ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2009 года по МПК G01C3/08 G01S17/10 

Изобретение относится к техническим средствам измерения расстояния до различных предметов на местности с использованием излучения лазеров.

Известны оптико-локационные устройства, в которых значение расстояния от этого устройства до предмета на местности (дальность) определяется путем измерения временнóго интервала между излученным оптическим импульсом и отраженным оптическим сигналом, прошедшим измеряемое расстояние [1, стр.51-55].

При наличии отражений оптического излучения от объектов, расположенных перед предметом, до которого измеряется расстояние (ветки деревьев, кустарник и т.п.), а также позади указанного выше предмета (склон холма, лес и др.), может возникнуть несколько отраженных сигналов, поэтому необходимо выбрать правильный отсчет.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является схема исключения фона при измерении дальности, представленная на рисунке 2.6, а [1, стр.55-56]. Схема состоит из импульсного лазера, формирующей оптической системы, зеркала, приемной оптической системы, двух фотоприемников, генератора тактовых импульсов, трех ключевых схем, счетчика импульсов, промежуточного и оконечного блоков памяти, считывающего устройства и индикатора.

Импульсы излучения с оптического выхода лазера через формирующую оптическую систему направляются в сторону предмета, до которого измеряется расстояние. Часть лазерного излучения, ответвленная зеркалом, проходит на первый фотоприемник, выход которого электрически связан с одним из входов счетчика импульсов. Счетные импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов и поступают на счетчик через первую ключевую схему.

Отраженные оптические сигналы через приемную оптическую систему поступают на второй фотоприемник, выход которого через промежуточный блок памяти и три ключевые схемы связан со вторым входом счетчика импульсов. Каждое число импульсов между моментом запуска счетчика и моментами формирования сигналов с выхода фотоприемника переносится из счетчика в промежуточный блок памяти, а счетчик продолжает счет. При заполнении счетчика счет останавливается, последнее число, поступившее в промежуточный блок памяти, переводится в оконечный блок памяти и далее поступает на считывающее устройство и индикатор. В результате на индикаторе отображается значение максимальной измеренной дальности и исключаются все прочие результаты, хранящиеся в промежуточном блоке памяти.

Наличие в рассматриваемой схеме зеркала и первого фотоприемника не является принципиальным, поскольку информация о времени излучения импульса лазера может быть получена непосредственно с электрической схемы включения лазера.

При наличии отражения излучения от объектов, расположенных позади предмета, до которого измеряется расстояние, может быть получен результат измерения расстояния до одного из этих объектов, т.е. отсчет будет неправильным. Чтобы исключить такие результаты, линейные размеры пятна излучения на предмете в плоскости, перпендикулярной линии визирования, не должны превышать размеров предмета. Например, чтобы измерить дальность до человека (минимальный размер порядка 0,5 м) на расстоянии 1000 м, необходимо обеспечить расходимость излучения, не превышающую 0,5/1000=0,0005 рад.

В рассмотренном дальномере можно использовать лазеры разных типов, но из соображений наиболее высокого коэффициента полезного действия, минимальных габаритов и энергопотребления целесообразно применять импульсные полупроводниковые лазеры. Излучающая площадка импульсного полупроводникового лазера представляет собой активную область p-n-перехода и имеет высоту 1...2 мкм и длину 0,1...1,5 мм [2, стр.78]. Например, для полупроводникового лазера ИЛПН-112 размеры излучающей площадки составляют 0,002×0,15 мм [3, стр.4].

В качестве формирующей оптической системы применяется объектив, проецирующий изображение излучающей площадки лазера в плоскость предмета, до которого измеряется расстояние. Для обеспечения расходимости пучка лазерного излучения 0,0005 рад (на выходе объектива) и применительно к полупроводниковому лазеру ИЛПН-112 необходимо, чтобы фокусное расстояние объектива было не менее значения 0,15/0,0005=300 мм. Оптическая система с таким фокусным расстоянием имеет большие габариты и неприемлема для использования в малогабаритных прицелах, биноклях и т.п.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание малогабаритного лазерного дальномера на основе импульсных полупроводниковых лазеров, в котором исключено влияние на результат измерения помех от объектов, расположенных перед предметом, до которого измеряется расстояние, а также позади указанного предмета.

Технический результат заключается в повышении достоверности измерения дальности до малоразмерного предмета.

