[go: up one dir, main page]

RU2554279C2 - Laser distance meter - Google Patents

Laser distance meter Download PDF

Info

Publication number
RU2554279C2
RU2554279C2 RU2013118605/28A RU2013118605A RU2554279C2 RU 2554279 C2 RU2554279 C2 RU 2554279C2 RU 2013118605/28 A RU2013118605/28 A RU 2013118605/28A RU 2013118605 A RU2013118605 A RU 2013118605A RU 2554279 C2 RU2554279 C2 RU 2554279C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
input
measurement
avalanche photodiode
channel
Prior art date
Application number
RU2013118605/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013118605A (en
Inventor
Валерий Васильевич Баланюк
Игорь Витальевич Мещеряков
Original Assignee
Валерий Васильевич Баланюк
Игорь Витальевич Мещеряков
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 Валерий Васильевич Баланюк, Игорь Витальевич Мещеряков filed Critical Валерий Васильевич Баланюк
Publication of RU2013118605A publication Critical patent/RU2013118605A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2554279C2 publication Critical patent/RU2554279C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002Active optical surveying means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4813Housing arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497Means for monitoring or calibrating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to optic devices for contactless measurement of distance and can be used at production of laser distance meters or tacheometers. A distance meter includes a transmitting channel including a setting generator connected to the input of a laser transmitter with an output optic system, a receiving channel, as well as an optic pilot channel. The receiving channel includes an input optic system, in the focus of which an avalanche photodiode is installed which is connected to a signal input of the measurement unit, the reference input of which is connected to the setting generator. The pilot channel is made in the form of an external optic line closing input and output channels. Housings of the avalanche photodiode and the laser diode are provided with a temperature sensor connected to the measurement input of the measurement unit, and the measurement unit itself is provided with non-volatile memory.
EFFECT: enlarging functional capabilities.
6 cl, 4 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к оптическим измерительным приборам, в частности к устройствам для бесконтактного измерения дальности, и может использоваться при производстве лазерных дальномеров или тахеометров, позволяющих с высокой точностью измерять расстояния до объекта или его отдельных частей, а также может использоваться при топографической съемке местности.The claimed invention relates to optical measuring devices, in particular to devices for non-contact range measurement, and can be used in the manufacture of laser rangefinders or total stations, which can accurately measure the distance to the object or its individual parts, and can also be used for topographic surveying of the area.

Предшествующий уровень техникиState of the art

В настоящее время в геодезии, в строительстве, инженерных изысканиях, землеустроительных и кадастровых работах для высокоточного контроля расстояний широко используются лазерные дальномеры, позволяющие с точностью до 1 мм на дальностях до 3 км определять расстояния. Основными требованиями, предъявляемыми к указанным измерителям дальности, являются:At present, in the field of geodesy, construction, engineering surveys, land surveying and cadastral works, laser range finders are widely used for highly accurate distance control, which allows determining distances with an accuracy of 1 mm at distances up to 3 km. The main requirements for these range meters are:

- простота и быстрота работы с ним потребителя, что позволяет существенно упростить эксплуатационные издержки и снизить уровень обслуживающего прибор персонала;- simplicity and speed of work with the consumer, which can significantly simplify operating costs and reduce the level of personnel servicing the device;

- дешевизна прибора при его массовом производстве, что позволит существенно снизить затраты предприятий, использующих одновременно десятки и сотни приборов;- the cheapness of the device during its mass production, which will significantly reduce the costs of enterprises that use dozens and hundreds of devices at the same time;

- обеспечение гарантированной надежности приборов в диапазоне рабочих температур от - 40°С зимой и до + 50°С летом, т.к. работа может вестись круглогодично в труднодоступных местах, например, при прокладке трубопроводов в северных широтах, что исключает возможность проведения частых поверок приборов в метрологической лаборатории.- ensuring guaranteed reliability of devices in the operating temperature range from - 40 ° C in winter and up to + 50 ° C in summer, because work can be carried out year-round in hard-to-reach places, for example, when laying pipelines in the northern latitudes, which excludes the possibility of frequent calibration of devices in the metrology laboratory.

Известно устройство лазерного дальномера с двумя фотоприемными устройствами (ФПУ), позволяющего за счет использования фазового метода с высокой точностью измерять дальность (см. патент США №7023531, кл. G01C 3/08, 2006 г.). Устройство содержит передающий канал, включающий задающий генератор, соединенный со входом лазерного передатчика, и два приемных канала (сигнальный и опорный), каждый из которых представляет собой ФПУ на основе лавинного фотодиода, выход которого через преобразователь сигнала (демодулятор, полосовой фильтр, усилитель и АЦП) подключен к микроконтроллеру. Оба приемных канала работают одновременно: сигнальный принимает излучение, отраженное от измеряемого объекта, а в опорный канал подается небольшая часть излучения, отраженная от полупрозрачного зеркала на выходе оптического передатчика.A laser range finder device with two photodetector devices (FPUs) is known, which makes it possible to measure range using the phase method with high accuracy (see US Patent No. 7023531, class G01C 3/08, 2006). The device contains a transmitting channel, including a master oscillator connected to the input of the laser transmitter, and two receiving channels (signal and reference), each of which is an FPU based on an avalanche photodiode, the output of which is through a signal converter (demodulator, bandpass filter, amplifier, and ADC) ) connected to the microcontroller. Both receiving channels operate simultaneously: the signal channel receives radiation reflected from the measured object, and a small part of the radiation reflected from the translucent mirror at the output of the optical transmitter is supplied to the reference channel.

