普通單色光測距的系統和方法及其應用的製作方法

2023-10-04 08:15:09

專利名稱：普通單色光測距的系統和方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種普通單色光測距的系統和方法，特別涉及所述系統和方 法在石油鑽井工程中測大鉤高度的應用。
背景技術：
在以光波為信號測距的系統中，目前廣泛採用的測距方法主要是雷射測 距法。雷射測距是利用雷射的單色性和相干性好、方向性強等特點，實現對 距離的高精度測量。根據測量方法的不同，雷射測距儀通常可分為脈衝式和 連續波相位式兩種測量形式。
脈衝式雷射測距原理與雷達測距相似，測距儀向目標發射雷射信號，碰 到目標就要被反射回來，由於光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信
號的往返時間，用光速(30萬千米/秒)乘以往返時間的二分之一，就是所 要測量的距離。光以速度c在空氣中傳播，如果在A、 B兩點間往返一次所 需時間為"則A、 B兩點間距離Z)可用下列表示
(1)
2
式中Z)——測站點A、 B兩點間距離； c——光在大氣中傳播的速度； f——光往返A、 B—次所需的時間。 由上式可知，要測量A、 B距離實際上是要測量光傳播的時間f。 連續波相位式雷射測距是用連續調製的雷射波束照射被測目標，從測量 光束往返中造成的相位變化，可換算出被測目標的距離。
在實際運用中，例如在石油鑽井工程中測大鉤高度時，井場的工作環境 惡劣，安全係數低，需要現場的工作人員越少越好，而雷射測距需要技術人
員時刻在現場將雷射對準被測物體，不適宜惡劣的石油鑽井工程環境。

發明內容
本發明的核心的內容是，對現有的雷射測距系統進行改進，在被測物體 表面塗上具有回歸反光特性的高反射率材料，將雷射測距系統中的小波束角 雷射換成大波束角的普通單色光。優化的實施方案包括使用環頻法測量。
本發明的發明目的是針對上述現有的雷射測距的系統和方法存在的由於 對操作的要求過高而導致的上述缺點和不足，提供一種可以避免上述缺點和 不足的普通單色光測距的系統和方法。本發明的另一目的是提供所述普通單 色光測距的系統和方法在石油鑽井工程中測量大鉤高度的應用。
現有的雷射測距法是利用發送端向被測物體發射雷射信號，雷射信號碰 到被測物體反射回來被接收器接收的，系統通過測量雷射從發射到接收之間 的旅行時間來求得被測物體的距離。本發明的發明人通過研究現有的雷射測 距法，提出了一種與之不同的普通單色光測距法。
雷射測距的缺點是雷射波束角小，幾乎等於o，因此當被測物體移動時須
精細調整發射端，以保證狹窄的雷射波束準確地照射到被測物體上。本發明 針對該缺點提出普通單色光測距法，具體的實施方式是將被測物體塗上具有 回歸反光特性的高反射率材料，使照射到被測物體上的光信號大部分原路返 回，這樣只要將接收端與發射端安裝在一起，並保證發射光以較大的波束角 大致照向被測物體，不必精細調整測量系統，就能很穩定地接收到足夠強度 的從被測物體表面反射回來的光信號。本系統和方法適合在惡劣的石油鑽井 工程現場應用。
針對光信號從發射到接收之間的傳播時間過短，測量困難的情況，本發 明的優化實施方案提出採用環頻法測量光信號在空間的旅行時間。在本發明 的系統中設計了一個反饋系統，信號通過反饋系統從光電器件反饋給發光器
件，反饋系統中利用自動增益放大電路放大信號，使該系統只自激在基頻上， 當被測物體移動時自激頻率也隨之改變，因此可通過頻率儀測量自激頻率達 到測量距離的目的。在反饋系統中對信號進行處理，減小外界的幹擾，從而 本系統和方法大大提高了測量的精確性。
