Как работает лазерный дальномер?

Господа, может кто знает какой физический принцип лежит в основе бесконтактных измерений точности +\- 1мм. Просто, для общего развития. Не хватает собсной смекалки...
Вот ультразвуковой мало-мальски понятно, а оптический... Ну никак...

Да собственно тот же, что и у ультрозвукового, разность фаз излученного и отраженного импульса.

Пасип.
Иными словами, если прикинуть расстояния и скорость света, то получаица, что 1мм соответствует 300ГигаГц (приняв 300 000км\с за 1Гц). Таким образом разность фаз в диапазоне сотен нанометров (лазерное излучение) меряется на частотах 300 ГГц*10000=3000ТераГц. Разве есть такие вычислительные процессоры?.......

Викторыч написал :
Да собственно тот же, что и у ультрозвукового

По-моему, с ультразвуком все проще: посылают импульс и засекают время. Импульс идет туда, отражается от преграды и возвращается к излучателю/приемнику. Отсчет времени останавливают и считают расстояние как половина произведения времени на скорость распространения ультразвука в среде.

Неужели и лазерники меряют с такой точностью время задержек распространения луча света?...

ssolovov написал :
По-моему, с ультразвуком все проще:...

Да. Как у летучих мышек. Если мышка не глухая, то с высокой точностью обогнет фонарный столб.

samorez написал :
Неужели и лазерники меряют с такой точностью время задержек распространения луча света?...

Как сказал Викторыч "...разность фаз излученного и отраженного импульса", а луч лазера это несущая этого импульса (модуляция несущей). Сам импульс может быть сложной формы и иметь собственную частоту повторения. В зависимости от задач и скорости цели.
Колебания что ультразвуковые, что оптические, что тепловые, что радио- и теле-, что радиоактивное и гамма излучение выглядят одинаково, только частота разная.
"Рассвет видел? Вот такой же... Только цвет другой."

... с одной поправкой, -

ультразвук - это МЕХАНИЧЕСКИЕ колебания среды его распространения.
Воздух, вода, металл и проч. В вакууме звук не существует. И скорость звука
имеет порядок сотен м/с в газах, тысяч м/с в металлах, тв.телах.

остальное перечисленное - колебания ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО поля,
с накоплением качественных изменений, приводящих
к преобладанию корпускулярных (свойственных частицам) свойств над волновыми
на максимальных частотах - тера- и выше Гц.
ЭМ поле распространяется практически в любой среде, в вакууме тоже,
меняя лишь свою скорость, т.е. скорость света.

Klausss, все же, сдается, разностью фаз меряют перемещения, т.е. используют в динамичных измерениях. Дальномер штука статичная, и фазы там вроде не меняются.

Klio, остальное перечисленное - колебания ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО поля,
с накоплением качественных изменений, приводящих
к преобладанию корпускулярных (свойственных частицам) свойств над волновыми

Ну и каков вывод? Фиксируют время возврата светового импульса?

Может они вовсе не лазерным лучом меряют, а он типа для наводки?...

Лазерный луч модулируется частотой порядка нескольких ГГц. Частота самого опорного лазерного излучения не играет никакой роли, она на многие порядки выше частоты модуляции. Аналоговая схема сравнивает фазы прямого и отраженного сигнала. Допустим, частота модуляции - 10ГГц, тогда за период этого сигнала луч проходит 3 см. Разность фаз, соответствуящая 1/30 периода, легко улавливается - получим точность 1мм.
Реально, видимо, луч модулируется сначала более низкой частотой, для грубого измерения - а потом частота модуляции ступенчато повышается до максимальной (10ГГц в нашем примере). Оцифровывается сигнал уже с выхода аналоговой схемы (получаем разность фаз, пересчитываем в длину), т.е. никакого значительного быстродействия от цифровой части дальномера не требуется.

caver,

+1
Респект!

Что-то мы перемудрили с частотой модуляции. Частота модуляции выбирается исходя из предполагаемых скоростей измеряемого объекта. Если едет автомобиль со скоростью 60 км/ч (~16 м/с), то достаточно 1000 измерений в секунду чтобы отлеживать изменение растояния до него в 16 мм/с. Уточню растояние, а не скорость самого авто (доплеровские частоты и т.д.). Если объект неподвижен (как и прибор), то достаточно одного измерения в час. Т.е. одного импульса. Если прибор трясется в "нетвердых" руках, то 100 измерений в секунду с вполне достаточно для усреднения показаний и выдачу их владельцу "нетвердых" рук каждые 2 секунды. Чаще, мне кажется, ему и не надо.
А несущая частота для измерений растояний в 50-200 м может быть любая, лишь бы не успел затухнуть отраженный сигнал. Лазерный излучатель, мне кажется, выбран из практических соображений. Целеуказания и меньше переотраженных сигналов.

caver написал :
Аналоговая схема сравнивает фазы прямого и отраженного сигнала.

Так все-таки какую информацию несет фаза отраженного сигнала? Ведь модулирование принесет в приемник все фазы отражения. Кстати, для фото приемника фаза сигнала разве не есть его мгновенное значение яркости? Которая в свою очередь зависит от отражающей способности объекта. Или неправильно понимаю фазу волнового процесса?

Простите за делетанство. А можно быть отосланным к какому-нибудь первоисточнику кроме задницы?

samorez написал :
А можно быть отосланным к какому-нибудь первоисточнику...

Конечно: МЭИ РТФ

Klausss написал :
лишь бы не успел затухнуть отраженный сигнал

А если объект плохо отражает свет, то расстояние измерить не удастся?

Дальномер посылает к цели невидимый, безопасный для глаз лазерный луч. Отразившись от цели, лазерный луч попадает в приемник. Схема измеряет время, затраченное лучом на прохождение дистанции, и умножает его на скорость света. В результате получается расстояние до цели, которое и отображается в окуляре.

Какова дальность работы?
Максимальная измеряемая дальность для большинства объектов — 1512 м. Максимальная дальность сильно зависит от отражательной способности поверхности цели, погодных условий и т.п.

◆ Отражательная способность объекта зависит от его формы, цвета и текстуры поверхности. Яркие цвета лучше отражают свет, чем темные. Полированная поверхность отражает лучше, чем грубая. Расстояние до крупных объектов определяется лучше, чем расстояние до мелких. Наилучший результат измерений получается, если поверхность объекта располагается перпендикулярно лазерному лучу.
◆ Плохие погодные условия (дождь, туман, снег, туман) снижают точность определения расстояния. В то же время яркий солнечный свет тоже повлияет на точность.
◆ Хотя дальномер может производить измерения через многие типы стекла, в данном случае точность тоже снижается.

Высокая точность
В лазерных дальномерах «NEWCOM-OPTIC» используются последние разработки в области лазеров и микроэлектроники. Расчеты производит специализированный микропроцессор.

ssolovov написал :
А если...

Зависит от чувствительности приемника. Если объект - "черная дыра", то не удастся никак!

кухонщик написал :
Максимальная измеряемая дальность для большинства объектов — 1512 м.

???

кухонщик написал :
....безопасный для глаз лазерный луч.

Это просто реклама... Очень безответственная.

Принцип работы лазерного дальномера основан на измерении разности фаз отраженного от предмета, до которого измеряется расстояние, лазерного импульса и излученного.
www.geototal.ru/laser_distancemeter.shtml

Принцип работы лазерного дальномера (лазерной рулетки, как его еще называют) состоит в том, что прибор измеряет сдвиг фазы отраженного сигнала, источником которого является полупроводниковый лазер.

интернет знает всё!

ssolovov написал :
А если объект плохо отражает свет, то расстояние измерить не удастся?

Нет, не зря к этим устройствам прилагаются специальные мишени.

кухонщик написал :
Дальномер посылает к цели невидимый, безопасный для глаз лазерный луч.

Глаз даёте? Хотя бы на пару минут.

Всем здравствуйте!
Я не знаю, как работает лазерный дальномер.
Но считаю что в ссылке, указанной Кухонщиком в 20-м посте просто рекламная залепуха, или кто писАл рекламу не имеет понятия, о чем пишет.
Постараюсь обосновать.
Простое измерение разности фаз двух периодических (допустим синусоидальных) сигналов ничего не даст. Для измерения расстояния необходимо еще знать, сколько же целых волн (полуволн) еще уложено на этом отрезке, если длина волны излучаемого сигнала меньше измеряемого расстояния. Длина волны красного лазера около 0,5 мкм (точно не помню, но это и не принципиально, главное – порядок ТОТ, кто захочет поправить, может уточнить), то есть длина волны лазера многократно меньше измеряемых расстояний. Поэтому, если мы будем мерять разность фаз, (а существующие фазовые детекторы способны ее измерить в диапазоне +- 90 градусов), то мы померяем 0,5/4=0,125 мкм. А где милли, санти, метры, сотни метров?
А как сосчитать, сколько раз фаза повернулась на 360 градусов? Сущесвующими процессорами не успеть – это посчитал уже Samorez.
Мне кажется , что самым подходящим алгоритмом будет тот, который высказал Caver в 9 посте – то есть модуляция лазерного луча низкочастотным сигналом, и измерение разности фаз именно МОДУЛИРУЮЩЕГО сигнала, причем сначала частота модуляции минимальная когда на измеряемом расстоянии фаза модулирующего сигнала гарантирована не повернется на угол более 90 градусов. Например, если заявлена максимальная дальность 200 м, то частота д.б. порядка 200*4=800 м ,т.е около 400 кГц. Потом дискретное (может некратное), а может плавное увеличение модулирующей частоты вплоть до нескольких гигов для достижения точности порядка миллиметров. Современные синтезаторы от «аналог девайс» способны практически мгновенно изменять частоту генерации от 0 до сотен мГц с шагом в сотые доли герц, то есть возможности сих многоножек многократно превышают данные требования.
Ник_Ник.

все мои посты-выдержки из нэта, ссылка в каждом посте. это я к тому, что можно найти любую информацию, было-бы желание.

Ник_Ник в общем-то вполне проникся Вашими разъяснениями.

Ник_Ник в общем-то вполне проникся Вашими разъяснениями. Спасибо.

Данный научно-технологический этюд на уровне общеобразовательной школы по-имховски выглядит так.
Луч ничем не модулируется, а просто прерывается. Возврат луча останавливает измерительный процесс измерения фазы внутреннего генератора с длиной волны равной максимуму допустимого измерения расстояния с помощью АЦП приемлемой разрядности (к примеру 8 разрядного). Таким образом получают 256 градаций, вполне сопоставимыми с измеренными метрами на вполне приемлемых временах минимально возможного возврата отражения (если минимум измерения 5см, то по моим прикидкам это 6ГГц - вполне известные цифры, хотя это 0,3 наносекунды ). Далее меряют изменение фазы генератора с более короткой длиной волны, равной погрешности измерения (например +-5мм) умноженной на дискретность АЦП (в данном случае 256). Получаем длину волны 1, 28 метра. Получаем окончательное преобразование значения фазы в миллиметры с учетом погрешности.

Таким образом от яркости отраженного сигнала ничего особо не зависит. Достаточно зафиксировать факт возврата отражения, что собсно и наблюдаем, когда перемещаем луч на поверхности, отражающие способности которых изменяются в разы, не видя при этом особого гуляния результата. Просто фиксируют мгновение по тому или иному фронту прерывания луча отражения, которые должны изменяться за интервалы времени соизмеримыми с погрешностью измерений (что по моим прикидкам 6ГГц). Это может быть как загорание, так и погасание. Хрен их там знает. Хотя это сути не меняет.

Пойдет?

2samorez

samorez написал :
Луч ничем не модулируется, а просто прерывается. Возврат луча останавливает измерительный процесс измерения фазы внутреннего генератора с длиной волны равной максимуму допустимого измерения расстояния с помощью АЦП приемлемой разрядности (к примеру 8 разрядного).

Вы все пытаетесь оцифровать сигнал с частотой под 10ГГц. Пока что это в серийных разработках недостижимо.

Викторыч привел ссылку, работают оба метода - и фазовый (с модулированием и измерением сдвига фаз) и импульсный (с измерением времени прохода импульса). Но в любом случае, начальную обработку сигнала производит аналоговая схема. В массовых моделях дальномеров используется фазовый метод, с ним проще достичь хорошей точности.

Викторыч, пасип и уважуха за точную подсказку.
Только все равно там не до конца раскрыт способ подсчета "уникального числа" целых полуволн. Все же статья ознакомительная, а даже не популяризирующая.

В фазовом одно не понятно: в любом случае фаза в оптическом излучении есть изменение интенсивности, которое сильно зависит от отражающей способности объекта и расстояния. Но это вопрос не к Вам, а к моему невежеству.
caver, почему же недостижимо? Импульсные устройства только этим и занимаются. Именно оцифровывают с градацией погрешности.

samorez написал :
Только все равно там не до конца раскрыт способ подсчета "уникального числа" целых полуволн

Ну отчего же, говорилось уже об этом. Сначала берется достаточно низкая частота модуляции, чтобы в отрезок измерения попадало не более чем один период. Потом частота увеличивается ступенчато, в 2 раза за один прием - и так до максимума.

samorez написал :
caver, почему же недостижимо? Импульсные устройства только этим и занимаются

Но не на таких частотах. Чтобы оцифровать сигнал 10ГГц, сохранив о нем какую-то информацию (вспомним теорему Котельникова), выборка значений должна проводиться с частотой 20ГГц. Я что-то не знаю таких быстродействующих АЦП, а вы?

caver написал :
Чтобы оцифровать сигнал 10ГГц, сохранив о нем какую-то информацию (вспомним теорему Котельникова), выборка значений должна проводиться с частотой 20ГГц. Я что-то не знаю таких быстродействующих АЦП, а вы?

Вы забываете, что погрешность +-. Если я прикинул правильно 5мм в 6ГГц, то +-5мм будет 3ГГц. Или, учитывая Ваше замечание, остаются те же 6Ггц. Вполне приемлемо.

samorez написал :
Если я прикинул правильно 5мм в 6ГГц, то +-5мм будет 3ГГц. Или, учитывая Ваше замечание, остаются те же 6Ггц. Вполне приемлемо.

Что прикинули? 5мм - такое расстояние проходит за период сигнал с частотой 60ГГц. 6 ГГц - с учетом разрядности АЦП? В любом случае, даже на 6ГГц если АЦП и есть, то стоят они нереальных денег. Вроде на 3ГГц только недавно появились, а лазерные дальномеры давно уже делают. Не говоря уже о том, что их точность действительно бывает +-1мм.

Но главное -это то что определить фазу (модуляции) в отраженном сигнале с достаточно глубокой амплитудной модуляцией на самом деле технически НАМНОГО ПРОЩЕ, чем точный момент его прихода. Дело в том, что, определяя фазу, на выходе фотоприемника мы можем поставить фильтр, эффективно отсекающий ненужные сигналы с другими частотами. Чего нельзя сделать в случае регистрации фронта сигнала, ибо в этом случае входная полоса пропускания должна быть максимально широкой, и приемник будет ловить все подряд.

Кроме того, для измерения этой самой фазы у нас есть практически неограниченное время, по сравнению с периодом модулирующего сигнала - соответственно, случайные погрешности устраняются усреднением. Аналоговый фазовый дискриминатор - устройство очень простое, прекрасно работает на весьма высоких частотах. На выходе выдает напряжение, пропорциональное разности фаз, которое затем оцифровывается и, вероятно, усредняется по некоторому промежутку времени.

caver написал :
5мм - такое расстояние проходит за период сигнал с частотой 60ГГц..

Упсс... Был не прав. Вспылил. Значит дискретность там равна минимально измеряемой дистанции, а погрешность реализуется большим числом измерений. Там и картинка есть про это. Так?

Аналоговый фазовый дискриминатор - устройство очень простое, прекрасно работает на весьма высоких частотах. На выходе выдает напряжение, пропорциональное разности фаз, которое затем оцифровывается и, вероятно, усредняется по некоторому промежутку времени

Абсолютно устраивает.

samorez написал :
Значит дискретность там равна минимально измеряемой дистанции, а погрешность реализуется большим числом измерений. Там и картинка есть про это. Так?

Похоже что так.
Основное преимущество импульсных дальномеров, ИМХО - в возможности измерения больших расстояний, за счет большой мощности импульса в пересчете на единицу времени. Но точность хуже, и электроника там дорогая.

Ну... Вроде разобрались.

Тему ф топку.

Сначала неделю пробовал Stabila LE200. Сейчас получил Leica D3 и начал сравнивать работу.
Через какое-то время заметил, что форма пятна у них разная.
У Стабилы пятно круглое. У Лейки D3 пятно имеет "ус" пониженной яркости вправо, как будто луч совершает колебания в горизонтальной плоскости вправо от оси.
Не пойму, что это - дефект или особенность работы (принципа действия)? Зачем?

У кого есть лейка D3, посмотрите плз, на форму пятна (хорошо видно при пониженном освещении и на небольших расстояниях).

PanD@ написал :
У кого есть лейка D3, посмотрите плз, на форму пятна (хорошо видно при пониженном освещении и на небольших расстояниях).

Тоже самое. При покупке одновременно мерял расстояние приборами A3, D3,A6, A8 на всех были ОДИНАКОВЫЕ показания. Мелочь, а как приятно!

Elden написал :
Тоже самое.

Уже посмотрел в магазине другой экземпляр - пятно тоже не ровное, хотя лучики расположены по-другому.

Возможно технологические неровности кристалла лазера или линзы. Хочется верить что данные особенности не повлияют на точность и надежность прибора.