Лазерный дальномер Российский патент 2021 года по МПК G01C3/08 G01S17/02 

Изобретение относится к лазерной локации, а именно, к импульсным лазерным дальномерам и локаторам.

Известны системы импульсной лазерной локации, содержащие импульсный лазер и фотоприемник, а также схему измерения задержки отраженного сигнала, предназначенные для измерения дальности до удаленных объектов [1].

Особенность таких систем широкий амплитудный диапазон сигналов, отраженных от объектов на малых и больших расстояниях. Это приводит к перегрузкам приемного тракта и снижает его помехоустойчивость в ближней зоне [2]. Защита от помех, создаваемых посторонними местными объектами и аэрозолями воздушной трассы осуществляется с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и порога (ВАРП) [2], однако эти меры неэффективны при перегрузках первых каскадов приемно-усилительного тракта, вызывающих ухудшение разрешающей способности и точности временной привязки отраженного сигнала [3]. При этом существует риск поражения фотоприемника излучением, отраженным от зеркального объекта. Известно фотоприемное устройство лазерного дальномера [4], в котором указанный недостаток устранен за счет введения перед чувствительной площадкой фотоприемника управляемого электрооптического ослабителя, однако такое решение приводит к существенному усложнению устройства и ухудшению отношения сигнал/шум.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазерный дальномер с пробным излучателем [5]. Указанное устройство содержит два излучателя разной мощности со схемами управления, фотоприемник, пороговое устройство с задатчиком стандартного порога, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное с измерителем временных интервалов и со схемой управления более мощным излучателем.

Данная схема выделяет слабые принятые сигналы, например, сигналы, отраженные атмосферными аэрозолями. Поэтому при наличии сигнала обратного рассеяния [2], превышающего стандартный сигнал обратного рассения, формируемый задатчиком, система блокируется и утрачивает способность получать информацию от удаленных объектов.

Задачей изобретения является обеспечение безопасного режима работы фотоприемника при сохранении требуемой вероятности достоверного измерения в широком диапазоне дальностей.

Эта задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем основной и пробный излучатели разной мощности со схемами питания, фотоприемник с объективом, пороговое устройство с задатчиком переменного порога, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, пороговое устройство снабжено задатчиком постоянного порогового уровня U_o, задатчик переменного порога U(Z), где Z - текущее значение дальности, и схема питания основного излучателя связаны с выходом схемы управления, выходная энергия Е₀ пробного излучения ограничена соотношением где D_пр - диаметр объектива фотоприемника, ψ - угол расходимости излучения пробного излучателя, R - дальность до зеркального отражателя, E_min - минимальная принимаемая фотоприемником энергия излучения, Е_пду - предельно допустимый уровень засветки фотоприемника, а переменный порог U(Z) в области действия помехи обратного рассеяния установлен выше огибающей помех обратного рассеяния для всех возможных коэффициентов рассеяния.

Переменный порог может быть обратно пропорционален третьей степени текущей дальности Z.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема лазерного дальномера. Фиг 2 иллюстрирует ход лучей на трассе дальномера. На фиг. 3 приведена осциллограмма помехи обратного рассеяния.

В состав лазерного дальномера входят основной излучатель 1, пробный излучатель 2, фотоприемник с объективом 3, на выходе которого включено пороговое устройство 4 с задатчиком постоянного порога 5 и задатчиком временной автоматической регулировки порога (ВАРП) 6. Выход порогового устройства связан с измерителем временных интервалов (ИВИ) 7 и схемой управления 8, выход которой подключен ко входам задатчика ВАРП 6 и входом «пуск» основного излучателя. Вход «пуск» пробного излучателя 2 связан также со схемой управления 8.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии основной излучатель 1 и задатчик ВАРП 6 заблокированы. При подаче команды «пуск» срабатывает пробный излучатель 2, направляя на выбранный объект импульс зондирующего излучения. Момент излучения t₀ фиксируется измерителем временных интервалов, фотоприемник 3 принимает отраженный объектом импульс. Определяемый задатчиком 5 постоянный порог срабатывания порогового устройства 4, соответствует минимальной пороговой энергии принятого сигнала Е_мин (мощности сигнала Р_мин=Е_мин/t_и, где t_и - длительность импульса). Эти параметры определяются шумами фотоприемника и вероятностями ложного срабатывания и правильного обнаружения [1, 2].