本發明所提供的普通單色光測距的系統包括用於發射光信號的發光器 件、塗有具有回歸反光特性高反射率材料的被測物體、用於接收反射光信號 的光電器件、以及一個通過光的傳播時間測量光路長度的電路系統。其中， 所述發光器件將電路系統提供的電信號轉換成光信號，並將光信號發射向被 測物體；所述被測物體上塗有的具有回歸反光的特性的高反射率材料使光信 號主要沿原路返回；所述光電器件將接收反射的光信號轉變成電信號；所述 電路系統通過測量光信號從發光器件發出到光電器件接受到的時間差，計算 出光路的距離。
本發明所提供的普通單色光測距的方法通過在被測物體上塗上具有回歸 反光特性的高反射率材料，使被測物體更易於和背景區分。優化的實施方案 包括使用環頻法測量。環頻法測量包括以下步驟利用發光器件將光信號向 被測物體發射，被測物體使光信號返回，光電器件將接收到的反射光信號轉 變成電信號，通過反饋系統將信號反饋給發光器件，使系統自激在環路中產 生相位差為2Np (N為整數)的頻率信號上，採用技術手段使系統只自激在 基頻，保證系統在不同被測距離時自激在不同頻率上，通過頻率儀測量自激 頻率達到測量距離的目的。


圖1是普通單色光測距系統的工作原理圖2是本發明所提供的普通單色光測距的系統裝置的模型。
具體實施例方式
下面通過具體實施方式
並結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。 本發明中涉及一種具有回歸反光的特性的具有回歸反光特性的高反射率 材料，這種材料目前被廣泛用於交通標牌之上。這種材料的主要機理是，反 光材料製品採用高折射率玻璃微珠後半表面鍍鋁作為後向反射器，具有極強
的逆向回歸反射性能，能將85%的光線直接反射回光源處。
本發明所提供的這種普通單色光測距的系統可以應用在各個領域，並不
局限於下面的實施方式中所詳細說明的領域。下面選取典型的領域對普通單
色光測距的系統詳細說明本發明的具體實施方式
。
普通單色光測距的系統具體實施方式
很多，比如脈衝式普通單色光測距、
連續波相位式普通單色光測距、環頻法普通單色光測距等，本發明中使用環
頻法普通單色光測距作為優化的實施方案，但不局限於這一優化的實施方案。
如圖1所示，環頻法普通單色光測距系統包括用於發射、接受以及反饋 信號的系統裝置1和使光信號反射的塗有具有回歸反光特性高反射率材料的 被測物體2;如圖2所示，上述系統裝置包括用於發射光信號的發光器件7、 用於接收反射光信號的光電器件4、用於將接收反射的信號反饋給發光器件 的反饋系統(由帶通濾波器5和自動增益放大電路6組成)以及用於測量頻 率的頻率儀8。其中，所述發光器件7將光信號向被測物體2發射，所述被 測物體2使光信號反射，所述光電器件4接收反射的光信號轉變成電信號， 電信號通過所述反饋系統反饋給發光器件，使該系統自激在某頻率上，所述 頻率儀8測量其自激頻率。
所述系統裝置1是用於發射、接受以及反饋信號的電路系統部分和用於 對光信號選頻的光學透鏡組成，為了避免由於被測距離太短導致自激頻率過 高，還可以延長光信號傳輸距離，如圖l所示在發光器件端利用光導纖維3
傳輸，但它並不局限於安裝在發光器件端，也可以安裝在光電器件端。
如圖2所示即為系統裝置1的電路系統部分，下面將以模塊化闡述；光
學透鏡用於選定載波的頻率，通過選頻使載波成為單頻率波，即光束為單色
光，避開其他頻率載波的幹擾，它並不局限於如圖1所示安裝在反射光路上，
也可以安裝在入射光路上或者兩路上同時安裝。
對於所述被測物體2不作特別限定。為了使光信號原路返回可以在被測
物體2上塗具有回歸反光特性的高反射率材料。
所述光電器件4可以是各種將光信號轉變成電信號的器件，如光電二極體等。
