[go: up one dir, main page]

RU1783301C - Method of determining distance - Google Patents

Method of determining distance

Info

Publication number
RU1783301C
RU1783301C SU904856060A SU4856060A RU1783301C RU 1783301 C RU1783301 C RU 1783301C SU 904856060 A SU904856060 A SU 904856060A SU 4856060 A SU4856060 A SU 4856060A RU 1783301 C RU1783301 C RU 1783301C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
intensity
frequency
radiation
initial
distance
Prior art date
Application number
SU904856060A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Алексеевич Скрипник
Владимир Ильич Водотовка
Игорь Юрьевич Скрипник
Леонид Александрович Глазков
Original Assignee
Специальное конструкторское бюро при Киевском заводе "Генератор"
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 Специальное конструкторское бюро при Киевском заводе "Генератор" filed Critical Специальное конструкторское бюро при Киевском заводе "Генератор"
Priority to SU904856060A priority Critical patent/RU1783301C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1783301C publication Critical patent/RU1783301C/en

Links

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к измерению рассто ни  оптическими средствами а именно дл  измерени  рассто ний до неподвижных или медленно движущихс  объектов в системах управлени  промышленными роботами, позиционировани  рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операци х юстировки и других технологических операци х. Сущность изобретени : после регистрации интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте измерени  измен ют длину пути опорного пучка на калиброванную величину, измен ют частоту излучени  в на- 14The invention relates to measuring distance by optical means, namely, to measure distances to stationary or slowly moving objects in control systems of industrial robots, positioning the working bodies of metal processing centers, in alignment operations and other technological operations. SUMMARY OF THE INVENTION: after recording the intensity of the interference band at the initial frequency, the measurements change the path length of the reference beam by a calibrated value, change the radiation frequency by

Description

д со со соq s

оabout

правлении приближени  к первоначальной интенсивности, выбира  при этом вводимые изменени  длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков в 5-10 раз превышаетdirection closer to the initial intensity, choosing the introduced changes in the path length of the reference beam and the frequency at which the difference in the path of the interfering beams is 5-10 times

порог чувствительности измерени  рассто ни  и не превышает 1/4-1/8 длины волны излучени , а рассто ние определ ют по полученному соотношению, в которое не вход т значени  изменени  частот, 1 ил.the sensitivity threshold for measuring the distance does not exceed 1 / 4-1 / 8 of the radiation wavelength, and the distance is determined by the obtained ratio, which does not include the frequency change value, 1 ill.

Изобретение относитс  к измерению рассто ний оптическими средствами и может быть йспользовано дл  измерений рассто ний до неподвижных или медленно движущихс  объектов, а также в системах управлени  промышленными роботами, позиционировани  рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операци х юстировки и других технологических операци х .The invention relates to measuring distances by optical means and can be used to measure distances to stationary or slowly moving objects, as well as in control systems for industrial robots, positioning the working bodies of metal processing centers, in alignment operations and other technological operations.

Известен способ определени  рассто ни  с помощью оптического когерентного излучени , заключающийс  в разделении излучени  лазера на дистанционный и опорный пучки, из которых дистанционный пучок отражаетс  от контролируемой плоскости , а опорный - от неподвижного зеркала или отражател , совмещении пучков на фотоприемнике, регистрации результирующей интенсивности излучени  от интерференции дистанционного и опорного пучков и определении рассто ни  по формулеA known method for determining the distance using optical coherent radiation is to separate the laser radiation into the remote and reference beams, from which the remote beam is reflected from a controlled plane and the reference from a fixed mirror or reflector, combining the beams on a photodetector, recording the resulting radiation intensity from interference of the remote and reference beams and determining the distance by the formula

D (N+ AN) A/2,D (N + AN) A / 2,

где N - целое число пор дка интерференции;where N is an integer of the order of interference;

AN - дробное число пор дка интерференции;AN is the fractional number of the order of interference;

А- длина волны в среде распространени .A is the wavelength in the propagation medium.

Недостатком интерференционного способа  вл етс  невысока  точность измерени  рассто ни  из-за непосто нства скорости распространени  оптического излучени  в среде, а, следовательно, и длины волны А v/v , где v - скорость распространени ; V- частота колебаний. Кроме того, при рассто ни х многим больше длины волны излучени  возникает неоднозначность измерений из-за ошибок определени  пор дка интерференции.The disadvantage of the interference method is the low accuracy of measuring the distance due to the inconstancy of the speed of propagation of optical radiation in the medium, and, consequently, of the wavelength A v / v, where v is the propagation speed; V is the oscillation frequency. In addition, at distances much greater than the radiation wavelength, measurement ambiguity arises due to errors in the determination of the interference order.

Известен способ определени  рассто ний лазерным излучением (2), основанный на возбуждении между зеркалами, установленными на концах измер емого рассто ни , целого числа сто чих волн, создаваемых излучением лазера перестраиваемой частоты, измерении разности оптических частот, соответствующих целым числам волн на двух соседних частотах, и определении рассто ний по формулеA known method for determining distances by laser radiation (2), based on the excitation between the mirrors installed at the ends of the measured distance, an integer number of standing waves generated by the radiation of a tunable frequency laser, measuring the difference in optical frequencies corresponding to integer numbers of waves at two adjacent frequencies , and determining the distances by the formula

DD

у СТat ST

где v - скорость света в среде распространени ; where v is the speed of light in the propagation medium;

Av - разность двух соседних резонансных частот.Av is the difference of two adjacent resonant frequencies.