Главный принцип работы этой схемы основан на предположении о том, что температурный дрейф фаз в этих каналах должен быть одинаков, и, соответственно, на разность фаз влияния оказывать не должен.The main principle of operation of this circuit is based on the assumption that the temperature drift of phases in these channels should be the same, and, accordingly, should not affect the phase difference.

Основными недостатками известного устройства являются, во-первых, наличие двух ЛФД, каждый из которых является наиболее дорогостоящим компонентом схемы.The main disadvantages of the known device are, firstly, the presence of two APDs, each of which is the most expensive component of the circuit.

Во-вторых, эти ЛФД должны быть комплементарны, то есть изготовлены в одной партии и подобраны друг к другу, чтобы на выходе каждого ФПУ иметь одинаковый температурный дрейф фазы. Использование в этой схеме ЛФД одной модели, но из разных партий не позволит полностью скомпенсировать температурный дрейф, что приведет к дополнительной погрешности.Secondly, these APDs must be complementary, that is, they are made in one batch and matched to each other so that at the output of each FPU they have the same temperature phase drift. The use of one model in this scheme, but from different batches, will not fully compensate for the temperature drift, which will lead to an additional error.

Наиболее близким к заявляемому лазерному дальномеру является взятое в качестве прототипа двухканальное устройство, работающее по принципу фазового дальномера (см. патент США №7221435, кл. G01C 3/08, 2007 г). Устройство содержит: передающий канал; приемный канал; оптический контрольный канал и электронный блок. Передающий канал включает задающий генератор, соединенный со входом лазерного передатчика с выходной оптической системой. Приемный канал включает входную оптическую систему, в фокусе которой установлен ЛФД, соединенный с сигнальным входом электронного блока. Опорный вход электронного блока соединен с задающим генератором. Оптический контрольный канала выполнен в виде механического переключателя с двумя оптически связанными зеркалами, одно из которых установлено перед выходным отверстием передающего канала, а другое - перед входным отверстием приемного канала. Наличие оптического контрольного канала с двумя переключаемыми оптически связанными зеркалами позволяет повысить точность измерения дальности за счет того, что перед каждым измерением производится калибровочное измерение длины контрольного оптического канала, при котором за счет двух поворотных зеркал выходное излучение передающего канала не выходя за пределы устройства сразу поступает на вход приемного канала. Наличие опорного канала позволяет устранить возникающие при измерении расстояния ошибки, возникающие из-за временных задержек, вносимых лавинным фотодиодом, лазерным передатчиком и некоторыми другими электронными элементами схемы устройства. Эти ошибки имеют величину порядка нескольких десятков миллиметров, что не приемлемо для решения поставленных задач.Closest to the claimed laser rangefinder is taken as a prototype two-channel device that works on the principle of a phase rangefinder (see US patent No. 7221435, CL G01C 3/08, 2007). The device comprises: a transmitting channel; receiving channel; optical control channel and electronic unit. The transmitting channel includes a master oscillator connected to the input of the laser transmitter with the output optical system. The receiving channel includes an input optical system, in the focus of which is installed an APD connected to the signal input of the electronic unit. The reference input of the electronic unit is connected to the master oscillator. The optical control channel is made in the form of a mechanical switch with two optically coupled mirrors, one of which is installed in front of the outlet of the transmitting channel, and the other in front of the inlet of the receiving channel. The presence of an optical control channel with two switchable optically coupled mirrors makes it possible to increase the accuracy of range measurement due to the fact that before each measurement, a calibration measurement of the length of the control optical channel is performed, in which due to two rotary mirrors the output radiation of the transmitting channel without leaving the device immediately goes to input channel input. The presence of the reference channel makes it possible to eliminate errors arising during distance measurement that arise due to time delays introduced by the avalanche photodiode, laser transmitter, and some other electronic elements of the device circuit. These errors have a value of the order of several tens of millimeters, which is not acceptable for solving the tasks.

Опорный канал непосредственно перед каждым измерением с помощью поворотных зеркал «замыкает» излучение оптического передатчика непосредственно на ФПУ, производит контрольное измерение длины опорного канала. Результат контрольного измерения вычитается из результата последующего измерения дальности, которое производится сразу после контрольного измерения, когда поворотные зеркала перекрывают опорный канал и открывают оптический путь до измеряемого объекта.The reference channel immediately before each measurement with the help of rotary mirrors "closes" the radiation of the optical transmitter directly to the FPU, and makes a control measurement of the length of the reference channel. The result of the control measurement is subtracted from the result of the subsequent range measurement, which is carried out immediately after the control measurement, when the turning mirrors overlap the reference channel and open the optical path to the measured object.