所述光電器件4通過光信號的強度改變而使電信號的強度改變。 所述反饋系統包括帶通濾波器5和自動增益放大電路6。所述帶通濾波器 5和自動增益放大電路6的構成均為本領域人員所公知。例如，可以採用圖 2中所示的帶通濾波器5使系統自激在一個通帶信號內，自動增益自動增益 放大電路6放大所接收到的信號並且使系統自激在基頻。這樣即使是很小的 信號(微弱的光信號強度)也能利用光電器件4驅動發光器件7，提高了整 個系統的靈敏度。
所述發光器件7可以是各種用於發射光信號的器件，如發光二極體等。 所述發光器件7通過電信號的強度改變而使光信號的強度改變。 所述頻率儀8為本領域人員公知的適用的頻率儀，在此不作特別限定。 所述頻率儀8可以以本領域人員公知的方式在反饋系統中測量其自激頻率。 本發明所提供的普通單色光測距的方法的優化實施方案——環頻法普通 單色光測距包括以下步驟利用發光器件7將光信號向被測物體2發射，被 測物體2使光信號返回，光電器件4將接收到的反射光信號轉變成電信號， 通過反饋系統將信號反饋給發光器件7，使系統自激在環路中產生相位差為 2Np (N為整數)的頻率信號上，採用自動增益放大器6的準線性使系統只
自激在基頻，保證系統在不同被測距離時自激在不同頻率上，通過頻率儀8 測量自激頻率達到測量距離的目的。
所述發光器件7通過接收反饋系統反饋回來的電信號所提供的能量進行 工作，即把電信號轉變成光信號。
所述光電器件4通過接收塗有具有回歸反光特性高反射率材料的被測物 體2反射回來的光信號所提供的能量進行工作，即把光信號轉變成電信號。
通過塗有具有回歸反光特性高反射率材料的被測物體2對光信號的反射 和反饋系統對電信號的反饋形成的迴路將使本系統產生自激，為使該自激頻 率信號為單頻信號本系統使用了自動增益放大器6的準線性和帶通濾波器5 使其只自激在基頻。當被測物體2移動，即被測距離改變時，自激頻率也會 隨之改變，通過頻率計8測量自激頻率可達到測量距離的目的。
下面舉例說明本發明中使用環頻法測距作為優化的實施方案的具體計算。
如果在被測距離終端安裝環頻普通單色光測距儀，即電路系統l，在被測 物體2上塗上具有回歸反光特性的高反射率材料。設被測距離為Z)，光導纖 維使被測距離延長/n，根據環頻法普通單色光測距分析可知，則通過整個回 路產生相位差為2Np (N為整數)的信號必產生自激現象，而其他頻率的光 信號均被衰減，然後利用自動增益放大器的準線性使自激只發生在基頻上 (即N=l),顯然通過測量產生自激現象的光信號頻率即可計算出被測距離. 設該信號頻率為/，則有
formula see original document page 9 (2) 式中Z)——被測距離；
A——自激信號的調製波長；
m——光導纖維使被測距離延長的長度；
c——光信號在空氣中的傳播速度； /——自激信號的調製頻率； ;c——信號在電迴路中產生的相位差。 由上式可知，距離的測量，變成了該時刻產生自激的信號調製頻率f的 測量。測量調製頻率f事實上就是測量迴路中電流的峰值變化頻率。在此對 調製頻率f的測量不再詳細闡述。
假如被測距離限制為A與A之間(A〈A)，即A〈D〈^，通過式(2)可 計算出發生自激的基頻範圍，即系統的工作頻率範圍，假設該範圍為 /2〈f</,。根據式(2)有
/1= (^一4 (3)
/2= (2 r—x)c (4) 為了保證系統自激在基頻上，應保證高頻信號基波頻率小於低頻信號的
二次諧波頻率才能區分基波與諧波，即//2 /2，則有
(27T - x)c ' 2 (h - ；c)c
鬥;r(D, +m) 47T(D2 +/n) 從而 /^D廣2Z^ (5)
由上式可知，當Z)^2D,時，可以不採用光導纖維3;當D,2D,時，必須 採用光導纖維來延長被測距離，保證/,〈2/2。然後通過帶通濾波器濾去諧波 和幹擾波，則應使帶通濾波器的上、下限截止頻率為/p /2。