Недостатком способа  вл етс  вли ние непосто нства скорости v, а также дополнительна  погрешность измерени  рассто ни  из-за дисперсии показател  преломлени The disadvantage of this method is the influence of the variability of the velocity v, as well as the additional error in measuring the distance due to the dispersion of the refractive index

среды распространени , обусловливающа  зависимость скорости света в среде распространени  от частоты излучени  лазера. При больших рассто ни х разностна  частота Av « v/2D становитс  соизмеримой с флюктуационной нестабильностью перестраиваемого лазера, что значительно снижает точность измерени  рассто ний.propagation medium, which determines the dependence of the speed of light in the propagation medium on the laser radiation frequency. At large distances, the difference frequency Av ~ v / 2D becomes comparable with the fluctuation instability of the tunable laser, which significantly reduces the accuracy of the distance measurements.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ измерени  рассто ний (3), основанный на разделении когерентного излучени  на дистанционный и опорный лучки, совмещении пучков, отраженных от подвижного и неподвижного отражателей, в плоскости фотоприемника, плавном изменении частоты источника излучени  и подсчете числа интерференционных полос, перемещение которых относительно фотоприемника достигаетс  плавным изменением частоты источника излучени , аClosest to the invention is a method for measuring distances (3), based on the separation of coherent radiation into remote and reference beams, combining the beams reflected from the movable and stationary reflectors in the plane of the photodetector, smoothly changing the frequency of the radiation source and counting the number of interference fringes, whose movement relative to the photodetector is achieved by smoothly changing the frequency of the radiation source, and

рассто ние определ ют по формуле:the distance is determined by the formula:

D D

V2 -VIV2-VI

Дт.Dt

где Дт - изменение числа длин волн, перекрывающих рассто ние D;where Dm is the change in the number of wavelengths overlapping the distance D;

vi и V2 - начальна  и конечна  частоты источника излучени ;vi and V2 are the start and end frequencies of the radiation source;

v - скорость света в среде распространени .v is the speed of light in the propagation medium.

Однако известному способу присущи существенные недостатки. Так, результат измерени  непосредственно зависит от значени  скорости распространени  v излучени  в среде распространени , котора  измен етс  в широких пределах в зависимости от температуры , давлени  и влажности среды распространени . Поскольку излучение осуществл етс  при разных длинах волн когерентных пучков света, то на результат определени  рассто ни  сказываетс  также дисперси  скорости распространени  света из-за зависимости показател  преломлени  среды распространени  от длин волны излучени .However, the known method has significant disadvantages. Thus, the measurement result directly depends on the value of the propagation velocity v of the radiation in the propagation medium, which varies widely depending on the temperature, pressure and humidity of the propagation medium. Since radiation is carried out at different wavelengths of coherent light beams, the dispersion of the speed of light distribution also affects the result of determining the distance due to the dependence of the refractive index of the propagation medium on the radiation wavelengths.

Цель изобретени  - повышение точности определени  рассто ни  путем исключени  вли ни  непосто нства скорости распространени  излучени  и дисперсии показател  преломлени  среды распространени  за счет сжати  диапазона перестройки частоты источника излучени .The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the distance by eliminating the influence of variability of the propagation speed of the radiation and dispersion of the refractive index of the propagation medium by compressing the frequency tuning range of the radiation source.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способ определени  рассто ни  до обьек- та, при котором раздел ют оптическое когерентное излучение на дистанционный и опорный пучки, принимают отраженный дистанционный пучок от неподвижного отражател , совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки , измер ют в поле зрени  фотоприемника первоначальную интенсивность интерференционной полосы на исходной частоте излучени , плавно измен ют частоту источника излучени , регистрируют величину пор дка интерференции в процессе изменени  частоты и обрабатывают результаты измерений. Введены новые операции и услови  их выполнени , а именно после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучени  измен ют длину пути основного пучка на измеренную величину; регистрируют второе значение интенсивности; сравнивают его с первоначальным значением интенсивности; измен ют частоту излучени  в направлении приближени  к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков в 5.,.10 раз превышает порог чувствительности измерени  рассто ни  и не превышает 1/4...1/8 длины волны излучени ; регистрируют третье значение интенсивности, сравнивают его с предыдущим; восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а рассто ние определ ют из выражени This goal is achieved by the fact that in the method of determining the distance to the object, in which optical coherent radiation is divided into remote and reference beams, a reflected remote beam from a stationary reflector is received, the reflected remote and reference beams are combined in one plane, measured field of view of the photodetector is the initial intensity of the interference band at the initial radiation frequency, the frequency of the radiation source is smoothly changed, the order of interference in the process is recorded e changes in frequency and processes the measurement results. New operations and conditions for their implementation have been introduced, namely, after recording the initial intensity of the interference band at the initial radiation frequency, the path length of the main beam is changed by the measured value; registering a second intensity value; compare it with the initial value of the intensity; change the radiation frequency in the direction of approaching the initial intensity with fixing the path length of the reference beam and the frequency at which the path difference of the interfering beams is 5.,. 10 times the threshold for measuring the distance and does not exceed 1/4 ... 1/8 radiation wavelengths; register the third value of the intensity, compare it with the previous one; restore the original path length of the reference beam and record the fourth value of the intensity, and the distance is determined from the expression

-(„.-Д- д-МгД -т- („.- D- d-MgD -t

(п, - т) - ( - nl.)(n, - t) - (- nl.)

ДО.BEFORE.

где ДО - измеренное изменение длины пути опорного пучка;where DO is the measured change in the length of the path of the reference beam;

щ - первоначальна  интенсивность интерференционной полосы;u is the initial intensity of the interference band;

П2. П2 - втора  интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном значении ДО; пз, пз - треть  интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном изменении частоты;P2. P2 - the second intensity of the interference band, respectively, with a positive and negative value of DO; PZ, PZ - third of the intensity of the interference band, respectively, with a positive and negative change in frequency;

, гм - четверта  интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном значении изменени  частоты на ±Д) восстановленной начальной длине пути опорного пучка ( ДО 0)., um - the fourth is the intensity of the interference band, respectively, with a positive and negative value of the frequency change by ± D) the restored initial path length of the reference beam (DO 0).

Предложенный способ измерени  рассто ний осуществл етс  следующим образом .The proposed method for measuring distances is carried out as follows.

Когерентное оптическое излучение исходной частоты раздел ют на опорный и дистанционный пучки, из которых дистанционный пучок направл ют на отражатель.The coherent optical radiation of the initial frequency is divided into reference and distance beams, from which the distance beam is directed to the reflector.

