PL220168B1 - Sposób i urządzenie do zdalnego pomiaru odległości - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do zdalnego pomiaru odległości. Urządzenie może znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak geodezja, budownictwo, automatyzacja procesów przemysłowych, inwentaryzacja, systemy zobrazowania przestrzennego.

Znanych jest wiele metod zdalnego pomiaru odległości. Najszersze zastosowanie znajdują metody wykorzystujące odpowiednio zmodulowany sygnał optyczny z wyjścia lasera. W przypadku dalmierzy laserowych wyróżnić można dwie główne grupy metod pomiaru odległości. Do pierwszej grupy można zaliczyć te, które wykorzystują pomiar fazy sygnału modulującego strumień świetlny, natomiast w drugiej grupie mieszczą się metody, w których stosuje się pomiar czasu przelotu impulsu świetlnego. Dalmierze, których zasada działania oparta jest na pomiarze fazy, charakteryzują się dużą rozdzielczością pomiarów, jednakże ich zasięg działania jest ograniczony małą mocą sygnału optycznego. Urządzenia wykorzystujące pomiar czasu przelotu impulsu świetlnego umożliwiają osiągnięcie znacznie większych zasięgów pomiaru, jednakże rozdzielczość takich pomiarów jest ograniczona.

Znane są rozwiązania dalmierzy laserowych wykorzystujących do modulacji sygnału optycznego ciągi pseudolosowe. W układach tych sygnał pseudolosowy służy do zwiększenia jednoznaczności wyniku (problem niejednoznaczności pomiaru fazy w przypadku modulacji sygnałem okresowym) lub też zwiększenia odporności na niepożądane sygnały. Jedno z rozwiązań zostało przedstawione w opisie patentowym DE19949803A1 („Abstandsmessvorrichtung”). Metoda ta polega na wielokrotnym powtarzaniu cyklu pomiarowego (pełny ciąg pseudolosowy) ze zmienionym każdorazowo opóźnieniem. Analiza sygnału na wyjściu korelatora umożliwia wychwycenie przedziału czasowego, w którym pojawia się maksimum i na tej podstawie wyznaczenie szukanego opóźnienia sygnału. W innej metodzie pomiaru odległości, opisanej w zgłoszeniu patentowym USA nr US2003/0048430A1 („Optical Distance Measurement”), moduluje się sygnał optyczny ciągiem pseudolosowym i wysyła w kierunku obiektu, po czym odbity sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na elektryczny, który z kolei przetwarza się do postaci cyfrowej, a następnie przeprowadza się zgrubną korelację sygnału, po czym dokonuje się serii dokładnych korelacji i na ich podstawie wyznacza się najlepiej dopasowane proste odtwarzające zbocza funkcji autokorelacji i na tej podstawie określa się położenie maksimum tej funkcji. Metoda ta wymaga mniejszej liczby cykli pomiarowych do estymacji opóźnienia sygnału niż wcześniej opisana, jednakże liczba operacji wykonywanych w celu przeliczenia jest dalej znacząca.

Stosowanie sygnałów pseudolosowych w dalmierzach niesie szereg korzyści takich, jak na przykład zwiększona odporność na zakłócenia, czy jednoznaczność pomiarów odległości, jednakże rozdzielczość pomiaru odległości w znanych rozwiązaniach jest ograniczona. Analiza właściwości powszechnie stosowanych sposobów pomiaru czasu opóźnienia sygnału, w których wykorzystywane są sygnały pseudolosowe, wskazuje na konieczność stworzenia nowych metod, które umożliwią wykonywanie szybszych i precyzyjniejszych pomiarów odległości przy jednoczesnym zachowaniu zalet charakteryzujących istniejące rozwiązania.

Sposób zdalnego pomiaru odległości, w którym moduluje się sygnał optyczny ciągiem pseudolosowym i wysyła się w kierunku obiektu, po czym odbity sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na elektryczny według wynalazku polega na tym, że sygnał z generatora pseudolosowego doprowadzony do modulatora optycznego opóźnia się w układzie opóźniającym o czas τ₈, korzystnie czas równy jednej czwartej czasu T_c trwania jednego bitu sekwencji pseudolosowej, a sygnał elektryczny z fotodetektora przetwarza się z pomocą komparatora na jednobitowy ciąg cyfrowy, który próbkuje się przerzutnikiem D, a następnie przemnaża się go w pierwszej bramce XOR przez opóźniony o czas τ' ciąg pseudolosowy z generatora PN i jednocześnie przemnaża się go w drugiej bramce XOR przez opóźniony czas τ' i dodatkowo o czas T_c ciąg pseudolosowy z generatora PN, po czym wysokim stanem na wyjściu pierwszej bramki XOR aktywuje się pierwszy licznik i zlicza się impulsy o częstotliwości Fs z generatora VCO i jednocześnie wysokim stanem na wyjściu drugiej bramki XOR aktywuje się drugi licznik i zlicza się impulsy o częstotliwości Fs z generatora VCO, a następnie liczby zliczonych impulsów w pierwszym liczniku i w drugim liczniku przekazuje się do nadrzędnego układu sterująco-przetwarzającego, korzystnie mikrokontrolera.