權利要求
1.一種通過普通單色光測距的系統，該系統包括用於發射光信號的發光器件、塗有具有回歸反光特性高反射率材料的被測物體、用於接收反射光信號的光電器件、以及一個通過光的傳播時間測量光路長度的電路系統，其中，所述發光器件將電路系統提供的電信號轉換成光信號，並將光信號發射向被測物體；所述被測物體上塗有的具有回歸反光的特性的高反射率材料使光信號主要沿原路返回；所述光電器件將接收反射的光信號轉變成電信號；所述電路系統通過測量光信號從發光器件發出到光電器件接受到的時間差，計算出光路的距離。
2. 根據權利要求l所述的系統，所述測量光信號從發光器件發出到光電 器件接受到的時間差採用環頻法，在所述電路系統中，包含一個將接收到的 反射信號轉變而來的電信號反饋給發光器件的反饋系統和一個測量頻率的 頻率儀；電信號通過所述反饋系統反饋給發光器件，使整個系統自激在某頻 率上；所述頻率儀測量其系統的自激頻率；系統通過測量所得自激頻率來計 算光路長度，即測量被測物體到發光器件以及光點器件的距離。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的系統，其中，所述反饋系統包括 帶通濾波器和自動增益放大電路。
4. 根據權利要求1或權利要求2所述的系統，其中，所述光信號為通過 光學透鏡選頻後的單色光。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中，所述光學透鏡為帶通濾波片。
6. —種普通單色光測距的方法，其中，所述方法通過在被測物體上塗上 具有回歸反光特性的高反射率材料，使被測物體更易於和背景區分。
7. 根據權利要求6所述的方法，其方法還包括以下步驟利用發光器件 將光信號向被測物體發射，被測物體使光信號返回，光電器件將接收到的反 射光信號轉變成電信號，通過反饋系統將信號反饋給發光器件，使系統自激 在環路中產生相位差為2Np (N為整數)的頻率信號上，採用技術手段使系 統只自激在基頻上，保證系統在不同被測距離時自激在不同頻率上，通過頻 率儀測量自激頻率達到測量距離的目的。
8. 根據權利要求7所述的方法，所述技術手段是自動增益放大電路和帶 通濾波器的單獨或組合使用，效果是使系統只在某個頻段滿足自激條件，或 優先自激到某個頻率點。
9. 根據權利要求7或權利要求8所述的方法，其中，可以利用光導纖維 延長所述光信號的傳輸距離、也可以通過帶通濾波片對所述光信號進行選 頻。
10. 權利要求1-5之一所述的普通單色光測距的系統和權利要求6-9之一 所述的普通單色光測距的方法在石油鑽井工程中測大鉤高度的應用。
全文摘要
提供一種普通單色光測距的系統和方法，該系統包括用於發射光信號的發光器件、塗有具有回歸反光特性高反射率材料的被測物體、用於接收反射光信號的光電器件、以及一個通過光的傳播時間測量光路長度的電路系統。其中，所述發光器件將電路系統提供的電信號轉換成光信號，並將光信號發射向被測物體；所述被測物體上塗有的具有回歸反光的特性的高反射率材料使光信號主要沿原路返回；所述光電器件將接收反射的光信號轉變成電信號；所述電路系統通過測量光信號從發光器件發出到光電器件接受到的時間差，計算出光路的距離。其大大地提高了測距的準確度。通過普通單色光測距，可以降低系統的實現成本，還可以極大地改進其性能。
文檔編號G01S17/08GK101101334SQ20061009099
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月6日 優先權日2006年7月6日
發明者李代甫 申請人:李代甫