Если в створе зондирующего излучения присутствует зеркальный отражатель (световозвращатель, ретрорефлектор, триппель-призма) с эффективной отражающей поверхностью, достаточной для формирования на фотоприемнике энергии, превышающей уровень Е_мин, то пороговое устройство 4 срабатывает и формирует импульс, временное положение которого t₁ регистрируется измерителем временных интервалов 7, вычисляющим интервал времени Т=t₁-t₀. Дальность R до зеркально отражающего объекта определяют по формуле R=сТ/2, где с - скорость света [1].

Если в створе зондирующего луча нет зеркального отражателя, то пороговое устройство не срабатывает, и схема управления 8 формирует сигналы на запуск задатчика ВАРП 6 и основного излучателя 1. Далее процедура измерения дальности осуществляется в том же порядке, что и при пробном зондировании.

Благодаря описанному порядку работы устройства обеспечивается безопасный уровень засветки фотоприемника отраженными импульсами излучения.

При современном уровне чувствительности фотоприемников Е_мин, близком к теоретически предельному, и массогабаритных ограничениях, предъявляемых к оптике дальномеров, для обеспечения максимальной измеряемой дальности 5-25 км энергия зондирующего излучения Е₀ должна быть не менее 10-20 мДж [2]. Известные дальномеры имеют именно такую выходную энергию лазерного излучения [6]. При таких энергетических соотношениях зеркальный отражатель, перекрывающий пучок излучения (фиг. 2) приводит к облучению фотоприемника энергией, значительно превышающей предельно допустимый уровень Е_пду.

Для наглядности на схеме фиг. 2 ход отраженных лучей условно продолжен в направлении зондирующего излучения. Очевидно, что действующий максимальный диаметр зеркального отражателя D_отр вдвое меньше диаметра приемного объектива D_пр. Исходя из этого, нетрудно определить энергию засветки фотоприемника зеркально отраженным излучением основного лазера с учетом локационного уравнения [1, 2].

где ψ - угол расходимости пучка зондирующего излучения;

R - расстояние до отражателя.

Пример 1

D_пр=40 мм; ψ=10^-3 рад; Е₀=0,01 Дж; R=R_мин=100 м - минимальное расстояние до отражателя, при котором засветка фотоприемника максимальна. Do-rp=Dnp/2=20 мм. При этих данных в соответствии с (1)

Предельно допустимый уровень энергии Е_пду=10^-10 Дж установлен для стандартного фотоприемного устройства ФУО-119 на базе кремниевого лавинного фотодиода [7].

Из неравенства (2) видно, что при наличии на трассе отражателя в условиях примера 1 и на более высоких дальностях R в пределах заданного диапазона измерений фотоприемник будет выведен из строя обратно отраженным излучением основного излучателя.

Формула (1) справедлива и для оценки уровня засветки зеркально отраженным излучением пробного излучателя.

Известен миниатюрный полупроводниковый лазерный излучатель с микроцилиндрической линзой, в данном техническом решении не требующий дополнительной фокусирующей оптики [8]. Параметры этого излучателя: выходная мощность излучения 60 Вт; расходимость пучка излучения 10×10°; длительность импульса 10^-8 с; энергия импульса 60 Вт⋅10^-8 с = 6⋅10^-7 Дж; габариты лазера ∅5,8×4,6; габариты микроцилиндрической линзы ∅1×2.

Согласно (1), для пробного излучателя

Е*пр=7,88⋅10^-13 Дж.

Таким образом, при работе пробного излучателя принимаемый сигнал превышает минимальную принимаемую энергию Е_мин=6⋅10^-16 Дж [7] и не превосходит предельно допустимого уровня Е_пду=10^-10 Дж, что соответствует условию отмеченному в формуле изобретения.

Существенное влияние на работу дальномера оказывает атмосфера. Затухание на трассе выше не учтено, поскольку рассматривался наихудший в смысле уровня вредных засветок случай. Однако в основном режиме работы обратно рассеянное атмосферой излучение лазерного передатчика дальномера может создавать помехи.

Сигнал обратного рассеяния имеет вид [9]:

где Z - расстояние до элементарного рассеивающего объема;

Z' - переменная интегрирования;

A(Z) - аппаратная функция, учитывающая энергетический потенциал и геометрический фактор прибора, обусловленный неполным перекрытием полей излучателя и приемника в ближней зоне;

β_s(Z) и β_t(Z') - усредненные профили объемных коэффициентов рассеяния и ослабления; для ориентировочной оценки можно считать β_s(Z)=β_t(Z')=3/V;

V - метеорологическая дальность видимости;

g_π(Z) - усредненный профиль лидарного отношения (нормированного коэффициента обратного рассеяния, определяемого индикатрисой рассеяния); можно принять g_π(Z)=1/8π [9].