Основными недостатками известного устройства являются, во-первых, сложность конструкции, содержащей подвижные элементы. Известно, что механически подвижные части устройства обычно являются наименее надежными частями устройств, работающих при очень низких температурах (до -40°С).The main disadvantages of the known device are, firstly, the complexity of the design containing the movable elements. It is known that mechanically movable parts of a device are usually the least reliable parts of devices operating at very low temperatures (up to -40 ° C).

Во-вторых, необходимость проведения контрольного замера перед каждым измерением дальности увеличивает общее время измерений, что также особенно негативно сказывается в очень холодных или очень жарких климатических условиях.Secondly, the need for a control measurement before each range measurement increases the total measurement time, which also has a particularly negative effect in very cold or very hot climatic conditions.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей лазерного дальномера за счет устранения вышеуказанных недостатков при одновременном удешевлении себестоимости изделия.The basis of the invention is the task of expanding the functionality of the laser rangefinder by eliminating the above disadvantages while reducing the cost of the product.

Эта задача в лазерном дальномере, содержащем передающий канал, включающий задающий генератор, соединенный со входом лазерного передатчика с выходной оптической системой, и приемный канал, включающий входную оптическую систему, в фокусе которой установлен лавинный фотодиод, подключенный к сигнальному входу электронного блока, опорный вход которого соединен с задающим генератором, а также оптический контрольный канал, решена тем, что оптический контрольный канал выполнен в виде внешней оптической линии, замыкающей входной и выходной каналы. Кроме того, корпусы лавинного фотодиода и лазерного диода снабжены термодатчиком, подключенным к измерительному входу электронного блока, а сам электронный блок оборудован энергонезависимой памятью.This task is in a laser rangefinder containing a transmitting channel, including a master oscillator connected to the input of the laser transmitter with the output optical system, and a receiving channel, including the input optical system, in the focus of which an avalanche photodiode is connected, connected to the signal input of the electronic unit, the reference input of which connected to the master oscillator, as well as the optical control channel, it is decided that the optical control channel is made in the form of an external optical line that closes the input and output channel Ala. In addition, the avalanche photodiode and laser diode cases are equipped with a thermal sensor connected to the measuring input of the electronic unit, and the electronic unit is equipped with non-volatile memory.

Внешний оптический контрольный канал позволяет измерить зависящие от температуры фазовые сдвиги, возникающие внутри дальномера, а наличие термодатчика позволяет построить калибровочную зависимость (КЗ) фазовых сдвигов от температуры, которая записывается в энергонезависимую память. Таким образом, единожды измеренная КЗ позволяет отказаться от необходимости использования данных опорного канала перед каждым измерением, что соответственно повышает за счет этого скорость измерений, удобство эксплуатации, диапазон рабочих температур и одновременно с этим снижает стоимость устройства.An external optical control channel allows one to measure temperature-dependent phase shifts that occur inside the rangefinder, and the presence of a temperature sensor allows one to construct a calibration dependence (SC) of phase shifts on temperature, which is recorded in non-volatile memory. Thus, once measured short circuit allows you to eliminate the need to use the data of the reference channel before each measurement, which accordingly increases the measurement speed, ease of use, operating temperature range and at the same time reduces the cost of the device.

Для контроля за температурой корпуса лавинного фотодиода и лазерного диода они установлены на общем металлическом теплопроводе, температуру которого отслеживает термодатчик.To control the temperature of the avalanche photodiode body and laser diode, they are mounted on a common metal heat pipe, the temperature of which is monitored by a temperature sensor.

Для измерения КЗ каждый прибор, оснащенный оптическим контрольным каналом, выполненным, например, в виде двух неподвижных зеркал, установленных друг к другу под прямым углом, или в виде двух- или трехгранной призмы, грани которой образуют прямой угол, или в виде отрезка световода, устанавливается в климатической камере. При этом внутри оптического контрольного канала установлен ослабитель оптического излучения, например затемненное стекло, позволяющий направить на рабочую площадку ЛФД нужный уровень оптической мощности.For short-circuit measurements, each device equipped with an optical control channel, made, for example, in the form of two fixed mirrors mounted to each other at a right angle, or in the form of a two- or trihedral prism, the edges of which form a right angle, or in the form of a fiber section, installed in a climate chamber. At the same time, an optical radiation attenuator, for example, darkened glass, is installed inside the optical control channel, which makes it possible to direct the desired level of optical power to the LFD working platform.

Измерение КЗ для каждого дальномера проводится только один раз на заводе-изготовителе и записывается в энергонезависимую память, например флэш-память.Short circuit measurement for each rangefinder is carried out only once at the factory and is recorded in non-volatile memory, such as flash memory.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого лазерного дальномера в рабочем режиме.Figure 1 shows a block diagram of the inventive laser rangefinder in operating mode.

