Sposób i urządzenie do zdalnego pomiaru odległości

Istota wynalazku

Znanych jest wiele metod zdalnego pomiaru odległości. Idea pracy zdecydowanej większości dalmierzy sprowadza się w istocie do pomiaru czasu przelotu światła do mierzonego obiektu i z powrotem do urządzenia, tak więc głównym problemem jest bardzo precyzyjny pomiar czasu. Osiągnięcie milimetrowych rozdzielczości pomiaru odległości wymaga pomiaru odstępu czasu z precyzją rzędu pojedynczych pikosekund (bilionowe części sekundy). W przypadku dalmierzy laserowych wyróżnić można dwie główne grupy metod pomiaru odległości (oparte na pomiarze czasu). Do pierwszej grupy można zaliczyć te, które wykorzystują pomiar przesunięcia fazy sygnału (najczęściej sinusoidalnego) modulującego strumień świetlny lasera, natomiast w drugiej grupie mieszczą się metody, w których stosuje się pomiar czasu przelotu impulsu świetlnego.

Dalmierze, których zasada działania oparta jest na pomiarze fazy, charakteryzują się dużą rozdzielczością pomiarów, jednakże ich zasięg działania jest zazwyczaj ograniczony małą mocą sygnału świetlnego. Modulowany strumień światła laserowego emitowany jest w sposób ciągły, przez co jego moc nie może przekraczać poziomu wynikającego z norm bezpieczeństwa.

Urządzenia wykorzystujące pomiar czasu przelotu impulsu świetlnego umożliwiają osiągnięcie znacznie większych zasięgów pomiaru, gdyż moc chwilowa sygnału świetlnego jest dużo większa niż w urządzeniach mierzących przesunięcie fazy, jednakże rozdzielczość takich pomiarów jest zazwyczaj ograniczona.
Wśród dalmierzy wykonujących pomiar przesunięcia fazy można wyróżnić jeszcze jedną grupę, a mianowicie dalmierze laserowe wykorzystujących do modulacji sygnału optycznego tzw. ciągi pseudolosowe. Zastosowanie sygnałów pseudolosowych niesie szereg korzyści takich, jak na przykład zwiększona odporność na zakłócenia niepożądanymi sygnałami, czy też jednoznaczność pomiarów odległości.

W proponowanym rozwiązaniu zdalnego pomiaru odległości moduluje się strumień świetlny z lasera ciągiem pseudolosowym i wysyła się go w kierunku mierzonego obiektu, po czym odbity sygnał odbiera się przy pomocy fotodetektora przekształcającego sygnał optyczny na elektryczny. W dalszej części sygnał elektryczny z fotodetektora przetwarza się z pomocą komparatora na jednobitowy ciąg cyfrowy i poddaje się procesowi tzw. korelacji w prostym układzie cyfrowym. Istotą wynalazku jest właśnie struktura korelatora oraz specjalny dobór sygnałów sterujących i zegarowych, dzięki czemu możliwe jest proste przetworzenie informacji z korelatora na mierzoną odległość. Urządzenia zbudowane zgodnie z ideą wynalazku mogą zapewnić wykonywanie precyzyjnych pomiarów odległości nawet w warunkach, w których odbierany sygnał jest słabszy od szumu i niepożądanych zakłóceń.

Korzyści

Sposób pomiaru odległości i struktura urządzenia pozwala na osiągnięcie bardzo dużego stopnia integracji podzespołów, przez co rozmiary urządzenia mogą zostać znacznie zredukowane, a co za tym idzie możliwe jest znacznie ograniczenie poboru energii. Pomimo małej mocy lasera (bezpieczeństwo) istnieje potencjalna możliwość osiągnięcia zasięgu pomiarów rzędu kilkudziesięciu metrów przy zachowaniu milimetrowej precyzji. Ponadto metoda pomiaru może zapewniać zwiększoną odporność na zakłócenia. Część analogowa urządzenia jest mocno ograniczona, przez co z jednej strony można ograniczyć koszt produkcji, a z drugiej strony zmniejszenie liczby elementów przekłada się na wzrost niezawodności. Zaproponowana metoda pomiarów umożliwia zoptymalizowanie parametrów urządzenia i jego ceny do różnych zastosowań. Jeśli satysfakcjonujący jest zasięg działania ograniczony do pojedynczych metrów, a rozdzielczość pomiarów rzędu centymetra, to możliwe jest osiągnięcie bardzo niskiego kosztu produkcji.

Potencjał komercjalizacji

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do zdalnego pomiaru odległości. Urządzenie mogłoby być produkowane w postaci modułów wyposażonych w interfejs komunikacyjny i charakteryzujących się różnym zasięgiem i rozdzielczością pomiarów. Z modułów takich można by konfigurować bardziej złożone systemy monitorujące na przykład gabaryty i liczbę przemieszczających się przez dany obszar obiektów bądź też osób, ewentualnie chroniące też dostępu do wydzielonych stref bezpieczeństwa (wewnątrz lub na zewnątrz budynków). W zastosowaniach przemysłowych moduł mógłby ułatwiać automatyzację procesów przemysłowych pełniąc na przykład funkcję wyłączników krańcowych lub zabezpieczeń zbliżeniowych, bądź też mierników poziomu materiałów sypkich lub płynów w zbiornikach. Ponadto urządzenie może znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak geodezja, budownictwo, systemy inwentaryzacji i zobrazowania przestrzennego oraz w wielu innych, w których u podstaw leży pomiar odległości.