Указанный технический результат достигается с помощью лазерного дальномера, содержащего первый импульсный полупроводниковый лазер; формирующую оптическую систему; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов через ключевую схему; приемную оптическую систему; фотоприемник; считывающее устройство, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, и индикатор; согласно изобретению в устройство дополнительно введены второй импульсный полупроводниковый лазер, светоделитель, две линии задержки и схема совпадения; излучающие площадки первого и второго импульсных полупроводниковых лазеров ориентированы таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поперечное сечение пучка излучения представляет собой плоскую фигуру, симметричную относительно центра, причем границы этой фигуры образованы пересечением двух овалов, большие оси симметрии которых перпендикулярны; электрический вход первого импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу первой линии задержки и к входу «СТАРТ» счетчика импульсов, а электрический вход второго импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу ключевой схемы; к этому же выходу ключевой схемы подключен вход первой линии задержки, при этом электрический выход фотоприемника подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения; второй вход схемы совпадения подключен к выходу второй линии задержки; выход схемы совпадения подключен к входу «СТОП» счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства. Фиг.2 иллюстрирует сечение пучка лазерного излучения в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе предмета, до которого измеряется расстояние, а также расположение объектов, расположенных перед предметом, до которого измеряется расстояние, и позади указанного выше предмета. На фиг.3 показаны эпюры импульсных последовательностей на функциональных элементах устройства.

Лазерный дальномер (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 импульсные полупроводниковые лазеры, установленные с двух сторон светоделителя 3. Последовательно со светоделителем 3 размещена формирующая оптическая система 4. Электрический вход первого лазера 1 подключен к выходу первой линии задержки 5, туда же подключен вход «СТАРТ» счетчика импульсов 6. Кроме входа «СТАРТ», счетчик импульсов 6 имеет еще три входа: «ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ», «СБРОС», «СТОП», а также один выход «КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ».

Вход счетчика импульсов 6 «ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ» присоединен к выходу генератора тактовых импульсов 7. Электрический вход второго лазера 2 подключен к выходу ключевой схемы 8, к которому подключен вход первой линии задержки 5. На вход ключевой схемы 8 поступает сигнал измерения дальности. Этот же сигнал подается на вход «СБРОС» счетчика импульсов 6.

Последовательно с приемной оптической системой 9 установлен фотоприемник 10, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки 11 и к первому входу схемы совпадения 12. Время задержки импульсов в первой линии задержки 5 и второй линии задержки 11 одинаково. Второй вход схемы совпадения 12 подключен к выходу второй линии задержки 11. Выход схемы совпадения 12 подключен к входу «СТОП» счетчика импульсов 6. Выход счетчика импульсов 6 «КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ» подключен к входу считывающего устройства и индикатора 13.

Излучающая площадка первого лазера 1 размещена в фокальной плоскости формирующей оптической системы 4 и при этом бóльшая сторона площадки параллельна плоскости чертежа на фиг.1. Излучающая площадка второго лазера 2 также размещена в фокальной плоскости формирующей оптической системы 4, бóльшая сторона площадки перпендикулярна плоскости чертежа на фиг.1.

На фиг.2 в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе малоразмерного предмета 14, до которого измеряется расстояние, поперечное сечение пучка излучения 15 от первого лазера 1 (фиг.1) показано в виде плоской фигуры, границы которой представляют в общем случае овал. Для второго лазера 2 поперечное сечение пучка излучения имеет вид, обозначенный позицией 16. Поперечное сечение пучка излучения от обоих лазеров представляет собой плоскую фигуру, симметричную относительно центра, причем границы этой фигуры образованы пересечением двух овалов, большие оси симметрии которых перпендикулярны. На фиг.2 также условно показан объект 17, расположенный перед предметом, до которого измеряется расстояние, и объект 18, расположенный позади указанного выше предмета.

В рассматриваемом варианте устройства линейный размер большой оси овала, определяющий зону наличия излучения, может превышать линейный размер объекта. Поэтому в качестве формирующей оптической системы 4 можно использовать объектив, имеющий существенно меньшее фокусное расстояние по сравнению со случаем, рассмотренным на странице 2-3 настоящего описания. Практически фокусное расстояние объектива может быть уменьшено в 3-4 раза и более. Таким образом можно применить рассматриваемый лазерный дальномер в малогабаритных прицелах, биноклях и подобных приборах.

Все элементы, входящие в лазерный дальномер, являются известными. В качестве импульсных полупроводниковых лазеров 1 и 2 могут быть использованы лазерные диоды, например, типа PGEW1S09 фирмы Perkin Elmer, в качестве фотоприемника 10 - любой высокочувствительный фотодиод, например фотодиод С30724 фирмы EG&G, Canada. В качестве светоделителя 3 может быть применена склейка из двух призм АР-90°, при этом у одной из призм на гипотенузную грань нанесено светоделительное покрытие, например многослойное поляризационное. При этом пучки излучения от двух лазеров будут объединяться практически без потерь. Формирующая оптическая система 4 и приемная оптическая система 9 представляют собой линзовые объективы. Первая линия задержки 5, счетчик импульсов 6, генератор тактовых импульсов 7, ключевая схема 8, вторая линия задержки 11, схема совпадения 12, считывающее устройство и индикатор 13 представляют собой типовые электронные узлы и могут быть реализованы на стандартной электронной элементной базе.