Отраженные пучки совмещают в плоскости фотоприемника, образу  интерференционные полосы. Преобразуют в поле зрени  фотоприемника интенсивность интерференционной полосы, котора  функционально св зана с разностью фаз колебаний дистанционного и опорного пучков в электрическое напр жениеThe reflected beams combine in the plane of the photodetector, forming interference fringes. The intensity of the interference strip, which is functionally related to the phase difference of the oscillations of the remote and reference beams, is converted into the voltage field of the photodetector into an electrical voltage

3535

и 51(1+у1)-со52 Ц +б1, (1)and 51 (1 + y1) -co52 C + b1, (1)

где Si - нормированна  чувствительность фотоприемника;where Si is the normalized sensitivity of the photodetector;

yi AS/S - относительна  погрешностьyi AS / S - relative error

чувствительности, отражающа  изменение наклона градуировочной характеристики:sensitivity reflecting a change in the slope of the calibration characteristic:

5i AU0 - абсолютна  погрешность нул , отражающа  смещение градуировочной характеристики;5i AU0 - absolute error of zero, reflecting the offset of the calibration characteristic;

10 - интенсивность оптического когерентного излучени ;10 is the intensity of optical coherent radiation;

р , начальна  фаза колебаний зондирующего и опорного пучков.p, the initial phase of the oscillations of the probe and reference beams.

Погрешности фотоэлектрического преобразовател  у и di возникают из-за временной и температурной нестабильности параметров фотоприемника и дрейфа его нул  и измен ют его градуировочную характеристику ,The errors of the photoelectric converter y and di arise due to the time and temperature instability of the parameters of the photodetector and its zero drift and change its calibration characteristic,

Напр жение (1) преобразуют в цифровой кодThe voltage (1) is converted to a digital code

п (1 + ya)Si(1 +yt)loxn (1 + ya) Si (1 + yt) lox

X COS2 + 52)S3(1X COS2 + 52) S3 (1

X5)xX5) x

ff1 -да 2ff1 - yes 2

+ 63.+ 63.

(2)(2)

где Em A - цела  часть числа А; Ди - шаг квантовани  аналогового сигнала (напр жени ); S3, УЗ ,5з - чувствительность (5з 1 / Ди) и погрешности аналого-цифрового преобразовани ; 5з SvSa - нормированна  чувствительность преобразовани  интенсивности излучени  в код, уз, из - суммарна  мультипликативна  (уз уз+уз) и аддитивна  ( ) погрешности преобразовани .where Em A is the integer part of the number A; Di is the quantization step of the analog signal (voltage); S3, US, 5z - sensitivity (5S 1 / Di) and errors of analog-to-digital conversion; 5c SvSa is the normalized sensitivity of the conversion of the radiation intensity to the code, knots, from - the total multiplicative (knots + knots) and additive () conversion errors.

По характеру про влени  погрешности и 3)  вл ютс  случайными функци ми времени, содержащими медленную нестационарную ($ , 3i) и быструю стационарную ($. 3j) составл ющие. Если стационарные составл ющие легко минимизировать времен- ным усреднением, то нестационарные составл ющие трудно обнаружить и в дальнейшем скорректироватьBy the nature of the manifestation of the error, and 3) are random functions of time containing slow non-stationary ($, 3i) and fast stationary ($. 3j) components. If the stationary components are easily minimized by time averaging, then the non-stationary components are difficult to detect and subsequently correct

Дл  коррекции медленно измен ющихс  погрешностей $ ид| код щ, соответствующий начальной интенсивности, пропорциональной разности фаз р - , подвергают функциональному преобразованию дл  линеаризации зависимости код - разность фаз интерферирующих пучковTo correct slowly varying errors $ id | the code u corresponding to the initial intensity proportional to the phase difference p - is subjected to functional transformation to linearize the code - phase difference of the interfering beams

щ arc cos (n)1/2 S3-lo (1 + И) + & 1/2хЩ arc cos (n) 1/2 S3-lo (1 + И) + & 1/2

XЈL:LSЈ So о + и (w-tfi + d (3)XЈL: LSЈ So о + and (w-tfi + d (3)

где So - результирующа  чувствительность линеаризованного аналого-цифрового преобразовани  So V§j.|0/2;where So is the resulting sensitivity of the linearized analog-to-digital conversion of So V§j. | 0/2;

у, о - медленно измен ющиес  результирующие мультипликативна  и аддитивна  погрешности измерительного преобразовани  с учетом непосто нства интенсивности излучени  10.y, o - slowly varying resulting multiplicative and additive errors of the measurement transformation, taking into account the variability of the radiation intensity 10.

Код интенсивности (3) в зависимости от измен емого рассто ни  и частоты когерентного излучени  измен етс  по линейно-периодической зависимости, причем каждый линейный участок преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз интерферирующих пучков от О до2лгThe intensity code (3), depending on the variable distance and frequency of the coherent radiation, varies according to a linearly periodic dependence, and each linear section of the conversion characteristic corresponds to a change in the phase difference of the interfering beams from O to 2 log

щ 5о-(1 + И ( (2} + д So(1+y)xЩ 5- (1 + И ((2} + д So (1 + y) x

х (р + q) 2  + д ,x (p + q) 2 + d,

(4)(4)

где р - целое число фазовых циклов в 360° (2л);where p is the integer number of phase cycles in 360 ° (2l);

q - дробное число фазового цикла. При рассто нии Dx, многим больше длины волны излучени  (А« Dx), код щ соответствует одному из линейных участков преобразовательной характеристики. В пределах этого участка с учетом погрешностей преобразовани  рассто ни  DI, проходимого дистанционным пучком, имеемq is the fractional number of the phase cycle. When the distance Dx is much greater than the radiation wavelength (A D Dx), the code u corresponds to one of the linear sections of the conversion characteristic. Within this section, taking into account the errors of conversion of the distance DI traveled by the remote beam, we have

m-So-d + iW,))15 - 2лр) + дm-So-d + iW,)) 15 - 2lr) + d

(5)(5)

где vi - исходна  частота источника излучени ;where vi is the initial frequency of the radiation source;

v - скорость распространени  пучков излучени  в среде распространени ;v is the propagation velocity of the radiation beams in the propagation medium;

D2 - рассто ние по которому проходит опорное излучение.D2 is the distance over which the reference radiation passes.

