Лазерный дальномер с пробным излучателем 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.

Как указано в данном источнике, излучение основного и пробного излучателей формируется в параллельных пучках с малой расходимостью.

В такой схеме при наведении на цель оси приемного канала, совмещенной с осью визира, существует вероятность а) непопадания пробного излучения на зеркальный отражатель, местоположение которого неизвестно из-за его малых размеров; б) непопадания зеркально отраженного излучения в апертуру приемного канала. В обоих случаях наличие зеркального отражателя не может быть зарегистрировано пороговым устройством, и при включении основного излучателя от зеркально отраженного изучения высокой мощности может разрушиться фотоприемник.

Задачей изобретения является обеспечение безопасного режима работы фотоприемника при сохранении требуемой достоверности измерений в широком диапазоне дальностей.

Эта задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере с пробным излучателем, содержащим основной и пробный излучатели разной мощности со схемами запуска, фотоприемный канал, включающий фотоприемник с объективом, пороговое устройство, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, в состав пробного излучателя введен лазерный диод с размерами излучающей площадки a×b и расходимостью лазерного пучка θ_а и θ_b соответственно в направлении габаритов а и b, перед излучающей площадкой установлена цилиндрическая микролинза с апертурным углом в поперечном сечении микролинзы, превышающим максимальную расходимость лазерного пучка на выходе лазерного диода, и с фокусным расстоянием, обеспечивающим минимальное отношение расходимостей пучка после нее θ_а*/θ_b* ~ 1, после цилиндрической микролинзы введен микроколлиматор, обеспечивающий расходимость θ* на выходе пробного излучателя согласно условию , где R_макс - верхняя граница диапазона измеряемых дальностей; D₀ - диаметр приемного объектива; Е₀* - энергия излучения пробного излучателя; Е_мин - минимальная принимаемая энергия фотоприемника, при этом расстояние В между осями основного и пробного излучателей должно отвечать условию .

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема лазерного дальномера. На фиг. 2 приведена оптическая схема дальномера. Фиг. 3 иллюстрирует ход лучей на трассе дальномера (фиг. 3а - для отражателя в виде зеркала; фиг. 3б - для отражателя в виде ретрорефлектора).

В состав лазерного дальномера входят основной излучатель 1, пробный излучатель 2 с входом «пуск*», фотоприемный канал 3, на выходе которого включено пороговое устройство 4. Выход порогового устройства связан с измерителем временных интервалов (ИВИ) 5 и схемой управления 6, выход которой подключен ко входу «пуск» основного излучателя. Фотоприемный канал содержит фотоприемник 7 с объективом 8 (фиг. 2) Пробный излучатель содержит лазерный диод 9, цилиндрическую микролинзу 10 и микроколлиматор 11.

Устройство работает следующим образом.

Команда на измерение подается на пробный излучатель сигналом «пуск*». В исходном состоянии основной излучатель 1 заблокирован. При подаче команды «пуск*» срабатывает пробный излучатель 2, направляя на выбранный объект импульс зондирующего излучения. Момент излучения t₀ фиксируется измерителем временных интервалов 5, фотоприемник 7 принимает отраженный объектом импульс. 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 (зеркало, 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 5, 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 формирует сигнал на запуск основного излучателя 1. Далее процедура измерения дальности осуществляется в том же порядке, что и при пробном зондировании.

Благодаря описанному порядку работы, определяемому структурой 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.

Очевидно, что действующий максимальный диаметр зеркального отражателя D_отр вдвое меньше диаметра приемного объектива D_пр. Из построений на фиг. 3, можно определить энергию засветки фотоприемника зеркально отраженным излучением основного лазера с учетом локационного уравнения [1, 2].

где θ - угол расходимости пучка зондирующего излучения;

- угол, стягиваемый отражателем;

R - расстояние до отражателя.

Пример 1.

D_пр=40 мм; θ=10^-3 рад; Е₀=0,01 Дж; R=R_мин=100 м - минимальное расстояние до отражателя, при котором засветка фотоприемника максимальна.

D_отр=D_пр/2=20 мм. При этих данных в соответствии с (1)

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

Из неравенства (2) видно, что в условиях примера 1 и на более высоких дальностях R в пределах заданного диапазона измерений до 20000 м и более фотоприемник будет выведен из строя при наличии на трассе зондирования зеркального отражателя.

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

Из нее следует условие достаточности параметров пробного канала для обнаружения зеркального отражателя в пределах всего диапазона измеряемых дальностей

, откуда расходимость излучения пробного излучателя

с выходной энергией Е₀*

где Е_мин - чувствительность приемника (минимальная принимаемая энергия) Известен миниатюрный полупроводниковый лазерный излучатель с микроцилиндрической линзой [8]. Параметры этого излучателя: выходная мощность излучения 60 Вт; расходимость пучка излучения 10×10°; длительность импульса 10^-7 с; энергия импульса 60⋅10^-7=6⋅10^-6 Дж; габариты излучающей площадки, а=200 мкм; b=10 мкм; габариты лазера ∅5,8×4,6; габариты микроцилиндрической линзы ∅1×2.

Пример 2.

D₀=40 мм; Е₀*=6⋅10^-7 Дж; R=R_макс=20000 м - максимальное расстояние до отражателя; минимальная принимаемая энергия [7] Е_мин=6⋅10^-16 Дж.

Тогда, согласно (3), для пробного излучателя θ*≤0,0316 рад (1,81°).

Такая расходимость обеспечивается при фокусном расстоянии микроколлиматора

F_мк=а/θ*=0,2/0,0316 = 6,3 мм.

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 .

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. B.A. 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.

Изобретение относится к лазерной локации, к импульсным лазерным дальномерам и локаторам. Технический результат изобретения состоит в обеспечении безопасного режима работы фотоприемника при сохранении требуемой вероятности достоверного измерения в широком диапазоне дальностей. Лазерный дальномер с пробным излучателем, содержащий основной и пробный излучатели разной мощности со схемами запуска, фотоприемный канал, включающий фотоприемник с объективом, пороговое устройство, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, в состав пробного излучателя введен лазерный диод, перед излучающей площадкой установлена цилиндрическая микролинза с апертурным углом в поперечном сечении микролинзы, превышающим максимальную расходимость лазерного пучка на выходе лазерного диода, и с фокусным расстоянием, обеспечивающим минимальное отношение расходимостей пучка после нее, после цилиндрической микролинзы введен микроколлиматор, обеспечивающий расходимость на выходе пробного излучателя. 3 ил.

Лазерный дальномер с пробным излучателем, содержащий основной и пробный излучатели разной мощности со схемами запуска, фотоприемный канал, включающий фотоприемник с объективом, пороговое устройство, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, отличающийся тем, что в состав пробного излучателя введен лазерный диод с размерами излучающей площадки a×b и расходимостью лазерного пучка θ_а и θ_ь соответственно в направлении габаритов а и b, перед излучающей площадкой установлена цилиндрическая микролинза с апертурным углом в поперечном сечении микролинзы, превышающим максимальную расходимость лазерного пучка на выходе лазерного диода, и с фокусным расстоянием, обеспечивающим минимальное отношение расходимостей пучка после нее θ_а*/θ_b* ~ 1, после цилиндрической микролинзы введен микроколлиматор, обеспечивающий расходимость θ* на выходе пробного излучателя согласно условию , где R_макс - верхняя граница диапазона измеряемых дальностей; D₀ - диаметр приемного объектива; Е₀* - энергия излучения пробного излучателя; Е_мин -минимальная принимаемая энергия фотоприемника, при этом расстояние В между осями основного и пробного излучателей должно отвечать условию