CC BY
173
УДК 528.514
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
Алена Алексеевна Марач
ООО «Семейное здоровье», 630048, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 7, фельдшер-лаборант, тел. (913)704-67-24, e-mail: [email protected]
Максим Михайлович Кузнецов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (913)921-44-39, e-mail: [email protected]
Владимир Витальевич Коваленко
ГБОУ СПО НСО «Новосибирский приборостроительный техникум им. Б. С. Галущака», 630049, г. Новосибирск, ул. Дмитрия Донского, 23/2, корп. 45, заведующий комплексной лабораторией оптических и оптико-электронных приборов и систем, тел. (923)197-01-71, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются оптико-электронные методы определения дальности. Делается вывод, что совершенствование технических возможностей оптико-электронных дальномеров, во многом зависят не только от новых открытий в оптической, радиотехнической, электронной областях, и автоматизации и робототехники, но и от производственных возможностей страны.
Ключевые слова: дальномер, измерение дальности.
OPTOELECTRONIC METHODS FOR DETERMINING THE DISTANCE
Alena A. Mamtch
LLC «Family health», 630048, Russia, Novosibirsk, Karl Marx, 7, paramedic assistant, tel. (913)704-67-24, e-mail: [email protected]
Maxim M. Kuznetsov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor in the Department of special devices and technologies, tel. (913)921-44-39, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Kovalenko
GBOU SPO NSO «Novosibirsk instrument-making of the College. B. C. Galushchaka», 630049, Russia, Novosibirsk, Dmitry Donskoy str., 23/2, Bldg. 45, head of integrated laboratory for Optical and optoelectronic devices and systems, tel. (923)197-01-71, e-mail: [email protected]
The article deals with opto-electronic methods of determining range. It is concluded that the improvement of the technical capabilities of opto-electronic distance-rooms, largely depend not only on new discoveries in optical, radio, electronic fields, and automation and robotics, but also on the productive capacity of the country.
Key words: range finder, measuring range.
Выбор метода, для определения больших расстояний, сравним с решением задачи по перебору вариантов, где исходными и решающими величинами являются дальность и точность [19, 20].
Известное значение скорости электромагнитных колебаний, и учет внешних условий заложены в основу определения дальности. Определение расстояния светодальномерами и радиодальномерами сводиться к измерению времени, затраченного на прохождение до объекта и обратно. Искомую величину получают из соотношения:
2х8=ихт
п- время, в течение которого колебания прошли двойное расстояние излучателя до объекта и обратно, (с);
Б - расстояние до объекта, (м);
Y - скорость распространения электромагнитных колебаний, (м/с).
При этом, объект (отражатель) принимающий излучение может быть как с активным действием, так и с пассивным. Активный отражатель, принимает сигнал, затем усиливает (или дополняет какой либо информацией) его и излучает ответный сигнал. Дальность действия оптической системы с активным отражателем значительно выше, чем с пассивным отражателем.
Использование лазера в качестве источника излучение позволило значительно увеличить дальность действия прибора, а также упростить его конструкцию и сделать портативным [1].
Классификация способов измерения расстояний представлена в схеме 1.
В интерференционных дальномерах рабочим эталоном служит период несущих электромагнитных колебаний [2, 3, 4]. При проведении измерений в вакууме, когда показатель преломления не нужен, то рабочим эталоном служит непосредственно длина волны монохроматических колебаний:
S=X/2X(N+A),
где Х-длина волны электромагнитны колебаний (м/с);
A - дробная часть фазового цикла;
N - число целых фазовых циклов.
Замеры проводят по изменению интенсивности принимаемого суммарного светового потока аналоговым способом в пределах фазового цикла, либо дискретно, используя специальные счетчики целых фазовых циклов (полос) [5,6]. Однако при высокой точности измерений дальность интерференционных дальномеров только несколько десятков метров. Увеличение дальности измерений получили путем использования двухчастотных лазеров [7].
Частотная модуляция (модуляция по свету), осуществляется путем внутренней частотной модуляции, основанной на изменениях параметров оптического резонатора лазера [8]. При изменениях частоты несущих колебаний, не превышающих 100МГц, выделение разностной частоты АЮ можно осуществить непосредственно в приемнике излучения [9, 10, 11, 12, 13]. Измеряемое расстояние вычисляют по формуле:
S=UX T хАю/2 X (юн мах - Юн min), где T- время, за которое происходит однократное изменение частоты несущих колебаний от минимального до максимального значения (T>t).
В случае синусоидальной частоты модуляции несущих колебаний, среднее значение разностной частоты периода модуляции зависит от величины измеряемого расстояния. Если изменить частоту модуляции, то при некотором значении f разностная частота будет равна нулю, то есть величина расстояния определяется по формуле:
S=uxN/2xf
где N =1,2,3____— целое число, для определения которого необходимо заранее
знать приближенное значение величины измеряемого расстояния.
Для повышения точности и конструктивного упрощения дальномера вместо частотной модуляции используют фазовую модуляцию несущих колебаний при помощи внешнего электрооптического модулятора, установленного посла лазера и ориентированного по отношению к плоскости поляризации входящего в него лазерного излучения [14].