Sposób według wynalazku polega na tym, że stosunek częstotliwości próbkowania Fs do częstotliwości F_pn taktowania generatora ciągu pseudolosowego wyraża się ułamkowym współczynnikiem γ, którego wartość przyjmuje się z zakresu 3.995 do 31.99, korzystnie przyjmuje się wartość 15.99.

PL 220 168 B1

Sposób według wynalazku polega na tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie mikrokontrolerze, wyznacza się różnicę liczby zliczonych impulsów w drugim liczniku i pierwszym liczniku, po czym wynik mnoży się przez współczynnik korekcyjny nachylenia funkcji autokorelacji i uzyskuje się licznik cząstkowego opóźnienia sygnału, następnie sumuje się liczbę zliczonych impulsów w pierwszym liczniku i drugim liczniku, po czym odejmuje się wartość skorygowanej długości ciągu pseudolosowego i uzyskuje się mianownik cząstkowego opóźnienia sygnału, następnie cząstkowe opóźnienie sygnału powiększa się o numer zakresu pomiarowego, po czym całość mnoży się przez jedną czwartą długości fali modulującej i uzyskuje się odległość.

Urządzenie do zdalnego pomiaru odległości zawierające modulator sygnałów optycznych i fotodetektor przekształcający sygnał optyczny na elektryczny według wynalazku charakteryzuje się tym, że wyjście generatora pseudolosowego, korzystnie generatora ciągu maksymalnej długości, jest połączone z wejściem układu opóźniającego, z którego opóźniony sygnał podany jest do wejścia modulatora optycznego, jednocześnie wyjście układu fotodetektora jest połączone do wejścia odwracającego komparatora, którego wyjście wprowadzone jest na wejście danych przerzutnika D, którego wejście zegarowe połączone jest z wyjściem generatora VCO, a wyjście zwarte jest z pierwszymi wejściami pierwszej i drugiej bramki XOR, gdzie sygnał z wyjścia pierwszej bramki XOR wprowadzony jest do wejścia zezwalającego pierwszego licznika, a sygnał z wyjścia drugiej bramki XOR wprowadzony jest do wejścia zezwalającego drugiego licznika, jednocześnie na wejścia zegarowe liczników podany jest sygnał z wyjścia generatora VCO, a ich wyjścia połączone są do nadrzędnego układu sterującego, korzystnie mikrokontrolera, ponadto drugie wejście pierwszej bramki XOR połączone jest z wyjściem układu opóźniającego, a drugie wejście drugiej bramki XOR połączone jest z wyjściem dodatkowego układu opóźniającego.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia, Fig. 2 pokazuje kształt idealnej funkcji autokorelacji, Fig. 3 prezentuje kształt rzeczywistej funkcji autokorelacji.

