ДИСПЕРСИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР С ПОВЫШЕННОЙ ДАЛЬНОСТЬЮ ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения больших расстояний в открытой атмосфере при геодинамических исследованиях.
Известен дисперсионный дальномер, содержащий аргоновый лазер, гелий-неоновый лазер, сервопривод, призму Волластона, модулятор света, два фотоумножителя, контур резонатора, дихроичное зеркало, компенсатор, контуры вычета эффекта мерцания, управляемый СВЧ-диод, счетчик частоты, основной генератор, опорный импульсный генератор, два синхронных детектора, управляемый по напряжению СВЧ-генератор [1].
В процессе работы данного устройства измеряются две оптические длины до уголкового отражателя на длине волны аргонового лазера и на длине волны гелий-неонового лазера. По измеренным двум оптическим длинам вычисляется корректированное геометрическое расстояние до уголкового отражателя, относительно слабо зависящее от атмосферных условий на трассе измерений.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения расстояния из-за применения оптического модулятора света на электрооптическом кристалле, который не позволяет точно измерять оптические длины на двух оптических несущих из-за температурных нестабильностей в кристалле, приводящих к различным направлениям распространения света с двумя различными длинами волн при нестабильных диаграммах направленности используемых лазеров [2, 3, 4]. Из-за погрешностей измерения оптических длин возникают погрешности определения корректированного геометрического расстояния.
-13
Известен дисперсионный дальномер, содержащий на передающем пункте лазер, фотоприемник, интереференционный фильтр, передающий обьектив, приемный обьектив, генератор импульсов, измеритель временных интервалов, измеритель длительности импульса, амплитудный детектор, сумматор, блок управления и тактирования, аналого-цифровой преобразователь, цифровое табло [5]. Прибор измеряет уширение длительности излученного короткого (~10 сек) импульса света при распространении его до отражателя, установленного на обьекте и по величине уширения корректирует измеренное расстояние в зависимости от состояния атмосферы. Недостатком данного прибора является недостаточная дальность действия, поскольку используемый в приборе импульс лазера должен иметь длину волны, лежащую в синей области спектра (~400 нм где велика дисперсия света в воздухе то есть зависимость показателя преломления воздуха от длины волны), которая сильно поглощается в атмосфере при распространении от передающего пункта до отражателя, установленного на обьекте [1]. Известен дисперсионный светодальномер, содержащий лазер на AIG:Nd с удвоением частоты, модулятор лазерного излучения, два кварцевых генератора с различающимися частотами, умножители частоты, делители частоты, передающий телескоп, приемный объектив, дихроичное зеркало, интерференционные фильтры, фотоприемники, интегрирующие цифровые фазометры, смесители частоты, цифровое табло, уголковый отражатель [6].
1
2
Устройство работает следующим образом. Измеряются оптические длины до уголкового отражателя на двух длинах волн λ и λ. По известной зависимости показателя преломления от длины волны света можно определить групповой показатель преломления воздуха [6]
1
2
0
1
гр
0
1
2
0
0
0
1
2
-6
где D - измеряемое геометрическое расстояние, ΔL - измеренная разность оптических длин для двух длин волн света λ, и λ, n - групповой показатель преломления воздуха в стандартных условиях для той длины волны λ, для которой предполагается вычислить n, Δn - разность групповых показателей преломления в стандартных условиях для λ, и λ, (ν-1) - преломляющая способность водяного пара, равная (17,044-0,558/Т)·10, причем  - разность значений  для  и ; Т, е - температура воздуха и давление водяных паров (мм рт.ст.) в точке расположения прибора. Как правило, вторым слагаемым в формуле (1) можно пренебречь. Поэтому уравнение (1) упрощается, и формула для определения геометрического расстояния выглядит следующим образом:
гp
где L=D·n - оптическая длина до уголкового отражателя.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения оптических длин из-за применения оптического модулятора света на электрооптическом кристалле, который не позволяет точно измерять оптические длины на двух оптических несущих из-за температурных нестабильностей в кристалле, приводящих к различным направлениям распространения света с двумя различными длинами волн при нестабильной диаграмме направленности используемого лазера. Применение двух фотоприемников также ведет к некоррелируемым ошибкам при смещении принимаемых лучей по фоточувствительным площадкам [7]. Из-за погрешностей измерения оптических длин возникают и погрешности определения корректированного геометрического расстояния. Недостатком является также малая дальность действия из-за сильного поглощения излучения в сине-зеленой области спектра при распространении света от передающего пункта до уголкового отражателя и обратно.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения геометрических расстояний и увеличение дальности действия прибора.
Указанный технический результат достигается тем, что в дисперсионный лазерный дальномер, содержащий на передающем пункте лазер, удвоитель частоты, передающий телескоп, приемный обьектив, интерференционный фильтр, фотоприемник, цифровое табло, при этом оптический выход лазера соединен с оптическим входом кристалла-удвоителя, оптический выход которого соединен с оптическим входом передающего телескопа, оптический выход приемного объектива соединен с оптическим входом интерференционного фильтра, оптический выход которого соединен с оптическим входом фотоприемника, введены на передающем пункте: генератор импульсов, измеритель временных интервалов, первый амплитудный детектор, первый сумматор, блок управления и тактирования, аналого-цифровой преобразователь, цифровое табло, а на объекте: приемо-передающий телескоп, оптическая линия задержки, дихроичное зеркало, второй интерференционный фильтр, второй фотоприемник, измеритель длительности импульса, второй амплитудный детектор, второй сумматор, блок управления линией задержки, причем вход лазера соединен с выходом генератора импульсов и входом измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника и входом первого амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом измерителя временных интервалов, а выход сумматора соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления и тактирования, первый выход которого соединен с первым входом цифрового табло, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а третий выход блока управления и тактирования соединен со входом генератора импульсов; на объекте оптический вход приемо-передающего телескопа соединен с оптическим выходом передающего телескопа, а оптический выход приемо-передающего телескопа соединен с оптическим входом линии задержки, оптический выход которой соединен с оптическим входом дихроичного зеркала, оптический выход которого соединен с оптическим входом второго интерференционного фильтра, оптический выход которого соединен с оптическим входом второго фотоприемника, выход которого соединен со входом измерителя длительности импульсов и входом второго амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом измерителя длительности импульсов, а выход сумматора соединен со входом блока управления оптической линией задержки, выход которого соединен со входом оптической линии задержки.