На фиг.2 приведена блок-схема заявляемого лазерного дальномера в режиме измерения КЗ.Figure 2 shows a block diagram of the inventive laser rangefinder in the measurement mode short circuit.

На фиг.3 приведена блок-схема измерительного блока лазерного дальномера.Figure 3 shows the block diagram of the measuring unit of the laser rangefinder.

На фиг.4 приведено конструктивное выполнение оптического контрольного канала с использованием двухгранной призмы.Figure 4 shows the structural embodiment of the optical control channel using a two-sided prism.

Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention

Заявляемое устройство (фиг.1) включает: передающий канал 1, состоящий из задающего генератора 2 и лазерного передатчика в составе драйвера 3 и лазерного диода 4 с выходной оптической системой 5, преобразующей расходящийся пучок света в параллельный пучок света 6; приемный канал 7, состоящий из входной оптической системы 8, преобразующей параллельный пучок света 9 в сходящийся пучок, в фокусе которого установлен лавинный фотодиод 10; металлический теплопровод 11, на котором установлены корпусы лазерного диода 4 и лавинного фотодиода 10, а также термодатчик 12; источник питания 13, подающий высокое напряжение на лавинный фотодиод 10; электронный блок 14 содержащий микроконтроллер 15, преобразователь высокочастотного сигнала 16, интерфейс управления и индикации 17, интерфейс передачи данных 18, аккумуляторный источник питания 19 и энергонезависимую памятью 20.The inventive device (figure 1) includes: a transmitting channel 1, consisting of a master oscillator 2 and a laser transmitter consisting of a driver 3 and a laser diode 4 with an output optical system 5 that converts a diverging light beam into a parallel light beam 6; a receiving channel 7, consisting of an input optical system 8, converting a parallel beam of light 9 into a converging beam, in the focus of which an avalanche photodiode 10 is installed; metal heat conduit 11 on which the cases of the laser diode 4 and the avalanche photodiode 10 are installed, as well as the temperature sensor 12; a power source 13 supplying a high voltage to the avalanche photodiode 10; an electronic unit 14 comprising a microcontroller 15, a high-frequency signal converter 16, a control and indication interface 17, a data transmission interface 18, a battery pack 19 and a non-volatile memory 20.

Представленное на фиг.2 устройство дополнительно включает: оптический контрольный канал 21, состоящий из двух неподвижных зеркал 22 и 23, расположенных под прямым углом друг к другу, а также ослабителя лазерного излучения 24.Presented in figure 2, the device further includes: an optical control channel 21, consisting of two stationary mirrors 22 and 23, located at right angles to each other, as well as a laser radiation attenuator 24.

Представленная на фиг.3 блок-схема включает: цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25; преобразователь высокочастотного сигнала 16, состоящий из двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 26 и 27, двух смесителей (Down converter) 28 и 29, генератора гетеродина 30 (Local oscillator) и усилителя 31.The block diagram shown in FIG. 3 includes: a digital-to-analog converter (DAC) 25; high-frequency signal converter 16, consisting of two analog-to-digital converters (ADCs) 26 and 27, two mixers (Down converter) 28 and 29, a local oscillator 30 (Local oscillator) and an amplifier 31.

На фиг.4 представлена конструкция сопряжения заявляемого устройства с оптическим контрольным каналом, выполненным в виде двухгранной призмы 25, грани которой образуют прямой угол. Теплопровод 11, в котором запрессованы лазерный диод 4 и лавинный фотодиод 10, закреплен непосредственно на печатной плате 26.Figure 4 presents the design of the pairing of the claimed device with an optical control channel, made in the form of a dihedral prism 25, the edges of which form a right angle. The heat conduit 11, in which the laser diode 4 and the avalanche photodiode 10 are pressed, is mounted directly on the printed circuit board 26.

После сборки дальномера его калибровка по температуре является заключительным этапом изготовления, и производится она непосредственно в заводских условиях.After the range finder is assembled, its calibration by temperature is the final stage of manufacture, and it is performed directly in the factory.

Для этого один или несколько дальномеров с присоединенными оптическими контрольными каналами 21 (фиг.4) одновременно располагают в климатической камере.To do this, one or more rangefinders with attached optical control channels 21 (Fig. 4) are simultaneously placed in a climate chamber.

Градуировка каждого прибора происходит следующим образом. Прибор или приборы, размещенные в климатической камере, нагревают до температуры свыше 50°С. После этого на прибор подается питание и микроконтроллер 15 запускает калибровочную программу, которая по мере охлаждения прибора до температуры минус 40°С производит измерение длины оптического контрольного канала с заданным шагом, например 0,5 или 1,0°С. Эти данные, далее по тексту калибровочные значения (КЗ), с помощью микроконтроллера 15 записываются в энергонезависимую память 20 и используются в работе устройства во время всего срока эксплуатации прибора.The calibration of each device is as follows. A device or devices placed in a climate chamber is heated to a temperature above 50 ° C. After that, power is supplied to the device and the microcontroller 15 starts a calibration program, which, as the device cools to a temperature of minus 40 ° С, measures the length of the optical control channel with a given step, for example, 0.5 or 1.0 ° С. These data, hereinafter referred to as calibration values (SC), using the microcontroller 15 are recorded in non-volatile memory 20 and are used in the operation of the device during the entire life of the device.