Регистрируют начальную интенсивность щ интерференционной полосы. Далее уменьшают длину пути, по которому проходит пучок опорного излучени , на калиброванную величину Л D, которую выбирают из услови The initial intensity ni of the interference band is recorded. Next, the path length along which the reference beam passes is reduced by a calibrated quantity L D, which is selected from the condition

30thirty

(5...10)...A,(5 ... 10) ... A,

(б)(b)

где А- длина волны оптического излучени  вереде распространени ; АО0-минимальное изменение рассто ни , которое может быть обнаружено интерференционным способом (порог чувствительности).where A is the wavelength of the optical radiation in front of propagation; AO0 is the minimum change in distance that can be detected by the interference method (sensitivity threshold).

Минимальное измер емое рассто ние интерференционного способа зависит отThe minimum measurable distance of the interference method depends on

уровн  фазовых флюктуации. Поэтому значение калиброванного перемещени  ДО можно выразить через дополнительно вносимый сдвигlevel of phase fluctuations. Therefore, the value of the calibrated displacement DO can be expressed in terms of an additionally introduced shift

4545

(5...10)-Дсъ 27П г2ДД...Д) . v ц zy(5 ... 10) - Дсъ 27П г2ДД ... Д). v c zy

(7)(7)

где Доь - среднеквадратичное отклонение флюктуирующей разности фаз.where Do is the standard deviation of the fluctuating phase difference.

Нижний предел неравенства (6) выбран из соображени  возможности обнаружени  и регистрации минимального изменени  разности хода интерферирующих пучков на фоне фазовых флюктуации. При нормальном распределении фазовых флюктуации максимальна  случайна  погрешность при веро тности 0,997 не превышает утроенное значение средне- кеадратических отклонений величины Дуэь . Поэтому коэффициент 5... 10 достаточен дл The lower limit of inequality (6) is chosen in view of the possibility of detecting and recording the minimum change in the difference in the path of the interfering beams against the background of phase fluctuations. With a normal distribution of phase fluctuations, the maximum random error at a probability of 0.997 does not exceed the triple value of the mean-square deviations of the Duey value. Therefore, a factor of 5 ... 10 is sufficient for

достоверной регистрации минимального изменени  разности хода Di - D2.reliable recording of the minimum change in the stroke difference Di - D2.

Верхний предел неравенства (6) обеспечивает преобразование разности хода Di - 02 (1/4...1/8) А в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики , т.е. в пределах одной интерференционной полосы. The upper limit of inequality (6) provides the conversion of the path difference Di - 02 (1/4 ... 1/8) A within one linear portion of the conversion characteristic, i.e. within one interference band.

При уменьшении разности хода интерферирующих пучков в соответствии с (6) код интенсивности измен етс  в пределах одного линейного участка характеристики и возрастает до второго значени As the difference in the path of the interfering beams decreases in accordance with (6), the intensity code changes within one linear portion of the characteristic and increases to a second value

П2P2

o( 15o (15

-2лр).-2lr).

(8)(8)

Если разность фаз при первом преобра- 20 зовании (5) оказалась больше 270°, т.е.If the phase difference during the first transformation (5) turned out to be more than 270 °, i.e.

Д01 У2Л ,  D01 U2L,

где Ду - дробна  часть первой разности фаз, то уменьшение опорного пути может вызвать не увеличение, а уменьшение кода за счет перехода на соседний линейный участок . Переход на соседний участок характе- ристики свидетельствует о выходе регистрируемой интерференционной полосы из пол  зрени  фотоприемника. Дл  исключени  неоднозначности отсчетов и обеспечени  работы в пределах одного ли- нейного участка характеристики сравнивают интенсивности гп и П2. При регистрации результата ni увеличивают длину пути опорного пучка на ДО и фиксируют уменьшенный код интенсивностиwhere Du is the fractional part of the first phase difference, then a decrease in the reference path can cause not an increase, but a decrease in the code due to the transition to an adjacent linear section. The transition to the neighboring region of the characteristic indicates the exit of the recorded interference band from the field of view of the photodetector. To eliminate the ambiguity of the readings and to ensure operation within the same linear region of the characteristic, the intensities rn and n2 are compared. When registering the result ni, the path length of the reference beam is increased by DO and a reduced intensity code is recorded

n2 S0(1+ y)-(arvin2 S0 (1+ y) - (arvi

лl

-2лр).-2lr).

.ri.2(Di.ri.2 (Di

Если же результат регистрации соответствует (8), т.е. П2 ni, то плавно уменьшают частоту излучени  на величину Av, которую выбирают из услови  приближени  третьего кода интенсивности к первоначальному коду niIf the registration result corresponds to (8), i.e. P2 ni, then gradually reduce the radiation frequency by the value Av, which is selected from the condition that the third intensity code approaches the original code ni

пз-3.(1)-(Р -°г+йР)- pz-3. (1) - (P - ° g + yP) -

2лр)+(5.2lr) + (5.

(Ю)(YU)

где V2 -v - Ду - второе значение частоты излучени . При регистрации кода пз#гц приращение частоты соответствует условию (7), т.к. работа осуществл етс  в пределах того же линейного участкаwhere V2 -v - Dy is the second radiation frequency value. When registering the code pz # Hz, the frequency increment corresponds to condition (7), because work is carried out within the same linear section

(5...10) AP 27aV2((5 ... 10) AP 27aV2 (

-4p-4p

(11)(eleven)

Неравенство (11) выполн етс  при этом автоматически даже при отсутствии информации о приближенном значении измер емого рассто ни , т.е. о величине разности хода Di - D2, в процессе плавного изменени  частоты.Inequality (11) is satisfied automatically even in the absence of information about the approximate value of the measured distance, i.e. the magnitude of the difference in stroke Di - D2, in the process of a smooth change in frequency.