Для среднего значения β(Z)=β из (3) следует:

где A*(Z) - нормированная функция A(Z); A*(Z) ~1 при Z ~ 100 м;

Е_o - энергия зондирующего сигнала;

β - средний коэффициент рассеяния;

с - скорость света;

D - диаметр приемного объектива;

τ_o - коэффициент пропускания приемной оптики.

Производная (4) по β

Из равенства (5) нулю следует условие максимума P(Z) в каждом сечении трассы зондирования.

где П и П* - постоянные коэффициенты, определяемые энергетическим потенциалом аппаратуры.

Эффективная протяженность помехи обратного рассеяния не превышает 1 км. На фиг. 3 приведен пример такой помехи (цена горизонтального деления равна 1 мкс, что соответствует 150 м в масштабе Z. В ближней зоне помеха обратного рассеяния ограничена аппаратной функцией дальномера [2]. Поэтому реально зависимость (6) следует реализовывать с помощью переменной составляющей порога в области действия помехи обратного рассеяния в сравнительно узких пределах от 100 до 1000 м.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец лазерного дальномера.

Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований во всех заданных условиях эксплуатации.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает безопасный режим работы фотоприемника при сохранении требуемой вероятности достоверного измерения в широком диапазоне дальностей.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - с. 213.

2. В.Г. Вильнер и др. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. М.: Фотоника. 2013, №3. - С. 42-60.

3. В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. М: Мир измерений. 2010, №7. - С.17-21.

4. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.

5. Laser measurement system. US pat. No 4,657,382. - прототип.

6. Simrad LP7. Jane's Electro-Optic Systems 2003-2004, p. 355.

7. Фотоприемное устройство одноэлементное ФУО-119-01 ОС2.003.030ТУ.

8. В.Г. Вильнер и др. Новые методы повышения энергии зондирующего излучения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров. Казань: КГЭУ, Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. Электроэнергетика. №11-12, 2013. - С. 33-37.

9. Вопросы лазерного зондирования атмосферы. [Сборник статей / АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т оптики атмосферы; Отв. ред. чл.-кор. АН СССР В.Е. Зуев. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976. - 189 с.

Лазерный дальномер, содержащий основной и пробный излучатели разной мощности со схемами питания, фотоприемник с объективом, пороговое устройство с задатчиком переменного порога, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, пороговое устройство снабжено задатчиком постоянного порогового уровня U_o, задатчик переменного порога U(Z), где Z - текущее значение дальности, и схема питания основного излучателя связаны с выходом схемы управления, выходная энергия Е₀ пробного излучения ограничена соотношением где D_пр - диаметр объектива фотоприемника, ψ - угол расходимости излучения пробного излучателя, R - дальность до зеркального отражателя, E_min - минимальная принимаемая фотоприемником энергия излучения, Е_пду - предельно допустимый уровень засветки фотоприемника, а переменный порог U(Z) в области действия помехи обратного рассеяния установлен выше огибающей помех обратного рассеяния для всех возможных коэффициентов рассеяния. Переменный порог может быть обратно пропорционален третьей степени текущей дальности Z. Технический результат состоит в обеспечении безопасного режима работы фотоприемника при сохранении требуемой вероятности достоверного измерения в широком диапазоне дальностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный дальномер, содержащий основной и пробный излучатели разной мощности со схемами питания, фотоприемник с объективом, пороговое устройство с задатчиком переменного порога, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, отличающийся тем, что пороговое устройство снабжено задатчиком постоянного порогового уровня U_o, задатчик переменного порога U(Z), где Z - текущее значение дальности, и схема питания основного излучателя связаны с выходом схемы управления, выходная энергия Е₀ пробного излучения ограничена соотношением где D_пр - диаметр объектива фотоприемника, ψ - угол расходимости излучения пробного излучателя, R - дальность до зеркального отражателя, E_min - минимальная принимаемая фотоприемником энергия излучения, Е_пду - предельно допустимый уровень засветки фотоприемника, а переменный порог U(Z) в области действия помехи обратного рассеяния установлен выше огибающей помех обратного рассеяния для всех возможных коэффициентов рассеяния.

2. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что переменный порог обратно пропорционален третьей степени текущей дальности Z.