RU2031365C1 - Device to measure distances - Google Patents
Device to measure distances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2031365C1 RU2031365C1 SU4891881A RU2031365C1 RU 2031365 C1 RU2031365 C1 RU 2031365C1 SU 4891881 A SU4891881 A SU 4891881A RU 2031365 C1 RU2031365 C1 RU 2031365C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inputs
- outputs
- input
- output
- divider
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к геодезическому приборостроению и может быть использовано для измерения расстояния в маркшейдерии, геодезии, строительном деле. The invention relates to geodetic instrument engineering and can be used to measure distance in surveying, geodesy, construction.
Известен лазерный фазовый дальномер (авт.св. CCCP N 1462104, кл. G 01 C 3/03), содержащий последовательно соединенные кварцевый генератор, делитель частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, излучатель, отражатель, фотоприемник, преобразователь и блок измерения, фотоприемник опорного канала и преобразователь опорного канала и умножитель частоты, причем он снабжен блоком контроля частоты, подключенным к выходам преобразователя и кварцевого генератора, а выходом связанным с входом установки на "0" блока измерения. Known laser phase range finder (ed. St. CCCP N 1462104, class G 01 C 3/03), containing a series-connected crystal oscillator, frequency divider, phase detector, DC amplifier, emitter, reflector, photodetector, converter and measurement unit, a reference channel photodetector and a reference channel converter and a frequency multiplier, moreover, it is equipped with a frequency control unit connected to the outputs of the converter and a crystal oscillator, and an output connected to the setting input to “0” of the measurement unit.
Недостатком такого дальномера являются высокие требования к обеспечению синфазности фотоприемников, что наталкивается на значительные трудности при практической реализации устройства и не позволяет обеспечить высокую точность измерений. The disadvantage of such a range finder is the high requirements for ensuring the common mode of the photodetectors, which encounters significant difficulties in the practical implementation of the device and does not allow for high measurement accuracy.
Известен также лазерный дальномер (Маркшейдерские импульсные дальномеры и их применение. Ворковастов К.С., Щербатов В.М. М.: Изд-во ЦНИИ экономики и информации цветной металлургии, 1990, с.31-35), содержащий последовательно соединенные синхронизатор, блок обработки информации, блок выдачи информации и индикатор, последовательно соединенные блок управления генератором импульсов тока, высоковольтный блок, генератор импульсов тока и лазер, последовательно соединенные фотоприемное устройство, блок компараторов и измеритель временных интервалов, выход которого соединен с блоками обработки и выдачи информации. Also known is a laser range finder (Surveying pulsed rangefinders and their application. Vorkovastov KS, Scherbatov VM M .: Publishing House of the Central Research Institute of Economics and Information of Non-Ferrous Metallurgy, 1990, p.31-35), containing a synchronizer connected in series, information processing unit, information output unit and indicator, series-connected current pulse generator control unit, high-voltage block, current pulse generator and laser, photodetector connected in series, comparator unit and time interval meter the output of which is connected to the information processing and output units.
В данном устройстве измерение временного интервала, пропорционального расстоянию до цели, производится методом прямого счета импульсов стабилизированного генератора. In this device, the measurement of the time interval proportional to the distance to the target is carried out by the method of direct pulse counting of a stabilized generator.
Недостатком дальномера является низкая точность однократного измерения. Для уменьшения погрешности измерения дальности производятся последовательно 400 измерений и определяется среднее арифметическое значение расстояния. Кроме того контролируется характер информации по окончании каждого цикла измерения, и неудачный цикл измерения исключается. The disadvantage of the range finder is the low accuracy of a single measurement. To reduce the error of the range measurement, 400 measurements are made sequentially and the arithmetic mean value of the distance is determined. In addition, the nature of the information at the end of each measurement cycle is controlled, and an unsuccessful measurement cycle is eliminated.
Ближайшим к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство для измерения расстояния (авт.св. N 586701, кл. G 01 C 3/00), содержащее генератор масштабных частот, излучатель, коммутатор измерительного и опорного каналов, фотоприемник, гетеродин, усилитель-формиро- ватель и цифровой фазометр с генератором счетных импульсов, в устройство введены дополнительно электронный ключ, триггер, две схемы совпадения и генератор управляющих импульсов, причем выход триггера соединен с электронным ключом, а входы подключены к выходам схем совпадения, входы которых соединены с усилителем-формирователем и генератором управляющих импульсов. The closest to the proposed device (prototype) is a device for measuring distance (autosw. N 586701, class G 01
В прототипе фазовые сдвиги принимаемого сигнала, пропорциональные измеряемому расстоянию, выделяются триггером. Надежное выделение обеспечивается при соотношении сигнал/шум на входе измерителя не менее 10. In the prototype, the phase shifts of the received signal, proportional to the measured distance, are allocated by the trigger. Reliable isolation is provided when the signal-to-noise ratio at the input of the meter is at least 10.