В импульсных дальномерах излучения происходят прерывисто, время затраченное на прохождении двойного расстояния измеряется непосредственно. В качестве источника излучения используют твердотельные рубинные и не-одимовые лазеры с внутренней модуляцией. Величина измеряемого расстояния определяется по формуле:
S=uxt/2~uxN/2xfc
где, N — число калиброванных временных импульсов, зафиксированное счетчиком;
fc -частота следования калиброванных временных импульсов.
Погрешность измерений составляет несколько наносекунд. Главным преимуществом импульсных дальномеров является простота функциональной схемы и быстродействие.
В фазовых дальномерах используется метод сравнением фаз излучаемого и принимаемого световых потоков.
S= ихф/2х®
где ф- разность фаз;
ю- угловая скорость;
Частоту модуляции можно выбрать в зависимости от допустимой погрешности наименьшего расстояния измерения и от погрешности определения разности фаз.
Существуют дальномеры с непосредственным измерением разности фаз и компенсационным. В первых в качестве фазоизмерительного устройства используется электронно-лучевая трубка [15]. Отличие дальномера с компенсационным измерением разности фаз от предыдущего заключается тем, что фазоиз-мерительное устройство заменено на фазовращателем и добавлены демодулятор и индикатор.
Для повышения точности и дальности, следующим поколением дальномеров стали комбинированные дальномеры [16]. При переходе непрерывного излучения полупроводникового лазера к импульсному излучению мощность возрастает пропорционально скважности импульсов, в данном примере дальность возрастала в 10-15 раз.
В дальномере - рефрактометре, где источником излучения служит ионный аргонный лазер, обеспечивающий излучение на двух волнах 458 и 514 Нм, а длительность работы 20 мкс, дальность составляет 30 километров с точностью 5х106 [17].
ВЫВОД
Совершенствование технических возможностей оптико-электронных дальномеров, во многом зависят не только от новых открытий в оптической, радиотехнической, электронной областях, и автоматизации и робототехники, но и от производственных возможностей страны [20].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Михеечев В. С. Геодезические светодальномеры. М., «Недра», 1979, с.222.
2. Забелин А. А., Рябова Н. В., Получение интерференции с большой разностью хода при использовании в качестве источника света газового ОКГ. - Оптическая промышленность, 1968, №4, с.9-12.
3. Земелеков Г.Г., Савельев В. А. Средства измерения линейных размеров с использованием ОКГ. М., Машиностроение, 1977.
4. Коломейцев Ю. В. Интерферометры. Л.Машиностроение, 1976.
5. Применение лазеров. М., Мир, 1974.
6. Speed of Light from direct frequency and wavelength measurement of the methane stabilized lazer/Evenson K. M.,Wells J.S., Petersen F.B., Danielson B.L.,Day C.W., Barger B.L., Hall J.L. - «Phyls Rev. Lett», 1972, vol. 29,No 19,1346-1349.
7. Прилепин М.Т., Голубев А. Н., Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. М., Недра.,1972. 168 с.
8. Прилепин М. Т., Голубев А. Н. О построении лазерного дальномера с частотной модуляцией, несущей и оптическим гетеродированием // Известия вузов. Геодезия и аэрофото-сьемка. - 1972, вып. 5. - С. 123-127.
9. Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель А. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М., Энергия, 1976.
10. Власов В. Г., Лазнева Э. В. Метод гетеродинного приема излучения амплитудно-модулированного в диапазоне 5-50 МГц, с помощью фотодиода. - Оптико-механическая промышленность, 1968, №10,с.5-8.
11. Власов В. Г., Попов Ю. В., Утенков Б. М., Оптимизация работы ФЭУ в режиме гетеродинного детектирования с внешним электродом. - Оптико-механическая промышленность, 1969, №9, с.59-60.
12. Попов Ю. В., Утенков Б. И., Методы управления режимом работы фотоэлектронных умножителей - Оптико-механическая промышленность, №2,1976, с.65-71.
13. Шилов А. Ф. Фазовые характеристики, ФЭУ-28, работающих в режиме гетеродиро-вания. - Изв.вузов, Геодезия и аэрофотосъемка,1969, №2, с.147-152.
14. Голубева А. Н. О лазерном дальномере с фазовой модуляцией излучения. -Изв.вузов, Геодезия и аэрофотоъемка, 1976, вып.1.с.115-119.
15. Ковалев В. П. Измерение разности фаз. - Приборы и техника эксперимента.1958, №2, с.3-12.
16. Дерягин В. Р., Марасин Л. Е., Попов Ю. В. Малогабаритный импульсно-фазовый светодальномер ГДФИ-3 с цифровым выходом полупроводникового квантового генератора. - Оптико-механическая промышленность.1972, №3, с.23-27.
17. Bradsell R.H., Georan-I. A compact two-colour EDM instrument - «Surv. Rev.», 1976, N 179, 214-233.
18. Кузнецов М. М., Комбаров М. С. Система технического зрения // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 166-167.
19. Комбаров М. С., Кузнецов М. М. Перспективы развития оптико-электронных измерительных приборов на российском рынке // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 290-292.
20. Системы оптической локации технологического контроля интегральных схем: монография / М. Я. Воронин, И. Н. Карманов, М. М. Кузнецов, И. В. Лесных, А. В. Синельников; под общ. ред. М. Я. Воронина. - Новосибирск: СГГА, 2013. -239 с.
© А. А. Марач, М. М. Кузнецов, В. В. Коваленко, 2015