На чертеже представлена блок схема устройства, содержащего на передающем пункте лазер 1, первый фотоприемник 2, первый интерференционный фильтр 3, передающий телескоп 4, приемный объектив 5, генератор импульсов 6, измеритель временных интервалов 7, первый амплитудный детектор 8, первый сумматор 9, блок управления и тактирования 10, аналого-цифровой преобразователь 11, цифровое табло 12, удвоитель частоты 13, а на приемном пункте: приемо-передающий телескоп 14, оптическая линия задержки 15, дихроичное зеркало 16, второй интерференционный фильтр 17, второй фотоприемник 18, измеритель длительности импульсов 19, второй амплитудный детектор 20, второй сумматор 21, блок управления линией задержки 22.
Устройство работает следующим образом: лазер 1 модулируется с помощью генератора импульсов 6 короткими импульсами длительностью 0.1 псек на длине волны в инфракрасной области спектра (800÷1000 нм), удвоитель частоты лазера создает наряду с основной длиной волны длину волны 400÷500 нм, лежащую в синей области спектра. Свет с двумя длинами волн направляется в пункт объекта, где он принимается приемо-передающим объективом и направляется в оптическую линию задержки, где синяя область спектра проходит напрямую, а красная область спектра задерживается с помощью двигающей призмы на длину, равную разности оптических длин синей и инфра-красной областей спектра. После линии задержки стоит дихроичное зеркало, отражающее инфракрасную область спектра и пропускающее синюю область спектра. Второй фотоприемник преобразует уширенный из-за прохождения в атмосфере лазерный импульс в электрический, длительность которого пропорциональна вкладу атмосферы и измеряется в измерителе длительности импульсов 19, а через сумматор 21 сигнал, пропорциональный длительности импульса подается на блок управления оптической линии задержки, где компенсируется увеличение оптической длины в инфра-красной области спектра. То есть оптическая линия задержки фактически уменьшает оптическую длину на величину  в соответствии с уширением импульса в синей области спектра, и обеспечивая для инфракрасной области спектра лазерного излучения компенсацию влияния атмосферы на геометрическую длину, измеряемую дальномером. Инфракрасная часть спектра лазерного импульса возвращается с помощью дихроичного зеркала 16 и приемо-передающего телескопа 14 в передающий пункт, где с помощью первого фотоприемника измеряется время распространения импульса до объекта и обратно, то есть измеряется фактически геометрическая длина трассы согласно формуле 2. Первый и второй амплитудные детекторы обеспечивают устранение зависимости от амплитуды сигнала измерения геометрического расстояния. Поскольку в приборе используется тот факт, что синяя область спектра лазерного импульса сильно поглощаемая атмосферой распространяется только в одну сторону, дальность действия прибора повышается как минимум в 2 раза, а при неблагоприятных погодных условиях в 3÷4 раза по сравнению с прототипом. Инфракрасная область спектра слабо поглощается атмосферой и при распространении "туда и обратно" поглощается атмосферой слабо даже при неблагоприятных погодных условия. Поскольку для измерения разности оптических длин используется один фотоприемник (второй фотоприемник 18), то отсутствуют ошибки связанные с двухканальностью фотоприема величины ΔL поэтому и точность измерения расстояний повышается из-за отсутствия некоррелируемого смещения лучей по фоточувствительным площадкам фотоприемников в двух каналах. При длительности излученного импульса в 0.1 псек на трассе длиной 20 км импульс синей части спектра уширяется до величины 60 псек из-за нормальной дисперсии воздуха. Эта длительность с повышенной точностью измеряется на обьекте в силу лучшего соотношения сигнал/ шум и отсутствия двухканального приема как в прототипе. Проведенные исследования заявляемого устройства показали, что его погрешность измерения расстояния 20 км в атмосфере составляет 1 мм. Поскольку синяя область спектра распространяется только в одном направлении, дальность действия при этом повышается как минимум в 2 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Применение лазеров. М.: Мир, 1974, стр.148.
2. Арманд Н.А. и др. Влияние нестабильности оптических диаграмм направленности лазеров на точность дисперсионной линии фазирования разнесенных генераторов. Изм. техника, 1991, 9, стр.33.
3. А.с. 1820212 А1, G01С 3/08.
4. Арманд Н.А. и др. Оценка точности измерения расстояний двухволновым методом. Радиотехника и электроника, 1991, 8, стр.1580.
5. Патент RU №2353901 С1 Дисперсионный лазерный дальномер. 2009 г.
6. Л.А.Денис и др. Лазерная дальнометрия. М.: Радио и связь, 1995, стр.80.
7. Григорьевский В.И., Личманов А.А., Соколовский А.А, Яковлев Ю.О. О временной задержке высокочастотных модулирующих сигналов в лавинных фотодиодах http://zhurnal.ape.relarn.rU/articles/2002/186.pdf, Электронный научный журнал