Nadrzędny generator (101) i o dużej stałości częstotliwości generuje sygnał o częstotliwości 2F_pn, która jest następnie dwukrotnie dzielona w układzie (102). Sygnał o częstodiwości F_PN taktuje generator ciągu pseudolosowego (103) o długości L_PN bitów. Czas trwania jednego bitu sekwencji pseudolosowej jest równy T_c = 1/F_PN. Sygnał pseudolosowy f₀(t) z wyjścia generatora (103) jest dodatkowo opóźniany w układzie opóźniającym (105) o stały czas τ₅, którego wartość może być dość swobodnie dobrana, jednakże korzystnie czas τ₅ równy jest /₄T_c. Opóźniony sygnał pseudolosowy moduluje sygnał optyczny lasera w układzie modulatora optycznego 106. Sygnał świetlny z wyjścia nadajnika optycznego (106) jest emitowany w kierunku obiektu mierzonego (107), który odbija światło w kierunku odbiornika (108) składającego się z fotodiody i stopni wzmacniających sygnał elektryczny. Odebrany sygnał jest dalej przetwarzany do postaci cyfrowego sygnału jednobitowego w układzie komparatora (109), po czym doprowadzony zostaje do wejścia danych przerzutnika D (111), który pełn w układzie funkcję cyfrowego układu próbkująco-pamiętającego. Próbkowanie odbywa się z częstotliwością F_S, a sygnał próbkujący jest generowany w układzie VCO 117 z pętlą fazową PLL, dla której częstotliwość odniesienia podana jest z generatora wzorcowego (101). Spróbkowany jednobitowy sygnał z wyjścia przerzutnika D (111) jest doprowadzony do wejść dwóch bramek XOR (112) i (113), które pełnią funkcję układów mnożących w dwóch niezależnych torach korelatorów cyfrowych. Pełny korelator cyfrowy, w każdym z dwóch torów, składa się z bramki XOR oraz połączonego z nią licznika binarnego. Liczniki pełnią funkcję analogiczną do układu całkującego w klasycznym korelatorze analogowym. Wysoki stan na wyjściach bramek XOR (112) i (113) aktywuje zliczanie impulsów zegarowych w układach liczników (114) i (115). Impulsy zegarowe mają częstotliwość F_s i są doprowadzone z wyjścia generatora VCO (117). Czas trwania jednego pełnego cyklu pomiarowego dalmierza jest równy okresowi pełnej sekwencji pseudolosowej, czyli L_PN^T_c (L_PN - długość ciągu pseudolosowego, TC - czas trwania jednego bitu sekwencji pseudolosowej). W tym czasie liczniki (114) i (115) zliczają liczbę impulsów zależną od zgodności (stopnia skorelowania) sygnału odebranego z odpowiednio opóźnionymi replikami ciągu pseudolosowego z generatora (103). Po zakończeniu cyklu pomiarowego (wygenerowaniu pełnego ciągu PN) stan liczników jest odczytywany przez nadrzędny układ sterujący (116), i który korzystnie jest w postaci mikrokontrolera, po czym liczniki zostają wyzerowane. Wartości M_E oraz M_L, odpowiadające liczbie impulsów zliczonych przez liczniki (114) i (115), bezpośrednio służą do wyznaczenia czasu opóźnienia propagacyjnego sygnału, a co za tym idzie, do określenia odległości L_X pomiędzy obiektem (107) i dalmierzem.

PL 220 168 B1

Właściwości funkcji autokorelacji ciągu pseudolosowego maksymalnej długości pozwalają na bezpośrednie wyznaczenie opóźnienia sygnału na podstawie wartości z wyjść dwóch korelatorów.

Na Fig. 2 przedstawiono fragment obejmujący maksimum funkcji autokorelacji m-ciągu. Przykładowo jeśli całkowite opóźnienie odebranego przez odbiornik (108) sygnału pseudolosowego względem sygnału z generatora (103) wynosi Δτ, to na wyjściach korelatorów pojawią się wartości odpowiadające punktom „E” i „L”. Można zauważyć, że stosując proste przekształcenia możliwe jest określenie opóźnienia Δτ wprost z wartości „E” i „L”. Ponieważ korelatory wykorzystują liczniki binarne, to współrzędne punktów „E” i „L” są określone przez odpowiednio przekształcone wartości wyrażające liczbę zliczonych impulsów. Cząstkowe opóźnienie sygnału można wyrazić przez:

δτ = β (Ml-Me)

Me + Ml + Mo gdzie:

M_e - wartość zliczona w liczniku (114),

M_l - wartość zliczona w liczniku (115), β - współczynnik korekcyjny kształtu funkcji autokorelacji,

M0 - skorygowana długość m-ciągu.

Skorygowana długość ciągu pseudolosowego M0 wyrażona jest przez iloczyn rzeczywistej długości sekwencji pseudolosowej L_PN i współczynnika nadpróbkowania γ. Idealna funkcja autokorelacji odpowiada przypadkowi, w którym widmo sygnału nie jest ograniczane pasmowo. W rzeczywistych warunkach, ze względu na ograniczoną szerokość pasma przenoszenia nadajnika i odbiornika, funkcja autokorelacji sygnału odebranego nie będzie mieć idealnego trójkątnego kształtu, a jej zbocza będą bardziej nachylone, przez co konieczne jest zastosowanie współczynnika korekcyjnego. Porównanie kształtów idealnej i rzeczywistej funkcji autokorelacji przedstawiono na Fig. 3. Współczynnik korekcyjny β wyraża się:

β=βι ^lpn ~^{1 l}pn + ¹ gdzie:

LPN - długość ciągu pseudolosowego, β1 - stosunek nachylenia zboczy idealnej funkcji autokorelacji, do nachylenia zboczy rzeczywistej funkcji autokorelacji.

Całkowite opóźnienie propagacyjne przekłada się wprost na długość drogi przebytą przez światło od nadajnika (106) do odbiornika (108):

₁

L = - A_m [δτ + k + -] gdzie:

Xm - zastępcza długość fali sygnału modulującego, k - numer zakresu pomiarowego.

Zastępcza długość fali sygnału modulującego jest równa:

= cTc gdzie:

c - prędkość światła w próżni, n - współczynnik załamania ośrodka,

TC - czas trwania jednego bitu ciągu pseudolosowego.

PL 220 168 B1

Rzeczywista wartość odległości obiektu (107) od dalmierza wymaga skorygowania wyniku pomiaru o wartość L₀, odpowiadającą wynikowi pomiaru przy odległości równej zero:

1c

4n β ^(Ml - ^Me) + k + 1 (M_e + M_l -M₀)

-L

Funkcje autokorelacji przedstawione na Fig. 2 i Fig. 3 odpowiadają przypadkowi, gdy sygnały korelowane są w postaci ciągłej. Jednakże w sposobie według wynalazku korelacji podlegają sygnały dyskretne, co powoduje również zdyskretyzowanie kształtu funkcji autokorelacji, która zamiast kształtu trójkątnego przybiera kształt schodkowy. Fakt ten bezpośrednio wpływa na możliwą do osiągnięcia rozdzielczość pomiaru czasu opóźnienia propagacyjnego, a co za tym idzie rozdzielczość pomiaru odległości. Przykładowo dla częstotliwości próbkowania FS rzędu 500 MHz rozdzielczość wyznaczania odległości byłaby rzędu 30 cm. W celu zwiększenia rozdzielczości pomiarów należy doprowadzić do sytuacji, w której schodkowy charakter dyskretnej funkcji autokorelacji zostanie „rozmyty”. Rozwiązaniem jest taki dobór częstotliwości próbkowania FS w stosunku do częstotliwości taktowania ciągu pseudolosowego FPN, że wzajemny stosunek tych częstotliwości, wyrażony przez współczynnik nadpróbkowania γ, jest niecałkowity. Efekt „rozmycia” jest tym lepszy, im większą wartość ma współczynnik γ, a zarazem im bliższa jedności lub zeru jest jego część ułamkowa. Zastosowanie niecałkowitego współczynnika nadpróbkowania, w połączeniu z odpowiednią długością m-ciągu, pozwala na osiągniecie bezwzględnej niepewności pomiarowej odległości znacznie poniżej 1 mm. Wartość współczynnika γ można dobierać z dość dużą swobodą, jednakże rzeczywiste ograniczenia wynikające z maksymalnej częstotliwości próbkowania oraz możliwego do osiągnięcia wzajemnego rozstrojenia generatorów (101) i (117) zawężają praktyczny zakres wartości γ.

Korzystnie współczynnik nadpróbkowania może przybrać wartość np. 15.99.

Wartość współczynnika k zależy od zakresu pomiarowego odległości. Teoretycznie opóźnienie sygnału odniesienia (a tym samym zmiana zakresu) mogłoby się zmieniać ze skokiem TC, jednakże ze względu na fakt, że rzeczywisty odebrany sygnał jest pasmowo ograniczony, kształt rzeczywistej funkcji autokorelacji m-ciągu odbiega od kształtu idealnej funkcji autokorelacji. Zniekształcenie funkcji autokorelacji jest szczególnie widoczne w okolicy maksimum. Z tego względu preferowane jest stosowanie zakresów opóźnienia sygnału odniesienia ze skokiem TC/2 i taki dobór opóźnienia, żeby wyniki korelacji obydwu korelatorów mieściły się w zakresie od ¹/4 do ³/4 wartości maksimum. Preferowany zakres, w którym powinny się mieścić wyniki korelacji, jest ograniczony poziomami CL i CH na Fig. 3.

Sposób według wynalazku pozwala w bardzo szerokim zakresie zapanować nad błędami pomiarowymi. Przy założeniu, że współczynnik γ został optymalnie dobrany, bezwzględną niepewność pomiarową można przybliżyć zależnością:

^aLx c 1 ^{2n f}pn

SNR L_pn gdzie:

SNR wyraża stosunek mocy sygnału do mocy szumu na wejściu komparatora (109).