Если результат второй регистрации соответствует соотношению (9), то по результату сравнени  увеличивают частоту излучени  на ДУ и фиксируют увеличенный код интенсивностиIf the result of the second registration corresponds to relation (9), then according to the comparison result, the radiation frequency on the remote control is increased and the increased intensity code is recorded

пз оО+уИ пИ01- - 0)-- -2лр)+д ,(12)ПЗ оО + уИ пИ01- - 0) - -2лр) + д, (12)

где V3 vi + ДУ - третье значение частоты излучени .where V3 vi + DE is the third value of the radiation frequency.

Восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка (ДО 0) и фиксируют четвертый код интенсивностиRestore the original path length of the reference beam (TO 0) and fix the fourth intensity code

П4 50(1+й-()- 2лр) + 6.P4 50 (1 + d - () - 2lr) + 6.

(13)(thirteen)

или в зависимости от знака приращени  частотыor depending on the sign of the frequency increment

45 п45 p

USo(1+yK2 -2 D rD2)- 2лр) + д.USo (1 + yK2 -2 D rD2) - 2l) + d.

(14)(14)

Из зарегистрированных значений кодов (5). (8), (9). (10). (12), (13) и (14) вычисл ют разности кодов первого (5) и четвертого (13), (14) преобразований, а также кодов второго (8), (9) и третьего (10), (12) преобразованийFrom the registered code values (5). (8), (9). (10). (12), (13) and (14) calculate the differences of the codes of the first (5) and fourth (13), (14) transformations, as well as the codes of the second (8), (9) and third (10), (12) transformations

щ - П4 ги1 - щ So (1 + у)х X(2.,.(15)ni - n4 ni1 - ni So (1 + y) x X (2.,. (15)

П2 - пз 50(1 + у)-(2л:-ДУХ ..2(Di -D2 -AD) (16)P2 - PZ 50 (1 + y) - (2l: -DUH ..2 (Di -D2 -AD) (16)

пз1 - nz1 - So (1 + у) -(2л:-Av х х2(Р1-В2-ДВ)(1)pz1 - nz1 - So (1 + y) - (2l: -Av x x2 (P1-B2-DV) (1)

Далее определ ют отношение разности кодов (15) к разности разностных кодов (15) и (16) или (15) и (17) в зависимости от последовательности выполненных операцийNext, the ratio of the difference of the codes (15) to the difference of the difference codes (15) and (16) or (15) and (17) is determined depending on the sequence of operations performed

DI - Da (щ -04) -(па -пз) 3DDI - Da (u -04) - (pa-ps) 3D

П1 - П4P1 - P4

. (18). (eighteen)

П4 - щP4 - u

(П4-П1)-(ПЗ-П2)(P4-P1) - (PZ-P2)

-P1-D2 ,19)-P1-D2, 19)

Я5 (1У)Y5 (1U)

Из соотношений (18) и (19) определ ют разность хода дистанционного и опорного пучковFrom the relations (18) and (19), the path difference between the remote and reference beams is determined

Di-Da Di-da

П1 - П4P1 - P4

(П1 -П4)(П2 Пз)(П1-П4) (П2 Пз)

ДО (20)DO (20)

ИЛИOR

Di-D2 Di-d2

п -щn-w

(п4-П1)-(пз-п2)(p4-p1) - (pz-p2)

AD. (21)AD. (21)

Если представить путь, проходимый дистанционным пучком, в виде Di Doi + Dx, где Doi рассто ние до референтной плоскости (Doi D2), где Dx - определ емое рассто ние, то результаты вычислений (20) и (21) можно представить в виде If we represent the path traveled by the distance beam in the form Di Doi + Dx, where Doi is the distance to the reference plane (Doi D2), where Dx is the definable distance, then the results of calculations (20) and (21) can be represented as

DxDx

m - П4m - P4

(Щ -П4)-(П2 - Пз)(Щ -П4) - (П2 - Пз)

до before

П4 -П1P4-P1

(nl, - щ) - (пз - п2)(nl, - u) - (pz - n2)

доbefore

(22)(22)

где AD - калиброванное изменение длины пути опорного пучка.where AD is the calibrated change in the path length of the reference beam.

Дополнительное изменение длины пути опорного пучка АО осуществл ют смещением неподвижного отражател , например, воздействием электрического напр жени  на пьезокерамический держатель этого отражател . Калибровку этого смещени  осуществл ют по известной разности рассто ний, проходимых дистанционным и опорным пучками . Дл  этого с помощью образцовой меры длины, например, плоскопараллельной концевой меры 1 м с относительной погрешностью 2-10 , устанавливают известную разность хода интерферируемых пучков Do Di - D2. Затем смещают неподвижный отражатель по условию (6) с помощью приложенного напр жени . Фактическое значение изменени  длины пути опорного пучка АО определ ют из соотношений (20) или (21) в зависимости от последовательности выполн емых операций (5), (8), (10) и (13) или (5), (9), (12) и (14)An additional change in the path length of the reference beam AO is carried out by displacing the stationary reflector, for example, by applying an electric voltage to the piezoceramic holder of this reflector. Calibration of this displacement is carried out according to the known difference of the distances traveled by the remote and reference beams. To do this, using a standard measure of length, for example, a plane-parallel end measure of 1 m with a relative error of 2-10, a known difference in the course of the interfering beams Do Di - D2 is established. The stationary reflector is then displaced by condition (6) using the applied voltage. The actual value of the change in the path length of the reference beam AO is determined from relations (20) or (21) depending on the sequence of operations (5), (8), (10) and (13) or (5), (9), (12) and (14)

ДО(ПЮ-П40)-(П20-ПЗО)1 {23)DO (ПУ-П40) - (П20-ПЗО) 1 {23)

П / - П P / - P

то - П4оthen - P4o

15fifteen

илиor

Др(П40-П1о)-(пзО-П21 Dr (P40-P1o) - (pzO-P21

П40 - П10P40 - P10

(24)(24)

55

00

55

00

55

00

55

где пю, гад, пзо, П40 или то, п2о . изо , П4° коды интенсивностей 4-х измерений при калибровке .where I drink, bastard, PZO, P40 or something, p2o. ISO, P4 ° codes of intensities of 4 measurements during calibration.

Фиксируют напр жение, создающее смещение неподвижного отражател  на калиброванную величину ДО, которое в даль- нейшем используют дл  создани  калиброванного изменени  длины пути опорного пучка и определени  рассто ни  до контролируемого объекта.The voltage is fixed, which creates a displacement of the stationary reflector by a calibrated DO value, which is then used to create a calibrated change in the path length of the reference beam and determine the distance to the controlled object.

Таким образом, по результатам измерени  четырех интенсивностей интерференционной полосы, соответствующих кодам ni, П2, пз, П4 и калиброванному изменению пути опорного пучка AD определ ют рассто ние до отражател  объекта Ох независимо от скорости распространени  v и медленных погрешностей преобразовани  (у,о) разности фаз оптических излучений в цифровой код. Быстрые погрешности уменьшаютс  за счет повторных измерений и статистической обработки результатов измерений.Thus, by measuring the four intensities of the interference band corresponding to the codes ni, P2, pz, P4 and the calibrated change in the path of the reference beam AD, the distance to the reflector of the object Ox is determined irrespective of the propagation velocity v and the slow conversion errors (y, o) of the difference phases of optical radiation in a digital code. Fast errors are reduced by repeated measurements and statistical processing of the measurement results.

По сравнению со способом (3) исключено вли ние на результат измерени  непосто нства скорости распространени  (v). Точное определение рассто ни  до отражател  контролируемого объекта может быть осуществлено с высокой точностью без знани  приблизительного значени  рассто ни . Благодар  малым изменени м частотыCompared to method (3), the influence on the measurement result of the variability of the propagation velocity (v) is excluded. Accurate determination of the distance to the reflector of the controlled object can be carried out with high accuracy without knowing the approximate value of the distance. Due to small frequency changes

излучени  (Av/v AD/D /4 дчр «1))radiation (Av / v AD / D / 4 dfr "1))

исключено вли ние дисперсии показател  преломлени  среды распространени  на точность измерени .the influence of the dispersion of the refractive index of the propagation medium on the measurement accuracy is excluded.

Так, по способу (3) необходимое изменение частоты при измерении рассто ни  Ох определ етс  выражениемThus, by method (3), the necessary change in frequency when measuring the distance Ox is determined by the expression

Av1 ъ -vi -Am .(25)Av1 ъ -vi -Am. (25)

Здесь Дт - изменение числа длин волн, перекрывающих рассто ние Dx; v и vz - начальна  и конечна  частоты источника излучени ; v ,с/п - скорость света в среде распространени , где с - скорость света в вакууме, п - средний показатель преломлени  среды распространени .Here, Dm is the change in the number of wavelengths overlapping the distance Dx; v and vz are the start and end frequencies of the radiation source; v, s / n is the speed of light in the propagation medium, where c is the speed of light in vacuum, and n is the average refractive index of the propagation medium.

Минимальное изменение частоты имеет место при Дт « 1. Поэтому с учетом (25) имеемThe minimum change in frequency occurs when Dm «1. Therefore, taking into account (25), we have

д. V Сd. V C

мин-ш-ж.min-shh

(26)(26)

По данному способу дл  определени  того же значени  рассто ни  согласно неравенству (11) минимальное.изменение частоты источника излучени  определ етс  условиемAccording to this method, to determine the same distance value according to inequality (11), the minimum. Change in the frequency of the radiation source is determined by the condition

2 Ду2 do

.2(Р1-Р2).2 (P1-P2)

(5...10)Лрь, (27)(5 ... 10) LR, (27)

где Дуъ - среднеквадратичное отклонение флюктуирующей разности фаз, которое определ ет порог чувствительности интерферометра по фазе.where Dn is the standard deviation of the fluctuating phase difference, which determines the phase threshold of the interferometer sensitivity.

Из выражени  (27) следует, чтоFrom the expression (27) it follows that

д., (5...10) 4л67 d., (5 ... 10) 4l67

(28)(28)

Коэффициент сжати  диапазона перестройки частоты источника излучени The compression ratio of the frequency tuning range of the radiation source

ДУмин 4JTDumin 4JT

5С (5...ю)лро  5C (5 ... s) LRO

(29)(29)

Современные двухлучевые интерферометры имеют порог чувствительности по оптической разности фаз пор дка 10 ...10 радиан. С учетом этого значени  по данному способу диапазон перестройки частот источника излучени  можно уменьшить вModern double-beam interferometers have a sensitivity threshold for the optical phase difference of the order of 10 ... 10 radians. Given this value in this method, the frequency tuning range of the radiation source can be reduced by

АлAl

2r;s(3-l01...1flP)paa2r; s (3-l01 ... 1flP) paa

(5...10)(10-ъ...10-4) (5 ... 10) (10-b ... 10-4)

Возможность столь большого сжати  диапазона изменени  частоты, а следовательно , малого изменени  длины волны излучени , позвол ет дисперсией показател  преломлени , например, атмосферы, практически пренебречь.The possibility of such a large compression of the frequency range, and therefore a small change in the radiation wavelength, allows the dispersion of the refractive index, for example, of the atmosphere, to be neglected.

На прилагаемом чертеже представлена структурна  схема дальномера.,The attached drawing shows a structural diagram of a range finder.,

Дальномер  вл етс  примером реализации способа.The range finder is an example implementation of the method.

Дальномер содержит лазер 1. блок 2 перестройки частоты излучени  лазера, коллиматор 3, выход которого оптически св зан через светоделительный куб 4 с уголковыми отражател ми 5 и 6. Отражатель 5  вл етс  опорным и может сдвигатьс  только на калиброванное перемещение ±ДО, а отражатель 6 установлен на объекте, рассто ние до которого от референтной плоскости 7 DxThe range finder contains a laser 1. A laser radiation frequency frequency adjustment unit 2, a collimator 3, the output of which is optically coupled through a beam splitter 4 with corner reflectors 5 and 6. Reflector 5 is reference and can only be shifted by a calibrated movement ± DO, and reflector 6 installed on the object, the distance to which from the reference plane is 7 Dx

подлежит измерению. Со светоделитель- ным кубом 4 оптически св заны линза 3. диафрагма 9 и фотоприемник 10, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11. соединенный кодовыми выходами с шиной данных микроЭВМ 12. К шине данных через соответствующие порты ввода подключены цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 13 и 14, аналоговые выходы которых соединены с управл ющимto be measured. A lens 3. an aperture 9 and a photodetector 10, to the output of which an analog-to-digital converter (ADC) 11. is connected to the data outputs via a microcomputer 12, is connected optically to a beam splitting cube 4. Digital-to-analog converters are connected to the data bus (DAC) 13 and 14, the analog outputs of which are connected to the control

входом генератора 15 электрических колебаний , и пьезокерамической втулкой (держателем ) 16 из титаната бари , воздействующие соответственно на блок 2 перестройки частоты и отражатель 5, Результаты вычисленийthe input of the generator 15 of electrical oscillations, and a piezoceramic sleeve (holder) 16 of barium titanate, acting respectively on the frequency adjustment unit 2 and the reflector 5, calculation results

вывод тс  на цифровой индикатор 17.tc output to digital indicator 17.

Дальномер работает следующим образом . Излучение лазера 1 раздел етс  с помощью куба 4 на опорный и дистанционный пучки. Опорный пучок отражаетс  от отражател  5, а дистанционный - от отражател  6, св занного с контролируемым объектом. Отраженные пучки совмещаютс  линзой 8, диафрагмой 9 и кубом 4 в плоскости фотоприемника 10, с помощью которого интенсивность выбранной точки интерференционной полосы преобразуетс  в напр жение и далее в код посредством АЦП 11. Этот код вводитс  в микроЭВМ 12 и подвергаетс  функциональному преобразованию. Результат преобразовани  (5) запоминаетс  в оперативной пам ти (ОЗУ) микроЭВМ 12.The range finder works as follows. The radiation of the laser 1 is separated by a cube 4 into the reference and remote beams. The reference beam is reflected from the reflector 5, and the distance from the reflector 6 associated with the controlled object. The reflected beams are combined with a lens 8, aperture 9 and a cube 4 in the plane of the photodetector 10, with which the intensity of the selected point of the interference fringe is converted into voltage and then into a code by means of ADC 11. This code is entered into microcomputer 12 and undergoes functional conversion. The result of the conversion (5) is stored in the random access memory (RAM) of the microcomputer 12.

По команде ЭВМ 12, записанной в ее посто нном запоминающем устройстве (ПЗУ), через ЦАП 14 на держатель 16 подаетс  управл ющее напр жение, которое перемещает отражатель 5 на величину ±ДО, соответствующий результат преобразовани  (8) или (9) интенсивности полосы после функционального преобразовани  в ЭВМAccording to the command of the computer 12 recorded in its read-only memory (ROM), a control voltage is applied to the holder 16 through the DAC 14, which moves the reflector 5 by the value ± DO, the corresponding result of the conversion (8) or (9) of the strip intensity after functional conversion to computers

12 запоминаетс  ОЗУ. Затем по команде ЭВМ 12 через ЦАП 13 формируетс  управл ющее воздействие на генератор 15, частота которого измен ет частоту излучени  лазера 1 на величину ±Ду, котора  удовлетвор ет условию (11). Соответствующий результат преобразовани  (10) или (12) интенсивности полосы после функционального преобразовани  в ЭВМ 12 запоминаетс  ОЗУ. Очередной командой ЭВМ 1212 RAM is stored. Then, by the command of the computer 12, a control action is generated on the oscillator 15 through the DAC 13, the frequency of which changes the frequency of the laser 1 by ± Du, which satisfies condition (11). The corresponding result of the conversion (10) or (12) of the band intensity after the functional conversion in the computer 12 is stored RAM. The next computer team 12

восстанавливаетс  первоначальное положение отражател  5, и соответствующие результаты (13) и (14) после функционального преобразовани  запоминаютс  ОЗУ. После выполнени  вычислений по формуле (22) ре- зультат измерени  рассто ни  до отражател  6 контролируемого объекта регистрируетс  цифровым индикатором 17.the initial position of the reflector 5 is restored, and the corresponding results (13) and (14) after the functional conversion are stored RAM. After performing the calculations according to formula (22), the result of measuring the distance to the reflector 6 of the controlled object is recorded by a digital indicator 17.

В программу ЭВМ 12 введен алгоритм выбора знака приращени  частоты излуче- ни  лазера и перемещени  опорного отражател  из условий работы в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики, т.е. в пределах одной интерференционной полосы. В па- м ти ЭВМ 12 также введено в виде константы калиброванное перемещение опорного отражател  5 ±ДО.An algorithm for selecting the sign of the increment of the laser radiation frequency and moving the reference reflector from the operating conditions within one linear portion of the conversion characteristic is introduced into computer program 12; within one interference band. In computer memory 12, a calibrated displacement of the reference reflector 5 ± DO was also introduced as a constant.

Рассмотренный способ использован в технологических операци х юстировки пре- цизионных механизмов, в частности, настройки ПЗУ на винчестерских дисках. В качестве источника когерентного излучени  использован лазер типа ЛГ-52-1, фотоприемником служит диодна  линейка на фото- диодах ФД-271, а блок перестройки частоты представл ет собой акустооптиче- ский модул тор типа МЛ-201. Диапазон измер емых рассто ний 0,001-1 м, погрешность измерени  не более +0,2 мкм, при работе в среде с измен ющейс  температурой и влажностью.The considered method was used in technological operations of adjusting precision mechanisms, in particular, ROM settings on Winchester drives. An LG-52-1 type laser was used as a coherent radiation source, an FD-271 photo diode array was used as a photodetector, and the frequency tuning unit was an ML-201 type acousto-optical modulator. The range of measured distances is 0.001-1 m, the measurement error is not more than +0.2 microns, when working in an environment with changing temperature and humidity.

Claims (1)

Формула изобретени The claims Способ определени  рассто ни  до обьекта, при котором раздел ют оптическое когерентное излучение на дистанционный и опорный пучки, принимают отраженный дистанционный пучок от обьекта и опорный пучок от неподвижного отр ажател . совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки, измер ют в поле зрени  фотоприемника первоначальную интенсивность интерференционной по- лосы на исходной частоте излучени , плавно измен ют частоту источника излучеThe method for determining the distance to the object, in which the optical coherent radiation is divided into the distance and reference beams, receives the reflected distance beam from the object and the reference beam from the stationary reflector. combine the reflected distance and reference beams in one plane, measure the initial intensity of the interference strip at the initial radiation frequency in the field of view of the photodetector, smoothly change the frequency of the radiation source ни , регистрируют величину пор дка интерференции в процессе изменени  частоты и обрабатывают результаты измерений, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучени , измен ют длину пути опорного пучка на измеренную величину , регистрируют второе значение интенсивности, сравнивают его с первоначальным значением интенсивности, измен ют частоту излучени  в направлении приближени  к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферирующих пучков в 5-10 раз превышает порог чувствительности и не превышает 1/4-1/8 длины волны излучени , регистрируют третье значение интенсивности , сравнивают его с предыдущим, восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а рассто ние определ ют из выражени In this case, the order of interference is recorded in the process of changing the frequency, and the measurement results are processed, characterized in that, in order to increase the accuracy after recording the initial intensity of the interference band at the initial radiation frequency, the path length of the reference beam is changed by the measured value, the second intensity value is recorded , compare it with the initial value of the intensity, change the radiation frequency in the direction of approaching the initial intensity with fixing for the path of the reference beam and the frequency at which the difference in the path of the interfering beams is 5-10 times higher than the sensitivity threshold and does not exceed 1 / 4-1 / 8 of the radiation wavelength, a third intensity value is recorded, compared with the previous one, and the original reference path length is restored beam and record the fourth value of the intensity, and the distance is determined from the expression Dx Dx ni -гмni-um Щ -П4)-(П2 -Пз)Щ -П4) - (П2-Пз) Д0 D0 ni - mni - m (П4 -ГЦ)-(ПЗ-Г)(P4-GZ) - (PZ-G) ДО,BEFORE, где ДО - измеренное изменение длины пути опорного пучка; щ - первоначальна  ин- тенсивность интерференционной полосы; П2, ла втора  интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значени х АО; пз, пз1 - треть  интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значени хwhere DO is the measured change in the length of the path of the reference beam; u - initial intensity of the interference band; P2, the second intensity of the interference band, respectively, with positive and negative values of AO; pz, pz1 - third of the intensity of the interference band, respectively, with positive and negative values отрицательном изменени  частоты; Л4, П4 - четверта  интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значени х изменени  частоты при сдвиге частоты на ±Av и восстановленной начальной длине опорного пучка (ДО 0).negative frequency change; L4, P4 - fourth is the intensity of the interference band, respectively, with positive and negative values of the frequency change during frequency shift by ± Av and the restored initial length of the reference beam (TO 0).
SU904856060A 1990-08-06 1990-08-06 Method of determining distance RU1783301C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904856060A RU1783301C (en) 1990-08-06 1990-08-06 Method of determining distance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904856060A RU1783301C (en) 1990-08-06 1990-08-06 Method of determining distance

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1783301C true RU1783301C (en) 1992-12-23

Family

ID=21530355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904856060A RU1783301C (en) 1990-08-06 1990-08-06 Method of determining distance

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1783301C (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Большаков В.Д. и др. Радиогеофизические и электрооптические измерени , М., Недра, 1985 г., стр.52 2.Медовиков А.С. Некоторые принципы построени интерференционных дальномеров. Измерительна техника, 1985 г., № 11, стр. 10-11. 3.Патент GB № 1168971, кл G 01 С 3/08. 05.03.70 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5631736A (en) Absolute interferometer measuring process and apparatus having a measuring interferometer, control interferometer and tunable laser
US5541730A (en) Interferometric measuring apparatus for making absolute measurements of distance or refractive index
EP0586454B1 (en) Positional measurement
JP5511163B2 (en) Distance measuring method and apparatus by light wave interference
US20020196450A1 (en) Scanning interferometry with reference signal
US5521704A (en) Apparatus and method for measuring absolute measurements having two measuring interferometers and a tunable laser
US4984898A (en) Laser interferometer for interferometric length measurements including an automatic-compensating circuit
JP3351527B2 (en) Measuring device
JPH01235889A (en) Lightwave distance measuring device with linearity error correction function
KR20160145496A (en) Refractive index measurement method, measurement apparatus, and optical element manufacturing method
US20230288185A1 (en) Optical interference range sensor
US4655597A (en) Micro-displacement measuring apparatus using a semiconductor laser
US5394240A (en) High-accuracy air refractometer utilizing two nonlinear optical crystal producing 1st and 2nd second-harmonic-waves
US6462823B1 (en) Wavelength meter adapted for averaging multiple measurements
CN107102338A (en) The suppressing method that laser mode hopping influences in FM-CW laser ranging
US5313271A (en) Absolute gas refractometer wherein the optical path difference of said refractometer is fixed
RU1783301C (en) Method of determining distance
JP5704150B2 (en) White interference device and position and displacement measuring method of white interference device
US5555089A (en) Absolute distance measuring interferometry using multi-pass resonant cavity referenced to a stabilized laser source
JPH08504034A (en) Interferometric method and laser interferometer suitable for carrying out this method
JP2725434B2 (en) Absolute length measuring method and absolute length measuring device using FM heterodyne method
JP2554363B2 (en) Optical interferometer
US4606639A (en) Broad bandwidth interferometric gauging system
US5737069A (en) Position detecting apparatus of optical interferometry
KR20070117937A (en) Displacement measurement system using laser interferometer and error correction method