Методика измерения длины контрольного канала аналогична методике измерения дальности и проводится следующим образом.The method of measuring the length of the control channel is similar to the method of measuring range and is carried out as follows.

Задающий генератор 2 генерирует электрический сигнал, имеющий вид:The master oscillator 2 generates an electrical signal having the form:

A ( 2 π × f 0 × t ) ( 1 )

Figure 00000001
, A ( 2 π × f 0 × t ) ( one )
Figure 00000001
,

где А - амплитуда электрического сигнала, f0 - частота задающего генератора 2, t - время.where A is the amplitude of the electric signal, f 0 is the frequency of the master oscillator 2, t is time.

Драйвер лазера 3 преобразует этот сигнал в модулированное по мощности лазерное излучение 6 лазерного диода 4. С помощью выходной оптической системой 5 лазерное излучение направляется на неподвижные зеркала 22 и 23, ослабляясь в ослабителе 24. После этого лазерное излучение 9 с помощью входной оптической системы 8 направляется на лавинный фотодиод 10, который преобразует оптический сигнал в электрический, имеющий вид:The laser driver 3 converts this signal into power-modulated laser radiation 6 of the laser diode 4. Using the output optical system 5, the laser radiation is directed to the fixed mirrors 22 and 23, attenuating in the attenuator 24. After that, the laser radiation 9 is directed through the input optical system 8 to an avalanche photodiode 10, which converts the optical signal into an electrical one, having the form:

B ( 2 π × f 0 × t + Δ ϕ ( L ) ) ( 2 )

Figure 00000002
, B ( 2 π × f 0 × t + Δ ϕ ( L ) ) ( 2 )
Figure 00000002
,

где В - амплитуда принимаемого электрического сигнала, L - измеряемое расстояние, Δφ(L) - разность фаз между электрическим сигналом с выхода задающего генератора 2 и электрического сигнала с выхода ЛФД.where B is the amplitude of the received electric signal, L is the measured distance, Δφ (L) is the phase difference between the electric signal from the output of the master oscillator 2 and the electric signal from the output of the APD.

Разность фаз Δφ(L) описывается следующей формулой:The phase difference Δφ (L) is described by the following formula:

Δ ϕ ( L ) = 4 π × L × f 0 / C ( 3 )

Figure 00000003
; Δ ϕ ( L ) = four π × L × f 0 / C ( 3 )
Figure 00000003
;

где С - скорость света, илиwhere C is the speed of light, or

L = Δ ϕ ( L ) × C / 4 π f 0 ( 4 )

Figure 00000004
; L = Δ ϕ ( L ) × C / four π f 0 ( four )
Figure 00000004
;

Так как частота f0 может иметь значения от нескольких сотен мегагерц до гигагерца, а расстояние L в общем случае может достигать нескольких километров, то величина Δφ(L) в общем случае имеет вид:Since the frequency f 0 can have values from several hundred megahertz to gigahertz, and the distance L in the general case can reach several kilometers, the value Δφ (L) in the general case has the form:

Δ ϕ ( L ) = 2 π × N + δ , 0 δ < 2 π , ( 5 )

Figure 00000005
, Δ ϕ ( L ) = 2 π × N + δ , 0 δ < 2 π , ( 5 )
Figure 00000005
,

где δ - дробная часть фазы, а N - целое число, или так называемая «неопределенность фазы».where δ is the fractional part of the phase, and N is the integer, or the so-called "phase uncertainty".

Дробная часть фазы δ может определяться стандартными методиками измерения электрических сигналов (например, с помощью фазометра).The fractional part of the phase δ can be determined by standard methods for measuring electrical signals (for example, using a phase meter).

Для определения неопределенности фаз N необходимо использовать измерения на нескольких значениях f0, применяя известный алгоритм фазового дальномера (В.В. Григорин-Рябов, Радиолокационные устройства. - М.: Советское радио, 1970, с.19-24,).To determine the uncertainty of the N phases, it is necessary to use measurements at several f 0 values using the well-known phase range finder algorithm (V.V. Grigorin-Ryabov, Radar devices. - M.: Soviet Radio, 1970, pp. 19-24,).