Sposób według wynalazku umożliwia wykonywanie precyzyjnych pomiarów odległości nawet w warunkach, w których SNR«1. Wymagane jest wtedy odpowiednie zwiększenie długości LPN m-ciągów lub zwiększenie częstotliwości FPN jego taktowania.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zdalnego pomiaru odległości polegający na tym, że moduluje się sygnał optyczny ciągiem pseudolosowym i wysyła się w kierunku obiektu, po czym odbity sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na elektryczny, znamienny tym, że sygnał z generatora pseudolosowego (103) doprowadzony do modulatora optycznego (106) opóźnia się w układzie opóźniającym (105) o czas τ₅, korzystnie czas równy jednej czwartej czasu TC trwania jednego bitu sekwencji pseudolosowej, a sygnał elektryczny z fotodetektora (108) przetwarza się

   PL 220 168 B1 z pomocą komparatora (109) na jednobitowy ciąg cyfrowy, który próbkuje się przerzutnikiem D (111), a następnie przemnaża się go w pierwszej bramce XOR (112) przez opóźniony o czas τ’ (104) ciąg pseudolosowy z generatora PN (103) i jednocześnie przemnaża się go w drugiej bramce XOR (113) przez opóźniony o czas τ’ (104) i dodatkowo o czas TC (110) ciąg pseudolosowy z generatora PN (103), po czym wysokim stanem na wyjściu pierwszej bramki XOR (112) aktywuje się pierwszy licznik (114) i zlicza się impulsy o częstotliwości F_S z generatora VCO (117) i jednocześnie wysokim stanem na wyjściu drugiej bramki XOR (113) aktywuje się drugi licznik (115) i zlicza się impulsy o częstotliwości F_S z generatora VCO (117), a następnie liczby zliczonych impulsów w pierwszym liczniku (114) i w drugim liczniku (115) przekazuje się do nadrzędnego układu sterującoprzetwarzającego (116), korzystnie mikrokontrolera.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek częstotliwości próbkowania F_S do częstotliwości F_PN taktowania generatora ciągu pseudolosowego (103) wyraża się ułamkowym współczynnikiem γ, którego wartość przyjmuje się z zakresu 3.995 do 31.99, korzystnie przyjmuje się wartość 15.99.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w nadrzędnym układzie sterującoprzetwarzającym, korzystnie mikrokontrolerze, wyznacza się różnicę liczby zliczonych impulsów w drugim liczniku (115) i pierwszym liczniku (114), po czym wynik mnoży się przez współczynnik korekcyjny nachylenia funkcji autokorelacji i uzyskuje się licznik cząstkowego opóźnienia sygnału, następnie sumuje się liczbę zliczonych impulsów w pierwszym liczniku (114) i drugim liczniku (115), po czym odejmuje się wartość skorygowanej długości ciągu pseudolosowego i uzyskuje się miano wnik cząstkowego opóźnienia sygnału, następnie cząstkowe opóźnienie sygnału powiększa się o numer zakresu pomiarowego, po czym całość mnoży się przez jedną czwartą długości fali modulującej i uzyskuje się odległość.
4. 4. Urządzenie do zdalnego pomiaru odległości zawierające modulator sygnałów optycznych (106) i fotodetektor (108) przekształcający sygnał optyczny na elektryczny, znamienne tym, że wyjście generatora pseudolosowego (103), korzystnie generatora ciągu maksymalnej długości, jest połączone z wejściem układu opóźniającego (105), z którego opóźniony sygnał podany jest do wejścia modulatora optycznego (106), jednocześnie wyjście układu fotodetektora (108) jest połączone do wejścia odwracającego komparatora (109), którego wyjście wprowadzone jest na wejście danych przerzutnika D (111), którego wejście zegarowe połączone jest z wyjściem generatora VCO (117), a wyjście zwarte jest z pierwszymi wejściami pierwszej (112) i drugiej (113) bramki XOR, gdzie sygnał z wyjścia pierwszej bramki XOR (112) wprowadzony jest do wejścia zezwalającego pierwszego licznika (114), a sygnał z wyjścia drugiej bramki XOR (113) wprowadzony jest do wejścia zezwalającego drugiego licznika (115), jednocześnie na wejścia zegarowe liczników (114) i (115) podany jest sygnał z wyjścia generatora VCO (117), a ich wyjścia połączone są do nadrzędnego układu sterującego (116), korzystnie mikrokontrolera, ponadto drugie wejście pierwszej bramki XOR (112) połączone jest z wyjściem układu opóźniającego (104), a drugie wejście drugiej bramki XOR (113) połączone jest z wyjściem dodatkowego układu opóźniającego (110).