RU2610514C2 - Laser phased range finder - Google Patents

Laser phased range finder Download PDF

Info

Publication number
RU2610514C2
RU2610514C2 RU2015104677A RU2015104677A RU2610514C2 RU 2610514 C2 RU2610514 C2 RU 2610514C2 RU 2015104677 A RU2015104677 A RU 2015104677A RU 2015104677 A RU2015104677 A RU 2015104677A RU 2610514 C2 RU2610514 C2 RU 2610514C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
microcontroller
laser
signal
Prior art date
Application number
RU2015104677A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015104677A (en
Inventor
Александр Владимирович Медведев
Николай Дмитриевич Жибарев
Original Assignee
Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" filed Critical Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод"
Priority to RU2015104677A priority Critical patent/RU2610514C2/en
Publication of RU2015104677A publication Critical patent/RU2015104677A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2610514C2 publication Critical patent/RU2610514C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: laser phased range finder has transmitting system and receiving system. Transmitting system consists of scala generator, radiation source in form of laser, laser radiation collimator, rotary mirror and rotary prism. Receiving system consists of receiving lens, photodetector in form of avalanche photodiode, bandpass filter, controlled amplifier, heterodyne oscillator, mixer, high-voltage source, adder, microcontroller and temperature sensor. Receiving lens is made with central opening, in which rotary reflecting prism is installed, which reflecting face is located at angle of 45° to lens optical axis.
EFFECT: increasing of maximum measured range and reduction of measurement error due to improving signal/noise ratio.
1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, для измерения расстояния до различных предметов, используется в геодезии, строительстве, топографии, области вооружений.The present invention relates to measuring equipment for measuring the distance to various objects, used in geodesy, construction, topography, weapons.

Известен лазерный дальномер (патент РФ №2343413 C1, G01C 3/08, заявл. 03.04.2007). Лазерный дальномер содержит первый импульсный полупроводниковый лазер, формирующую оптическую систему, генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов, ключевую схему, приемную оптическую систему, фотоприемник, считывающее устройство и индикатор. Недостатком данного лазерного дальномера является большая погрешность измерения (0,5-1 м в лучших дальномерах), присущая всем импульсным лазерным дальномерам.A known laser range finder (RF patent No. 2343413 C1, G01C 3/08, application. 04/03/2007). The laser range finder comprises a first pulsed semiconductor laser forming an optical system, a clock pulse generator, the output of which is connected to the input of a pulse counter, a key circuit, a receiving optical system, a photodetector, a reader and an indicator. The disadvantage of this laser rangefinder is the large measurement error (0.5-1 m in the best rangefinders), inherent in all pulsed laser rangefinders.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является фазовый светодальномер (патент РФ №2139498 C1, G01C 3/08, заявл. 28.05.1998), принятый за прототип. Фазовый светодальномер состоит из корпуса, установленного в нем передающего блока, состоящего из источника излучения в виде полупроводникового лазера, коллиматора лазерного излучения, поворотного зеркала, поворотной призмы, и приемного блока, состоящего из приемного объектива, фотоприемника, выполненного в виде лавинного фотодиода, усилителя, амплитудного детектора, высоковольтного источника, гетеродинного генератора, смесителя и фазоизмерительного устройства. В передающем блоке лазерное излучение модулируется масштабным генератором. Измерение фазы выполняется на низкой частоте путем преобразования передающей и приемной частоты сигнала. Преобразование передающей частоты выполняется на смесителе путем перемножения сигнала масштабного генератора и сигнала гетеродинного генератора, в результате на выходе получается сигнал разностной частоты. Преобразование приемной частоты выполняется самим лавинным фотодиодом. Напряжение сигнала гетеродинного генератора изменяет коэффициент умножения лавинного фотодиода, в результате входной световой поток перемножается на переменный коэффициент умножения и на выходе выделяется разностный по частоте низкочастотный сигнал.The closest in technical essence to the claimed is a phase light meter (RF patent No. 2139498 C1, G01C 3/08, application. 05.28.1998), adopted as a prototype. The phase light range finder consists of a housing, a transmitting unit installed in it, consisting of a radiation source in the form of a semiconductor laser, a laser radiation collimator, a rotary mirror, a rotary prism, and a receiving unit consisting of a receiving lens, a photodetector made in the form of an avalanche photodiode, an amplifier, an amplitude detector, a high-voltage source, a local oscillator, a mixer, and a phase meter. In the transmitting unit, the laser radiation is modulated by a scale generator. Phase measurement is performed at a low frequency by converting the transmit and receive frequencies of the signal. The conversion of the transmitting frequency is performed on the mixer by multiplying the signal of the scale generator and the signal of the local oscillator, as a result of which the difference frequency signal is obtained. The conversion of the receiving frequency is performed by the avalanche photodiode itself. The signal voltage of the heterodyne generator changes the multiplication factor of the avalanche photodiode, as a result, the input light flux is multiplied by a variable multiplication factor and a low-frequency difference in frequency is outputted.

Недостатком данного устройства является высокий уровень помех на входе усилителя, приводящий к уменьшению точности измерения и относительно широкая полоса пропускания усилителя из-за отсутствия фильтров, сужающих шумовую полосу пропускания усилителя. Высокий уровень помех обусловлен тем, что на выходе лавинного фотодиода кроме полезного сигнала разностной частоты Fc-Fг присутствуют следующие частоты нелинейного преобразования - Fc+Fг, Fг и др., гдеThe disadvantage of this device is the high level of interference at the input of the amplifier, leading to a decrease in measurement accuracy and a relatively wide passband of the amplifier due to the lack of filters that narrow the noise passband of the amplifier. The high level of interference is due to the fact that at the output of the avalanche photodiode, in addition to the useful signal of the difference frequency Fc-Fg, there are the following nonlinear conversion frequencies - Fc + Fg, Fg, etc., where

Fг - частота гетеродинного генератора;Fg is the frequency of the local oscillator;

Fc - частота входного оптического сигнала, равная масштабной частоте.Fc is the frequency of the input optical signal equal to the scale frequency.

Особенно большой по уровню является частота Fг, т.к. кроме преобразования на лавинном фотодиоде она также просачивается на вход усилителя через паразитную емкость катод-анод фотодиода. Этот паразитный сигнал может перегружать входные цепи усилителя и приводить к дополнительным погрешностям измерения.The frequency Fg is especially large in level, because in addition to conversion on the avalanche photodiode, it also seeps into the amplifier input through the parasitic capacitance of the cathode-anode of the photodiode. This spurious signal can overload the input circuits of the amplifier and lead to additional measurement errors.

Вторым существенным недостатком прототипа является автоматическая регулировка уровня принимаемого сигнала, состоящая из последовательно соединенных лавинного фотодиода, усилителя, амплитудного детектора, управляемого высоковольтного источника. При малых уровнях сигнала, соответствующих большим дальностям, устанавливается более высокое напряжение на лавинном фотодиоде, что значительно уменьшает отношение сигнал/шум, чем при высоких уровнях. Ситуация ухудшается при высокой температуре окружающей среды, для лавинного фотодиода требуется еще более высокое напряжение, чем при низкой температуре, поэтому в диапазоне температур динамический диапазон регулирования усиления сужается и тем самым уменьшается максимальная дальность.The second significant disadvantage of the prototype is the automatic adjustment of the level of the received signal, consisting of series-connected avalanche photodiode, amplifier, amplitude detector, controlled high-voltage source. At low signal levels corresponding to large ranges, a higher voltage is set on the avalanche photodiode, which significantly reduces the signal-to-noise ratio than at high levels. The situation worsens at high ambient temperatures, an even higher voltage is required for an avalanche photodiode than at low temperatures, therefore, in the temperature range, the dynamic range of gain control narrows and thereby reduces the maximum range.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности измерения и увеличение максимальной дальности.The task of the invention is to reduce the measurement error and increase the maximum range.

Функциональная схема лазерного фазового дальномера представлена на Фиг. 1. Дальномер состоит из корпуса 1, установленного в нем передающего блока, состоящего из источника излучения в виде полупроводникового лазера 2, коллиматора лазерного излучения 3, поворотного зеркала 4, поворотной призмы 5, и приемного блока, состоящего из приемного объектива 6, фотоприемника, выполненного в виде лавинного фотодиода 7. Кроме этого дальномер содержит масштабный генератор 13, гетеродинный генератор 10, смеситель 14 и управляемый высоковольтный источник 12. Для уменьшения шумовой полосы и фильтрации частоты гетеродинного генератора и других паразитных частот добавлен узкополосный полосовой фильтр 8, с центральной частотой, настроенной на сигнал разностной частоты (масштабная минус гетеродинная). Также добавлен сумматор 11, управляемый усилитель 9, микроконтроллер 15 и датчик температуры 16. Функцию автоматической регулировки напряжения (АРУ) выполняет управляемый усилитель. Выходной сигнал этого усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. Микроконтроллер измеряет амплитуду входного сигнала, сравнивает с заданным значением и далее корректирует уровень сигнала с помощью выходного управляющего сигнала, поступающего на вход управления усилителя, поддерживая выходной сигнал усилителя на относительно постоянном уровне.The functional diagram of the laser phase range finder is shown in FIG. 1. The range finder consists of a housing 1, a transmitting unit installed in it, consisting of a radiation source in the form of a semiconductor laser 2, a laser radiation collimator 3, a rotary mirror 4, a rotary prism 5, and a receiving unit consisting of a receiving lens 6, a photodetector made in the form of an avalanche photodiode 7. In addition, the range finder contains a scale generator 13, a local oscillator 10, a mixer 14 and a controlled high-voltage source 12. To reduce the noise band and filter the frequency of the local oscillator and other spurious frequencies, a narrow-band bandpass filter 8 has been added, with a central frequency tuned to a difference frequency signal (scale minus heterodyne). An adder 11, a controlled amplifier 9, a microcontroller 15, and a temperature sensor 16 are also added. The function of automatic voltage regulation (AGC) is performed by a controlled amplifier. The output signal of this amplifier goes to the input of the analog-to-digital converter (ADC) of the microcontroller. The microcontroller measures the amplitude of the input signal, compares it with a predetermined value, and then adjusts the signal level using the output control signal supplied to the control input of the amplifier, maintaining the output signal of the amplifier at a relatively constant level.

Микроконтроллер также измеряет окружающую температуру по датчику температуры и выставляет оптимальное постоянное высокое напряжение на лавинном фотодиоде с помощью управляемого высоковольтного источника. Напряжение рассчитывается по температурному коэффициенту напряжения лавинного фотодиода таким образом, чтобы поддерживать заданный коэффициент умножения фотодиода в диапазоне температур. Коэффициент умножения лавинного фотодиода задается таким, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум для конкретного управляемого усилителя. Это позволяет измерять максимально возможную дальность.The microcontroller also measures the ambient temperature using a temperature sensor and sets the optimal constant high voltage on the avalanche photodiode using a controlled high-voltage source. The voltage is calculated by the temperature coefficient of the voltage of the avalanche photodiode in such a way as to maintain a given multiplication factor of the photodiode in the temperature range. The avalanche photodiode multiplication factor is set to provide the maximum signal to noise ratio for a particular controlled amplifier. This allows you to measure the maximum possible range.

Функцию фазометра, а следовательно, и измерителя дальности выполняет микроконтроллер. Измерение дальности производится микроконтроллером по фазовому сдвигу между передающим сигналом разностной частоты (опорным сигналом) и принятым сигналом разностной частоты. Преобразование передающей частоты производится смесителем 14, который выдает цифровой сигнал разностной частоты на вход "защелки" микроконтроллера. Микроконтроллер по фронту сигнала производит запись содержимого внутреннего таймера в регистр защелки, обозначим это значение tпрд. Преобразование принятого сигнала выполняется самим лавинным фотодиодом. Для этого на катод фотодиода подается с сумматора сумма постоянного высокого напряжения и переменного синусоидального напряжения с гетеродинного генератора. Переменное напряжение изменяет синхронно коэффициент умножения лавинного фотодиода, в результате на аноде фотодиода получается сигнал разностной частоты - сигнальная частота минус гетеродинная.The function of the phase meter, and therefore the range meter, is performed by the microcontroller. The range is measured by the microcontroller according to the phase shift between the transmitting signal of the differential frequency (reference signal) and the received signal of the differential frequency. Transmission frequency conversion is performed by mixer 14, which provides a digital differential frequency signal to the input of the "latch" of the microcontroller. The microcontroller along the edge of the signal records the contents of the internal timer in the latch register, we denote this value t prd . The conversion of the received signal is performed by the avalanche photodiode itself. For this, the sum of a constant high voltage and an alternating sinusoidal voltage from a heterodyne generator is supplied to the cathode of the photodiode from the adder. The alternating voltage synchronously changes the multiplication factor of the avalanche photodiode, as a result, a difference frequency signal is obtained at the anode of the photodiode - the signal frequency minus the heterodyne.

Фаза принятого сигнала определяется следующим образом.The phase of the received signal is determined as follows.

На вход АЦП микроконтроллера 15 поступает синусоидальный сигнал разностной частоты с выхода управляемого усилителя 9. Микроконтроллер выполняет преобразование АЦП с частотой дискретизации, намного превышающей частоту входного сигнала в 20-50 раз, и записывает не только значения АЦП, но и моменты времени внутреннего таймера, соответствующие значениям. На Фиг. 2. показан отрезок синусоиды в момент смены знака сигнала. Время на этом чертеже дискретное, с периодом работы внутреннего таймера. Точки К1 и К2 - это отсчеты АЦП в момент смены знака. Как видно из чертежа, при высокой частоте дискретизации отрезок синусоиды К1-К2 в момент перехода через ноль представляет прямую линию. Задача микроконтроллера найти время t, соответствующее нулевому значению синусоиды. Исходя из подобия треугольников AK1t и BK1K2, можно составить отношение:The input of the ADC of the microcontroller 15 receives a sinusoidal differential frequency signal from the output of the controlled amplifier 9. The microcontroller performs the conversion of the ADC with a sampling frequency that is much higher than the input signal by 20-50 times, and records not only the ADC values, but also the time points of the internal timer corresponding to values. In FIG. 2. shows a segment of a sinusoid at the time of changing the sign of the signal. The time in this drawing is discrete, with the period of the internal timer. Points K1 and K2 are ADC readings at the moment of a sign change. As can be seen from the drawing, at a high sampling frequency, the segment of the sinusoid K1-K2 at the moment of transition through zero represents a straight line. The task of the microcontroller is to find the time t corresponding to the zero value of the sine wave. Based on the similarity of triangles AK1t and BK1K2, we can make the ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

Откуда можно найти время t:Where can I find the time t:

Figure 00000002
Figure 00000002

Дальность можно определить по следующей формуле:Range can be determined by the following formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где С - скорость света;where C is the speed of light;

ϕ - разность фаз принятого и передающего сигнала;ϕ is the phase difference of the received and transmitting signal;

f - частота модуляции лазера (частота масштабного генератора);f is the laser modulation frequency (frequency of the scale generator);

N=T/tclk - количество периодов тактовой частоты таймера в периоде сигнала разностной частоты;N = T / t clk - the number of periods of the clock frequency of the timer in the period of the signal of the differential frequency;

Т - период сигнала разностной частоты;T is the period of the difference frequency signal;

tclk - период тактовой частоты таймера;t clk - period of the clock frequency of the timer;

tпрд - записанное (защелкнутое) значение таймера по фронту передающего сигнала разностной частоты смесителя.t prd - recorded (latched) value of the timer on the front of the transmitting signal of the differential frequency of the mixer.

Claims (1)

Лазерный фазовый дальномер, содержащий корпус, установленные в нем приемную и передающую оптические системы, источник излучения - полупроводниковый лазер, фотоприемное устройство в виде лавинного фотодиода, объектив приемной оптической системы, выполненный с центральным отверстием, в котором через светоизолятор установлена поворотная отражательная призма передающей оптической системы, при этом отражательная грань призмы расположена под углом 45° к оптической оси объектива, масштабный генератор, второй выход которого соединен с входом лазера, а первый выход соединен с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к первому выходу гетеродинного генератора, также содержащий высоковольтный источник, отличающийся тем, что введены сумматор, полосовой фильтр, управляемый усилитель, микроконтроллер и датчик температуры, причем второй выход гетеродинного генератора соединен с первым входом сумматора, а выход высоковольтного источника соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к катоду лавинного фотодиода, анод которого соединен с входом полосового фильтра, а выход его подключен к входу управляемого усилителя, выход которого подается на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, а третий выход микроконтроллера соединен с входом управления управляемого усилителя, причем второй выход микроконтроллера подключен к входу управления высоковольтного источника, первый вход микроконтроллера соединен с выходом смесителя, а второй вход соединен с выходом датчика температуры, а первый выход микроконтроллера является выходом дальномера.A laser phase range finder containing a housing, receiving and transmitting optical systems installed in it, a radiation source — a semiconductor laser, an avalanche photodiode photodetector, a receiving optical system lens made with a central hole in which a rotary reflective prism of the transmitting optical system is installed through the light isolator while the reflective face of the prism is located at an angle of 45 ° to the optical axis of the lens, a scale generator, the second output of which is connected to the input m of laser, and the first output is connected to the first input of the mixer, the second input of which is connected to the first output of the local oscillator, also containing a high voltage source, characterized in that an adder, a bandpass filter, a controlled amplifier, a microcontroller and a temperature sensor are introduced, the second output of the local oscillator connected to the first input of the adder, and the output of the high-voltage source is connected to the second input of the adder, the output of which is connected to the cathode of the avalanche photodiode, the anode of which is connected to the input of the strips filter, and its output is connected to the input of a controlled amplifier, the output of which is fed to the input of an analog-to-digital converter of the microcontroller, and the third output of the microcontroller is connected to the control input of the controlled amplifier, the second output of the microcontroller is connected to the control input of the high-voltage source, the first input of the microcontroller is connected to the output of the mixer, and the second input is connected to the output of the temperature sensor, and the first output of the microcontroller is the output of the range finder.
RU2015104677A 2015-02-11 2015-02-11 Laser phased range finder RU2610514C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015104677A RU2610514C2 (en) 2015-02-11 2015-02-11 Laser phased range finder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015104677A RU2610514C2 (en) 2015-02-11 2015-02-11 Laser phased range finder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015104677A RU2015104677A (en) 2016-08-27
RU2610514C2 true RU2610514C2 (en) 2017-02-13

Family

ID=56851862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015104677A RU2610514C2 (en) 2015-02-11 2015-02-11 Laser phased range finder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2610514C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650851C1 (en) * 2017-03-17 2018-04-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1645818A1 (en) * 1988-02-15 1991-04-30 Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им.Ф.Н.Красовского Phasic light distance finder
RU2082090C1 (en) * 1994-02-22 1997-06-20 Московский институт радиотехники, электроники, автоматики Laser ranger
US6633367B2 (en) * 2000-02-14 2003-10-14 Hilti Aktiengesellschaft Method and device for optoelectronic distance measurement
US8570494B2 (en) * 2009-06-17 2013-10-29 Sokkia Topcon Co., Ltd. Electro-optical distance meter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1645818A1 (en) * 1988-02-15 1991-04-30 Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им.Ф.Н.Красовского Phasic light distance finder
RU2082090C1 (en) * 1994-02-22 1997-06-20 Московский институт радиотехники, электроники, автоматики Laser ranger
US6633367B2 (en) * 2000-02-14 2003-10-14 Hilti Aktiengesellschaft Method and device for optoelectronic distance measurement
US8570494B2 (en) * 2009-06-17 2013-10-29 Sokkia Topcon Co., Ltd. Electro-optical distance meter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650851C1 (en) * 2017-03-17 2018-04-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015104677A (en) 2016-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9347773B2 (en) Highly accurate distance measurement device
US7339655B2 (en) Electric optical distance wavelength meter
US4274736A (en) Method and apparatus for electrooptical distance measurement
JP2909742B2 (en) Delay time measuring device
ES2902000T3 (en) Signal processing procedure of a coherent lidar and associated lidar system
US11112502B2 (en) Laser radar system
US20040100626A1 (en) Method and device for operating a pmd system
JP2006521536A5 (en)
JPH0763855A (en) Apparatus for optical measurement
CN105785385A (en) Laser ranging method and device based on synchronous sampling and multiple phase measurement
Olyaee et al. Comparison of TOF, FMCW and phase-shift laser range-finding methods by simulation and measurement
RU2610514C2 (en) Laser phased range finder
US10852402B2 (en) Phase anti-aliasing using spread-spectrum techniques in an optical distance measurement system
CN102565806A (en) Method and device for laser ranging
CN115308715A (en) Method and system for sparse modulation wind-measuring radar
KR100780525B1 (en) Laser theodolite
JPS6025471A (en) Optical displacement measuring method
RU2347235C2 (en) Method of formation coherent frequency modulated signal for radar stations with periodic fm modulation and device for its realisation
JP2023142441A (en) Light wave rangefinder
RU108636U1 (en) FW-FIRM DIMMER WITH DIRECT MEASUREMENT OF BEAT FREQUENCY
RU2353901C1 (en) Dispersion laser range finder
Nejad et al. A new design of laser phase-shift range finder independent of environmental conditions and thermal drift
Sorochan et al. J-correlation direction finder with improved characteristics of a time delay meter
RU2545498C1 (en) Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar
RU112399U1 (en) Long Range Dispersion Laser Rangefinder

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170330

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200602