В измерительном блоке 14 прибора посредством преобразователя высокочастотного сигнала 16, содержащего генератор гетеродина 30 с частотой f1 и два смесителя 28 и 29, сигналы B(2π×f0×t+Δφ(L)) и A(2π×f0×t) переносятся в область низких частот (метод демодуляции):In the measuring unit 14 of the device by means of a high-frequency signal converter 16, comprising a local oscillator 30 with a frequency f1 and two mixers 28 and 29, signals B (2π × f 0 × t + Δφ (L)) and A (2π × f 0 × t) transferred to the low-frequency region (demodulation method):

B ( 2 π × f 0 × t + Δ ϕ ( L ) ) b ( 2 π × Ω × t + Δ ϕ ( L ) ) , ( 6 )

Figure 00000006
B ( 2 π × f 0 × t + Δ ϕ ( L ) ) b ( 2 π × Ω × t + Δ ϕ ( L ) ) , ( 6 )
Figure 00000006

A ( 2 π × f 0 × t ) a ( 2 π × Ω × t ) . ( 7 )

Figure 00000007
A ( 2 π × f 0 × t ) a ( 2 π × Ω × t ) . ( 7 )
Figure 00000007

Ω=f0-f1, где f1 - частота опорного генератора.Ω = f 0 −f 1 , where f 1 is the frequency of the reference oscillator.

Значение Ω обычно выбирается в диапазоне от 1 кГц до 100 кГц.The value of Ω is usually selected in the range from 1 kHz to 100 kHz.

Разность фаз Δφ(L) при этом сохраняется.The phase difference Δφ (L) is thus retained.

Сигналы b(2π×Ω×t+Δφ(L) и а(2π×Ω×t) с помощью двух АЦП 26 и 27 записываются в оперативную память микроконтроллера 15, в котором происходит вычисление длины оптического контрольного канала 21 по формуле (4).The signals b (2π × Ω × t + Δφ (L) and a (2π × Ω × t) using two ADCs 26 and 27 are recorded in the RAM of the microcontroller 15, in which the length of the optical control channel 21 is calculated by the formula (4) .

После снятия КЗ с прибора снимают оптический контрольный канал 21, в микроконтроллер 15 записывают рабочую программу измерения дальности, после чего устройство (фиг.1) готово к работе.After removing the short circuit from the device, the optical control channel 21 is removed, the working range measurement program is recorded in the microcontroller 15, after which the device (Fig. 1) is ready for operation.

Методика измерения дальности в рабочей программе отличается от калибровочной тем, из полученного значения дальности вычитается КЗ, соответствующее температуре, ближайшей к значению температуры, измеренной термодатчиком 12.The range measurement technique in the work program differs from the calibration one, from the obtained range value the short circuit corresponding to the temperature closest to the temperature value measured by the temperature sensor 12 is subtracted.

Таким образом, в заявляемом устройстве исключается необходимость проведения контрольного измерения перед каждым измерением дальности.Thus, in the inventive device eliminates the need for a control measurement before each range measurement.

Техническая применимостьTechnical applicability

Экспериментальный образец заявляемого устройства был установлен вместо штатного блока дальномера на тахеометре марки «3Та5Д» производства Уральского оптико-механического завода с диаметром приемной апертуры 45 мм. Габаритные размеры дальномерного блока - 40×80×20 мм., габаритные размеры внешнего оптического контрольного канала - 40×20×0 мм.An experimental sample of the claimed device was installed instead of the standard rangefinder unit on a 3Ta5D tacheometer manufactured by the Ural Optical and Mechanical Plant with a receiving aperture diameter of 45 mm. The overall dimensions of the rangefinder unit are 40 × 80 × 20 mm., The overall dimensions of the external optical control channel are 40 × 20 × 0 mm.

В качестве интерфейса управления и индикации использовался штатный интерфейс тахеометра.As a control and display interface, the standard interface of the total station was used.

Краткие характеристики лазерного дальномера в составе тахеометра «3Та5Д».Brief characteristics of the laser range finder as part of the 3Ta5D tacheometer.

Режимы работы:Operating modes:

- автоматический;- automatic;

- призма;- prism;

- безотражательный.- reflectionless.

Режим измерения расстояний - автоматический (автоматическое определение типа отражательной способности мишени):Distance measurement mode - automatic (automatic detection of the reflectivity type of the target):

Минимальное время измерения - 0.4 сек;The minimum measurement time is 0.4 sec;

Все остальные параметры по дальности и точности соответствуют параметрам режимов ПРИЗМА и БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ для соответствующих типов отражателей (мишени).In terms of range and accuracy, all other parameters correspond to the parameters of the PRISM and REFLECTIVE modes for the corresponding types of reflectors (target).

Режим измерения расстояний - ПРИЗМАDistance Measurement Mode - PRISMA

Соосный видимый красный лазер 658 нм.Coaxial visible red laser 658 nm.

Класс лазерной безопасности 2 по стандартам IEC 60825-1 (Laser safety Class 2)Laser safety class 2 according to IEC 60825-1 (Laser safety Class 2)

Дальность:Range:

Отражатель GPR1 - 3000 м;Reflector GPR1 - 3000 m;

Минимальное расстояние - 0.1 м;The minimum distance is 0.1 m;

Точность/время измерений - 1 мм + 1,5 ppm / 2.4 с;Accuracy / measurement time - 1 mm + 1.5 ppm / 2.4 s;

Разрешение экрана - 1 мм.Screen resolution - 1 mm.

Режим измерения расстояний - БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНЫЙDistance Measurement Mode - REFLECTIVE

Соосный видимый красный лазер 658 нм.Coaxial visible red laser 658 nm.

Класс лазерной безопасности 2 по стандартам IEC 60825-1 (Laser safety Class 2)Laser safety class 2 according to IEC 60825-1 (Laser safety Class 2)

Разрешение экрана - 0,1 мм.Screen resolution - 0.1 mm.

Дальность и время измерения:Range and time of measurement:

Время измерения расстояния 1 км составляет 50 сек (отражательная поверхность Kodak gray 90%).The measurement distance of 1 km is 50 seconds (reflective surface Kodak gray 90%).

300 м. - 0,4 сек (отражательная поверхность Kodak gray 90%).300 m. - 0.4 sec. (Kodak gray reflective surface 90%).

Минимальное расстояние - 0,1 м.The minimum distance is 0.1 m.

Точность / Время измерения:Accuracy / Measurement Time:

До 100 м (Kodak gray 90%) - 1 мм + 2 ppm / 0.4 сек..(автоматический режим);Up to 100 m (Kodak gray 90%) - 1 mm + 2 ppm / 0.4 sec .. (automatic mode);

0.1 сек (безотражательный режим);0.1 sec (reflectionless mode);

Более 300 м - 3 мм + 2 ppm / 1-6 сек, максимально 12 сек.More than 300 m - 3 mm + 2 ppm / 1-6 sec, maximum 12 sec.

Размер лазерного пятна на 100 м - 20×10 мм.The size of the laser spot per 100 m is 20 × 10 mm.

Claims (6)

1. Лазерный дальномер, содержащий передающий канал, включающий задающий генератор, соединенный со входом лазерного передатчика с выходной оптической системой, и приемный канал, включающий входную оптическую систему, в фокусе которой установлен лавинный фотодиод, подключенный к сигнальному входу электронного блока, опорный вход которого соединен с задающим генератором, а также оптического контрольного канала, отличающийся тем, что оптический контрольный канал выполнен в виде внешней оптической линии, замыкающей входной и выходной каналы, а корпусы лавинного фотодиода и лазерного диода снабжены термодатчиком, подключенным к измерительному входу электронного блока, а сам электронный блок оборудован энергонезависимой памятью.1. A laser range finder, comprising a transmitting channel including a master oscillator connected to the input of the laser transmitter with an output optical system, and a receiving channel including an input optical system, in the focus of which there is an avalanche photodiode connected to the signal input of the electronic unit, the reference input of which is connected with a master oscillator, as well as an optical control channel, characterized in that the optical control channel is made in the form of an external optical line that closes the input and output channels s and housings avalanche photodiode and a laser diode provided with a temperature sensor connected to the measuring input of the electronic unit, and the electronic control unit equipped with nonvolatile memory. 2. Лазерный дальномер по п.1, отличающийся тем, что корпусы лавинного фотодиода, лазерного диода и термодатчик установлены на общем металлическом теплопроводе.2. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the avalanche photodiode, laser diode and thermal sensor cases are mounted on a common metal heat conduit. 3. Лазерный дальномер по п.1, отличающийся тем, что внешняя оптическая линия выполнена в виде двух неподвижных зеркал, установленных друг к другу под прямым углом, и снабжена ослабителем лазерного излучения.3. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the external optical line is made in the form of two fixed mirrors mounted to each other at right angles, and is equipped with a laser radiation attenuator. 4. Лазерный дальномер по п.1, отличающийся тем, что внешняя оптическая линия выполнена в виде двух- или трехгранной призмы, грани которой образуют прямой угол, и снабжена ослабителем лазерного излучения.4. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the external optical line is made in the form of a two- or trihedral prism, the edges of which form a right angle, and is equipped with a laser radiation attenuator. 5. Лазерный дальномер по п.1, отличающийся тем, что внешняя оптическая линия выполнена в виде отрезка световода и снабжена ослабителем лазерного излучения.5. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the external optical line is made in the form of a segment of a fiber and is equipped with a laser radiation attenuator. 6. Лазерный дальномер по п.1, отличающийся тем, что в качестве энергонезависимой памяти использована флэш-память. 6. The laser rangefinder according to claim 1, characterized in that flash memory is used as non-volatile memory.
RU2013118605/28A 2010-10-04 2010-10-04 Laser distance meter RU2554279C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2010/000551 WO2012047125A1 (en) 2010-10-04 2010-10-04 Laser rangefinder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013118605A RU2013118605A (en) 2014-11-20
RU2554279C2 true RU2554279C2 (en) 2015-06-27

Family

ID=45927946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013118605/28A RU2554279C2 (en) 2010-10-04 2010-10-04 Laser distance meter

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN103299157B (en)
DE (1) DE212010000228U1 (en)
RU (1) RU2554279C2 (en)
WO (1) WO2012047125A1 (en)

Cited By (6)

* 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
US11550036B2 (en) 2016-01-31 2023-01-10 Velodyne Lidar Usa, Inc. Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging
US11561305B2 (en) 2016-06-01 2023-01-24 Velodyne Lidar Usa, Inc. Multiple pixel scanning LIDAR
US11703569B2 (en) 2017-05-08 2023-07-18 Velodyne Lidar Usa, Inc. LIDAR data acquisition and control
US11885958B2 (en) 2019-01-07 2024-01-30 Velodyne Lidar Usa, Inc. Systems and methods for a dual axis resonant scanning mirror
US11971507B2 (en) 2018-08-24 2024-04-30 Velodyne Lidar Usa, Inc. Systems and methods for mitigating optical crosstalk in a light ranging and detection system

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9563035B2 (en) * 2014-04-03 2017-02-07 Ikegps Group Limited Mirror mounting assembly for mounting a mirror in a laser rangefinder
US10721393B2 (en) * 2017-12-29 2020-07-21 Axis Ab Laser ranging and illumination

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7221435B2 (en) * 2002-08-28 2007-05-22 Robert Bosch Gmbh Device and method for optical distance measurement
RU2353901C1 (en) * 2007-07-03 2009-04-27 Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) Dispersion laser range finder
US7583366B2 (en) * 2006-11-09 2009-09-01 Nikolai N. Slipchenko Laser range finder

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1388739A1 (en) * 2002-08-09 2004-02-11 HILTI Aktiengesellschaft Laser range finder with phase difference measurement
JP2005181039A (en) * 2003-12-18 2005-07-07 Ihi Aerospace Co Ltd Laser distance-measuring device
DE102004023998A1 (en) * 2004-05-14 2005-12-08 Robert Bosch Gmbh Device for optical distance measurement
CN100523906C (en) * 2006-08-08 2009-08-05 株式会社拓普康 Light adjusting device and distance measuring apparatus using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7221435B2 (en) * 2002-08-28 2007-05-22 Robert Bosch Gmbh Device and method for optical distance measurement
US7583366B2 (en) * 2006-11-09 2009-09-01 Nikolai N. Slipchenko Laser range finder
RU2353901C1 (en) * 2007-07-03 2009-04-27 Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) Dispersion laser range finder

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11550036B2 (en) 2016-01-31 2023-01-10 Velodyne Lidar Usa, Inc. Multiple pulse, LIDAR based 3-D imaging
US11561305B2 (en) 2016-06-01 2023-01-24 Velodyne Lidar Usa, Inc. Multiple pixel scanning LIDAR
RU2650851C1 (en) * 2017-03-17 2018-04-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder
US11703569B2 (en) 2017-05-08 2023-07-18 Velodyne Lidar Usa, Inc. LIDAR data acquisition and control
US11971507B2 (en) 2018-08-24 2024-04-30 Velodyne Lidar Usa, Inc. Systems and methods for mitigating optical crosstalk in a light ranging and detection system
US11885958B2 (en) 2019-01-07 2024-01-30 Velodyne Lidar Usa, Inc. Systems and methods for a dual axis resonant scanning mirror

Also Published As

Publication number Publication date
DE212010000228U1 (en) 2013-07-01
CN103299157A (en) 2013-09-11
RU2013118605A (en) 2014-11-20
CN103299157B (en) 2016-03-02
WO2012047125A1 (en) 2012-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2554279C2 (en) Laser distance meter
CN101865997B (en) Laser distance measuring equipment and method
CN108594254B (en) A method to improve the ranging accuracy of TOF laser imaging radar
CN110133626B (en) Method and system for checking parallelism of receiving and transmitting optical axes of laser ranging system
JP2006521536A5 (en)
CN203535218U (en) A laser ranging optical path apparatus
CN103293947A (en) Satellite-ground laser time comparison system
CN108387902A (en) A kind of ligh-ranging method and apparatus
Olyaee et al. Comparison of TOF, FMCW and phase-shift laser range-finding methods by simulation and measurement
US9435701B2 (en) Optical fiber strain sensor system and method
CN104266610A (en) Device for correcting and calibrating spatial position of internal motor of three-dimensional laser scanner
Liu et al. Multicycle synchronous digital phase measurement used to further improve phase-shift laser range finding
CN203250024U (en) Handheld double laser distance measurement instrument
CN214895382U (en) Portable laser velocimeter with angle compensation function
Golovkov et al. Receiving system of a pulsed laser rangefinder
CN101793533A (en) Optical fiber radiation sensing system and sensing method thereof
CN113557444B (en) Laser radar device and air conditioner
CN108169755A (en) A kind of High Precision Long-distance laser range finder and distance measuring method
JP2012039285A (en) Optical communication device and optical communication method
CN216209899U (en) Low temperature floats phase distancer
CN216718698U (en) Low-cost green light phase range finder
CN215116809U (en) Phase distance measuring instrument
CN103499338A (en) Method for guaranteeing measuring range of laser range measurer and improving measuring precision
RU2282211C2 (en) Radar pulse re-circulation radio altimeter
CN219978523U (en) High-precision far-range laser range finder

Legal Events

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

Effective date: 20181005