При соотношении сигнал/шум, равном 5, т.е. при увеличении измеряемого расстояния, прототип становится неработоспособным. Для обеспечения работоспособности прототипа при больших расстояниях (при соотношении сигнал/шум до 10) необходимо значительно увеличивать избирательность цепей фотоприемника и усилителя-формирователя. Однако это приводит к увеличению крутизны фазовых характеристик перечисленных блоков, что, в свою очередь, снижает точность измерения за счет увеличения фазовых флуктуаций при измерении температуры, питающих напряжений и т.д. цепей фотоприемника и усилителя-формирователя. With a signal to noise ratio of 5, i.e. as the measured distance increases, the prototype becomes inoperative. To ensure the operability of the prototype at large distances (with a signal to noise ratio of up to 10), it is necessary to significantly increase the selectivity of the photodetector and amplifier-driver circuits. However, this leads to an increase in the steepness of the phase characteristics of the listed blocks, which, in turn, reduces the measurement accuracy due to an increase in phase fluctuations when measuring temperature, supply voltages, etc. photodetector and amplifier-driver circuits.
Таким образом недостатком устройства-прототипа является низкая точность при измерении больших расстояний за счет снижения качества приема при больших соотношениях сигнал/шум. Thus, the disadvantage of the prototype device is the low accuracy when measuring large distances due to lower reception quality at high signal to noise ratios.
Целью изобретения является повышение точности измерения расстояний. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring distances.
С этой целью в устройство, содержащее генератор масштабных частот, излучатель, гетеродин, индикатор, последовательно соединенные коммутатор, фотоприемник, усилитель-формирователь, первый и второй логические элементы, первыми входами соединенные с выходом усилителя-формирователя, последовательно соединенные генератор импульсов, ключ и первый счетчик, причем выход гетеродина соединен с вторым входом фотоприемника, выход генератора масштабных частот соединен с входом излучателя, дополнительно введены второй счетчик, первый вход которого подсоединен к выходу ключа, решающий блок, времязадающий делитель, первый и второй регистры, информационные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, а выходы - с первым и вторым входами решающего блока, делитель частоты, входом подсоединенный к выходу генератора масштабных частот, а первым и вторым выходами - с вторыми входами первого и второго логических элементов соответственно, причем вход времязадающего делителя соединен с выходом генератора импульсов, а выходы - с управляющими входами коммутатора, ключа, первого и второго счетчиков, вторыми входами первого и второго регистров, решающего блока, выходы которого соединены с входом индикатора, выходы первого и второго логических элементов соединены с вторыми входами первого и второго счетчиков соответственно, а третьи входы первого и второго регистров соединены с выходами времязадающего делителя. To this end, a device containing a scale frequency generator, emitter, local oscillator, indicator, series-connected switch, photodetector, amplifier-driver, first and second logic elements, the first inputs connected to the output of the amplifier-driver, series-connected pulse generator, key and first a counter, wherein the local oscillator output is connected to the second input of the photodetector, the output of the scaler is connected to the emitter input, a second counter is introduced, the first input of which о connected to the output of the key, a deciding unit, a timing divider, first and second registers, the information inputs of which are connected respectively to the outputs of the first and second counters, and the outputs are connected to the first and second inputs of the deciding unit, a frequency divider connected to the output of the scale generator and the first and second outputs - with the second inputs of the first and second logic elements, respectively, with the input of the timing divider connected to the output of the pulse generator, and the outputs to the control inputs of the commutator Ora, key, first and second counters, second inputs of the first and second registers, a decision block, the outputs of which are connected to the indicator input, the outputs of the first and second logic elements are connected to the second inputs of the first and second counters, respectively, and the third inputs of the first and second registers are connected with outputs of the time divider.
В предлагаемом устройстве фазовый сдвиг определяется сравнением количества счетных импульсов, проходящих с генератора импульсов через первый счетчик и первый регистр и второй счетчик и второй регистр на решающий блок, причем время прохождения импульсов на каждый вход определяется первым и вторым логическими элементами при перемножении обработанного входного сигнала синусной и косинусной составляющими опорного сигнала, выдаваемого делителем частоты. In the proposed device, the phase shift is determined by comparing the number of counting pulses passing from the pulse generator through the first counter and the first register and the second counter and the second register to the decision block, and the transit time of the pulses to each input is determined by the first and second logic elements when the processed input sine signal is multiplied and the cosine components of the reference signal produced by the frequency divider.
Взаимное сравнение синусной и косинусной составляющих сигнала позволяет сохранять высокую точность устройства при отношении сигнал/шум на входе до единицы и менее. Mutual comparison of the sine and cosine components of the signal allows you to maintain high accuracy of the device with a signal-to-noise ratio at the input of up to one or less.
Эквивалентная схема измерения фазового сдвига в предлагаемом устройстве соответствует оптимальному алгоритму измерителя фазы, приведенному в кн. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы, Изд-во Советское радио. М. : 1968, с. 379, 380. Данное измерение фазы характеризуется тем, что может выполняться при любом соотношении сигнал/шум на входе, в том числе при соотношении сигнал/шум меньше единицы. В прототипе же надежное измерение фазовых сдвигов обеспечивается только при больших соотношениях сигнал/шум, например до 10, а при дальнейшем уменьшении соотношения сигнал/шум случайные погрешности измерителя значительно увеличиваются. Погрешности триггерных фазометров рассмотрены, например, в книге Смирнов П.Т. Цифровые фазометры (Изд-во Энергия, Л. : 1974, с. 94-111), где на рис.34 (с. 111) приведены зависимости случайной погрешности измерения фазового сдвига для оптимального и цифрового триггерного фазоизмерителей от соотношения сигнал/шум на входе. Кроме того, в триггерных фазометрах при воздействии шумов возникает систематическая погрешность, величина которой зависит от соотношения сигнал/шум и измеряемого фазового сдвига. Эта погрешность значительно увеличивается с приближением фазового сдвига к точкам разрыва фазовой характеристики (0о, 360о) и достигает десятков градусов при соотношении сигнал/шум менее 5 (см. например, в кн. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Л.: Энергия, 1974, рис. 32).The equivalent scheme for measuring the phase shift in the proposed device corresponds to the optimal phase meter algorithm shown in the book. Pestryakov V.B. Phase Radio Engineering Systems, Soviet Radio Publishing House. M.: 1968, p. 379, 380. This phase measurement is characterized in that it can be performed at any signal to noise ratio at the input, including a signal to noise ratio of less than one. In the prototype, a reliable measurement of phase shifts is provided only at high signal-to-noise ratios, for example, to 10, and with a further decrease in the signal-to-noise ratio, the random errors of the meter increase significantly. Errors of trigger phase meters are considered, for example, in the book of P. Smirnov Digital phase meters (Energia Publishing House, L.: 1974, p. 94-111), where Fig. 34 (p. 111) shows the dependences of the random phase shift measurement error for the optimal and digital trigger phase meters on the input signal-to-noise ratio . In addition, in phase triggers when exposed to noise, a systematic error arises, the magnitude of which depends on the signal-to-noise ratio and the measured phase shift. This error is significantly increased with the approach to phase shift the phase characteristic break points (0 °, 360 °) and reaches tens of degrees at a ratio signal / noise is less than 5 (see. E.g., in the book. Smirnov D.C. Digital phase meters. L .: Energy, 1974, Fig. 32).
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.3 - блок-схема алгоритма работы решающего блока. Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device; figure 2 - timing diagrams explaining his work; figure 3 is a block diagram of the algorithm of the decision block.
Устройство содержит генератор 1 масштабных частот, излучатель 2, входом соединенный с выходом генератора 1 масштабных частот, последовательно соединенные коммутатор 3, фотоприемник 4 и усилитель-формирователь 5, гетеродин 6, выходом соединенный с вторым входом фотоприемника 4, генератор 7 импульсов, времязадающий делитель 9, входом соединенный с выходом генератора 7 импульсов, делитель 10 частоты, входом соединенный с выходом генератора 1 масштабных частот, последовательно соединенные решающий блок 11 и индикатор 12, а также два идентичных канала обработки сигнала, содержащие последовательно соединенные соответственно первый логический элемент 13 и второй логический элемент 14, первый счетчик 15 и второй счетчик 16, первый регистр 17 и второй регистр 18, вторые входы первого и второго логических элементов 13, 14 соединены с выходами делителя 10 частоты, первые входы первого и второго логических элементов 13, 14 соединены с выходом усилителя-формирователя 5, первые входы первого и второго счетчиков 15, 16 соединены с выходом ключа 8, вторые входы первого и второго регистров 17, 18 соединены с выходом времязадающего делителя 9, а выходы - с первым и вторым входами решающего блока 11, выходы времязадающего делителя 9 - с управляющими входами ключа 8, первого и второго счетчиков 15 и 16, первого и второго регистров 17 и 18, решающего блока 11, коммутатора 3, а выход излучателя 2 связан оптическим каналом с первым входом коммутатора 3. The device comprises a
Устройство работает следующим образом. Генератор 1 масштабных частот вырабатывает высокочастотное колебание, которое модулирует излучатель 2. Модулированный световой поток может поступать двумя путями: непосредственно на первый вход коммутатора 3 и после отражения от объекта - на второй вход коммутатора 3. The device operates as follows. The
Коммутатор 3 за счет команд, поступающих на управляющий вход с времязадающего делителя 9, поочередно подсоединяет к фотоприемнику 4 уходящий и пришедший сигналы. The
Фотоприемник 4 преобразует эти сигналы к частоте F с помощью частоты подставки гетеродина 6, так что на вход усилителя-формирователя 5 поступают пачки синусоид с частотой F, преобразуемые в прямоугольные импульсы (фиг.2, эп. 1), поступающие на первые входы первого и второго логических элементов 13 и 14. Длительность пачек равна времени измерения и задается с времязадающего делителя 9. The
На вторые входы первого и второго логических элементов 13 и 14 поступают импульсы с делителя частоты 10 (фиг.2, эп.2 и 3), частота которых равна частоте F измеряемого сигнала, а их взаимный сдвиг составляет четверть периода; импульсы являются опорными, относительно них определяется фазовый сдвиг сигнала с выхода коммутатора 3. Первый и второй логические элементы 13 и 14 реализуют функцию перемножения входных сигналов, результат (пачки импульсов) используется для управления работой счетчиков 15 и 16 (фиг.2, эп. 4 и 5). The second inputs of the first and
Счетчики 15 и 16 принимают эти группы и определяют суммарное количество счетных импульсов в них, поступающих в течение времени, определяемого временем команды, поступающей на первые входы с ключа 8 (фиг.2, эп. 6).
На управляющие входы первого и второго счетчиков 15 и 16 поступают с времязадающего делителя 9 импульсы, приводящие счетчики 15 и 16 в исходное состояние (фиг.2, эп. 7). The control inputs of the first and
В моменты времени t2 происходит параллельная перезапись содержимого счетчиков 15, 16 в регистры 17, 18 и затем обнуление счетчиков (фиг.2, эп. 7, 8). Регистры 17, 18 могут быть выполнены сдвиговыми с параллельной записью и последующим последовательным сдвигом информации со счетчиков 15, 16 на входы решающего блока 11, так как время обработки, как правило, достаточно велико (фиг.2, эп. 10, 11, 9).At time t 2 there is a parallel rewriting of the contents of the
Импульсы (фиг.2, эп. 12) от времязадающего делителя 9 поступают на решающий блок 11, синхронизируя его работу. The pulses (figure 2, ep. 12) from the
Фазовый сдвиг, необходимый для определения расстояния, находится в решающем блоке как разность между фазовыми сдвигами, полученными в режиме измерения φп и калибровки φк (фиг.2, эп. 13), которые отличаются только положением коммутатора 3:
φр=φп-φк, причем φп и φк определяются как
φп,к= arctg , где А, В - числа, накопленные в счетчиках 15, 16 соответственно;
N - суммарное количество импульсов генератора 7 за время наблюдения t2-t1, const.The phase shift necessary to determine the distance is in the decisive block as the difference between the phase shifts obtained in the measurement mode φ p and calibration φ k (figure 2, ep 13), which differ only in the position of the switch 3:
φ p = φ p −φ k , and φ p and φ k are defined as
φ p, k = arctg where A, B are the numbers accumulated in the
N is the total number of pulses of the
Расстояние определяется как
α = λ m + , где λ - длина волны;
m - целое число длин волн до объекта.The distance is defined as
α = λ m + where λ is the wavelength;
m is the integer number of wavelengths to the object.
Длительность времени наблюдения t2-t1 и количество циклов измерения m определяются в конкретном случае, исходя из необходимой точности.The duration of the observation time t 2 -t 1 and the number of measurement cycles m are determined in a particular case, based on the necessary accuracy.