Устройство работает следующим образом. Генератор тактовых импульсов 7 (фиг.1) вырабатывает последовательность импульсов 19, показанную на фиг.3. Внешний сигнал измерения дальности с пульта управления (на фиг.1 не показан) сбрасывает предыдущее показание счетчика импульсов 6 и подается на ключевую схему 8, на выходе которой формируется импульс 20, поступающий на первую линию задержки 5 и второй лазер 2. Задержанный на время τ₁ импульс 21 с первой линии задержки 5 подается на первый лазер 1 и запускает счетчик импульсов 6, формирующий последовательность импульсов 22. Лазеры 1 и 2 излучают оптические импульсы, которые пространственно объединяются на светоделителе 3, проходят через формирующую оптическую систему 4. Излучение направляется в сторону предмета 14, до которого измеряется расстояние, причем центр пучка излучения (геометрический центр суперпозиции двух овалов на фиг.2) совмещается с центром предмета 14.

Оптическое излучение лазеров 1 и 2 диффузно отражается как от предмета 14, до которого измеряется расстояние, так и от посторонних предметов 17 и 18. Часть отраженного излучения проходит через приемную оптическую систему 9 и поступает на оптический вход фотоприемника 10. Импульсы 23 и 26 на электрическом выходе фотоприемника 10 обусловлены соответственно отражениями излучения второго лазера 2 (от ближе расположенного объекта 17) и первого лазера 1 (от далее расположенного объекта 18). Импульсы 24, 25 обусловлены отражениями излучения соответственно второго 2 и первого 1 лазеров от предмета 14, до которого измеряется расстояние.

На выходе второй линии задержки 11 будут сформированы импульсы 23а...26а, задержанные относительно импульсов 23...26 на время τ₁. На выходе схемы совпадения 12 возникнет импульс 27. Этот импульс остановит счетчик импульсов 6, на выходе которого формируется число "n", пропорциональное измеренной дальности и поступающее на считывающее устройство и индикатор 13. В результате на индикаторе отобразится значение измеренной дальности.

Как следует из приведенного выше описания работы дальномера, наличие помех (отражений от посторонних предметов) не приведет к ошибкам измерения дальности.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата - повышение достоверности измерения дальности до малоразмерного предмета.

Источники информации

1. Молебный В.В. Оптико-локационные системы. - М.: Машиностроение, 1981. - 181 с., ил.

2. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин B.C. Источники и приемники излучения. - М.: Машиностроение, 1982. - 222 с., ил.

3. Излучатели ИЛПН-112. Технические условия АЩПК.433750.005 ТУ. 1989. - 73 с.

Лазерный дальномер содержит первый импульсный полупроводниковый лазер, формирующую оптическую систему, генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов, ключевую схему, приемную оптическую систему, фотоприемник, считывающее устройство и индикатор. При этом в указанный дальномер дополнительно введены второй импульсный полупроводниковый лазер, светоделитель, две линии задержки и схема совпадения. Технический результат - повышение достоверности измерения дальности до малоразмерного предмета. 3 ил.

Лазерный дальномер, содержащий первый импульсный полупроводниковый лазер, формирующую оптическую систему, генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов, ключевую схему, приемную оптическую систему, фотоприемник, считывающее устройство, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, и индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй импульсный полупроводниковый лазер, светоделитель, две линии задержки и схема совпадения, излучающие площадки первого и второго импульсных полупроводниковых лазеров ориентированы таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поперечное сечение пучка излучения представляет собой плоскую фигуру, симметричную относительно центра, причем границы этой фигуры образованы пересечением двух овалов, большие оси симметрии которых перпендикулярны, при этом вход счетчика импульсов присоединен к выходу генератора тактовых импульсов, на вход ключевой схемы и вход «СБРОС» счетчика импульсов поступает внешний сигнал измерения дальности, электрический вход первого импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу первой линии задержки и к входу «СТАРТ» счетчика импульсов, а электрический вход второго импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу ключевой схемы; к этому же выходу ключевой схемы подключен вход первой линии задержки, при этом электрический выход фотоприемника подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения; второй вход схемы совпадения подключен к выходу второй линии задержки; выход схемы совпадения подключен к входу «СТОП» счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково.