока регистрации 4. В результате этого пороговый уровень компаратора ДА2 (см. фиг. 5) изменяется пропорционально амплитуде полезного сигнала.

Фотоприемник 3 (см. фиг. 7) собран на основе лавинного фотодиода ЛФД-6 и предварительного видеоусилителя на транзисторах VT1, VT2. Каскадная схема видеоусилителя с общей частотно-зависимой отрицательной обратной связью при усилении 30-60 повышает входное сопротивление, расширяет полосу пропускания (до 20-100 МГц) и улучшает устойчивость работы детектора. Усилитель 3 (см. фиг. 7) выполнен в виде каскадов ОЭ-ОЭ (VT3, VT4), инвертора (VT5) и каскада ОЭ-ОК (VT6- VT7), при этом достигается устойчивое усиление до 25000 и согласование с нагрузкой (входы блоков регистрации 4 и блока коррекции 10).

Блок адаптации 9 (см. фиг. 7) выполнен на основе двух эмиттерных повторителей (VT8, VT9), которые развязывают НЧ-фильтр (R4, C2) от выхода перестраиваемого фильтра 8 и от управляющего входа усилителя 3. НЧ-фильтр подавляет полезный импульс, формируя напряжение адаптации, пропорциональное сигналу рассеяния (см. фиг. 2). Напряжение адаптации, подаваемое на управляющий вход усилителя 3 (эмиттер транзистора VT3), окончательно устраняет сигнал рассеяния (см. фиг. 2, д).

В качестве приемной (1) и передающей (5) оптических систем могут применяться серийные двухлинзовые объективы типа ОЛП-М (для лазерных дальномеров) или волоконно-оптический разветвитель с оптическими разъемами на выходных плечах. Во втором случае ЛФД фотоприемника 2 и лазер излучателя 6 должны иметь волоконный вход и выход соответственно.

Принципиальная схема блока коррекции 10 показана на фиг. 7. Она состоит из эмиттерного повторителя VT10, пикового детектора VД2, С3 и истокового повторителя VT1. Выходное напряжение блока коррекции 10, пропорциональное амплитуде полезного сигнала, поступает на регулирующий вход блока регистрации 4.

Формула изобретения

1. ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТОЯНИЙ, содержащий оптически сопряженные излучатель и передающую оптическую систему, приемную оптическую систему и фотоприемник, последовательно соединенные усилитель и блок регистрации, а также блок стробирования, вход которого соединен с вторым выходом излучателя, а выход с первым входом усилителя, второй вход блока регистрации соединен с вторым выходом излучателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расстояний в широком динамическом диапазоне при наличии помехового сигнала рассеяния, в него введены блок адаптации, блок коррекции и блок масштабирования, выход которого соединен с третьим входом блока регистрации, выход которого соединен с вторым входом блока масштабирования, вход блока адаптации соединен с выходом фотоприемника, первый вход блока коррекции соединен с выходом блока стробирования, второй вход с выходом усилителя, третий вход которого соединен с выходом блока адаптации, выход блока коррекции соединен с четвертым входом блока регистрации.

2. Измеритель расстояния по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расстояний до объектов с малой отражающей способностью, в него введен перестраиваемый фильтр, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход с вторым входом усилителя и с входом блока адаптации.

3. Измеритель расстояния по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации выполнен в виде преобразователя время амплитуда код.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7