Реализация некоторых узлов. Генератор 1 масштабных частот представляет собой кварцевый генератор на частоту единицы - десятки мГц. Коммутатор 3 в простейшем случае может быть выполнен в виде механической заслонки объективов с отражающей внутренней поверхностью. Implementation of some nodes. The
Фотоприемник 4 содержит кроме фотоэлемента с усилителем еще и смеситель на единицы - десятки мГц и фильтр на метрическую частоту (например, 10 кГц). In addition to the photocell with an amplifier, the
Усилитель-формирователь 5 представляет собой ограничитель и элементы, согласованные с логическими микросхемами. The amplifier-
Времязадающий делитель 9 выполнен либо на сдвиговых регистрах, либо на счетчиках, либо на счетчиках и ПЛМ (или ПЗУ). Временные диаграммы на его выходах приведены на фиг.2, эп. 7 - 12. Делитель 10 частоты построен так, что сигналы на его выходах равны по частоте, но сдвинуты на угол 90о.The time-
Решающий блок 11 может быть реализован на основе, например, контроллера УТК6А, описанного в журнале "Микропроцессорные средства и системы", N 1, 1989, с. 33-35. При этом сигнал с времязадающего делителя 9 подключается к входу КДО, сигналы с регистров 17, 18 - к входам КД1, КД2 соответственно. Поскольку индикатор 12 может быть выполнен цифровым, с динамическим управлением (динамическая индикация), то объединенная шина сегментов индикатора 12 через усилители подключается к выходам 1-УДО-1-УД7, а управление поджигом знакоместа через усилители подключается к выходам 2-УДО-2-УД7. The decision unit 11 can be implemented based, for example, on the controller UTK6A, described in the journal "Microprocessor means and systems",
Таким образом, благодаря новым элементам и связям достигается повышение точности измерения расстояний на порядок и более по сравнению с прототипом при измерении расстояний от единиц метров до сотни метров. Thus, thanks to new elements and relationships, an increase in the accuracy of measuring distances by an order of magnitude or more is achieved compared with the prototype when measuring distances from units of meters to hundreds of meters.
В этом заключается технико-экономический эффект предлагаемого устройства. This is the technical and economic effect of the proposed device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4891881 RU2031365C1 (en) | 1990-12-14 | 1990-12-14 | Device to measure distances |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4891881 RU2031365C1 (en) | 1990-12-14 | 1990-12-14 | Device to measure distances |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2031365C1 true RU2031365C1 (en) | 1995-03-20 |
Family
ID=21550576
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4891881 RU2031365C1 (en) | 1990-12-14 | 1990-12-14 | Device to measure distances |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2031365C1 (en) |
-
1990
- 1990-12-14 RU SU4891881 patent/RU2031365C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 586701, кл. G 01C 3/00, 1976. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2909742B2 (en) | Delay time measuring device | |
JP2896782B2 (en) | Pulse type lightwave distance meter | |
JP3935897B2 (en) | Lightwave ranging device | |
US7339655B2 (en) | Electric optical distance wavelength meter | |
EP1560041B1 (en) | Processing apparatus for pulsed signal and processing method for pulsed signal and program therefor | |
US3900260A (en) | Method and apparatus for measuring the distance and/or relative elevation between two points in an opto-electronic manner | |
JP2916780B2 (en) | High resolution measuring device for time difference | |
EP1808671B1 (en) | Time difference measuring device, measuring method, distance measuring device, and distance measuring method | |
GB2336493A (en) | Circuit arrangement for producing frequency signals | |
US5493396A (en) | High resolution ring laser gyroscope readout | |
US4636719A (en) | Apparatus for extended precision phase measurement | |
RU2031365C1 (en) | Device to measure distances | |
GB2071905A (en) | Angular velocity sensor based on a ring laser | |
Payne | An optical distance measuring instrument | |
JP3141119B2 (en) | Pulse signal detector and light wave distance meter | |
JPH05323029A (en) | Distance measuring method by light wave range finder | |
RU2043603C1 (en) | Device to measure distances | |
RU2062981C1 (en) | Range finder - techeometer | |
JPH08105971A (en) | Ranging method using multi-pulse and device therefor | |
JPH0682552A (en) | Electrooptical distance measurement | |
RU2071067C1 (en) | Phasemeter | |
UA132356U (en) | DISTANCE MEASUREMENT DEVICES | |
SU1645818A1 (en) | Phasic light distance finder | |
SU1037293A1 (en) | Device for reading and measuring lengthy object geometrical parameters | |
JP2903220B2 (en) | Distance measurement method for lightwave distance meter |