Способ локационного измерения дальности Российский патент 2022 года по МПК G01C3/08 

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

Известны системы импульсной лазерной локации, измеряющие дальность до удаленных объектов (целей) путем измерения временной задержки отраженного объектом зондирующего лазерного импульса [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 техническое решение [4], в котором указанный недостаток устранен за счет управления величиной принимаемого сигнала с помощью электрооптического ослабителя, однако такое решение приводит к существенному усложнению устройства и ухудшению отношения сигнал/шум.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ [5] локационного измерения дальности путем зондирования цели пробным импульсом малой энергии Ε₁ и приема отраженного целью сигнала, а в случае отсутствия отраженного сигнала - повторным зондированием цели импульсом номинальной энергии Е₂ с определением дальности R до цели по задержке отраженного сигнала Τ относительно момента излучения зондирующего импульса с помощью формулы R=сТ/2, где с - скорость света.

Как указано в данном источнике, основное и пробное излучения формируются в параллельных пучках, образуемых независимыми оптическими каналами. При этом имеют место различия в теневых зонах (аппаратных функциях, геометрических факторах) [2] основного и пробного каналов, вследствие чего существование зеркального отражателя не всегда может быть зарегистрировано в приемном канале дальномера, и при включении основного излучателя от зеркально отраженного изучения высокой мощности может разрушиться фотоприемник. Кроме того, при таком решении перегрузки от диффузно отражающих целей хотя и не превышают предельно допустимого уровня, однако ведут к искажениям принятого сигнала, отрицательно влияющим на точность измерений [2, 3].

Задачей изобретения является обеспечение безопасного режима работы фотоприемника в широком диапазоне дальностей при высокой точности измерений.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе локационного измерения дальности путем зондирования цели пробным импульсом малой энергии Е₂ и приема отраженного целью сигнала, а в случае отсутствия отраженного сигнала - повторным зондированием цели импульсом номинальной энергии Ε₁ с определением дальности R до цели по задержке отраженного сигнала Τ относительно момента излучения зондирующего импульса, предварительно совмещают оси зондирующих пучков излучения, устанавливают энергию пробного импульса излучения де ψ₂ - угол расходимости пучка пробного зондирующего излучения; R_oтp - дальность до зеркального отражателя; D_отp - эффективный диаметр зеркального отражателя; E_пор1 - порог чувствительности приемного канала, устанавливают коэффициент передачи приемного канала так, чтобы сигнал от диффузно отражающей цели на минимальной дальности, соответствующий зондированию пробным импульсом, находился в линейном диапазоне, затем производят пробное зондирование, при наличии отраженного сигнала определяют его задержку Τ относительно зондирующего импульса и вычисляют дальность до цели по формуле R=сТ/2, где с - скорость света, при этом цель считают зеркальным отражателем и прекращают процесс измерения, а при отсутствии отраженного сигнала производят излучение импульса энергией Ε₁, принимают отраженное излучение одновременно двумя приемными каналами с порогами чувствительности Ε_пор1 и Е_пор2, причем, Е_пор2/Ε_пор1=Q_пор=10…100 и, если отраженный сигнал зарегистрирован только основным приемным каналом с чувствительностью Ε_пор1, то определяют дальность до цели по задержке Τ принятого сигнала относительно зондирующего импульса энергией Ε₁, а при регистрации сигнала обоими приемными каналами определяют дальность до цели по задержке сигнала, принятого каналом с меньшей чувствительностью, относительно зондирующего импульса энергией Е₂, при этом Q_изл⋅Q_пор ≥ Q, где

ψ₁ и ψ₂ - угловая расходимость основного и дополнительного пучков излучения;

Ε₁ и Е₂ - энергия соответствующих зондирующих импульсов;;

Q - величина динамического диапазона отраженных сигналов.

Устройство для реализации указанного способа включает в себя основной излучатель, дополнительный излучатель, основной фотоприемник с объективом, измеритель временных интервалов, при этом дополнительный излучатель установлен соосно с основным излучателем, за объективом соосно с основным фотоприемником введен дополнительный фотоприемник, на выходах фотоприемников включены схемы временной фиксации, между основным фотоприемником и схемой временной фиксации введен ключ, выходы схем временной фиксации подключены ко входам измерителя временных интервалов, связанного с блоком управления, выходы которого подключены к управляющим входам основного излучателя и ключа.

Оси основного и дополнительного излучателей совмещены с помощью диагонального зеркала. Оси основного и дополнительного фотоприемников совмещены с помощью другого диагонального зеркала.

Диагональные зеркала могут перекрывать часть совмещаемых световых пучков.

Диагональные зеркала могут быть полупрозрачными светоделителями.

Дополнительные излучатель и фотоприемник могут иметь рабочую длину волны, отличающуюся от длины волны основных излучателя и фотоприемника.

Диагональные зеркала могут быть дихроичными светоделителями.

Основной излучатель может быть снабжен телескопом, при этом дополнительный излучатель со своим диагональным зеркалом может быть расположен между оптическими компонентами телескопа.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема лазерного дальномера, реализующего способ. На фиг 2 а)-д) приведена циклограмма способа. На фиг. 3 приведена оптическая схема дальномера при положении дополнительного излучателя вне телескопа (фиг. 3а) и между компонентами телескопа (фиг. 3б).

Устройство для реализации указанного способа (фиг. 1) включает в себя основной излучатель 1, дополнительный излучатель 2, основной фотоприемник 3, дополнительный фотоприемник 4. На выходах фотоприемников включены схемы временной фиксации 5 и 6. Между основным фотоприемником 3 и схемой временной фиксации 5 установлен ключ 7. Выходы схем временной фиксации подключены ко входам измерителя временных интервалов 8, связанного с блоком управления 9, выходы которого подключены к управляющим входам основного излучателя 1 и ключа 7.

На фиг. 3 представлены вариант совмещения оптических осей с помощью наклонных зеркал 10 в приемном канале и 11 в передающем канале. Основной излучатель 1 может быть снабжен телескопом 12, а дополнительный излучатель 2 - микроколлиматором 13. Перед основным приемником может быть введен узкополосный фильтр 14.

Способ осуществляется в следующем порядке.

В первом цикле (фиг. 2а) подачей сигнала «Пуск*» в момент времени t₁, излучают зондирующий импульс энергией Е₂ с помощью дополнительного излучателя 2. Ключ 7 при этом закрыт. Принимают отраженный целью сигнал с помощью дополнительного фотоприемника 4, фиксируют его временное положение с помощью схемы временной фиксации 6 и определяют задержку Τ относительно зондирующего импульса с помощью измерителя временных интервалов 8. По этой задержке судят о дальности R до цели по формуле R=сТ/2, где с - скорость света. На этом заканчивают процедуру измерения, делая при этом вывод о наличии зеркального отражателя на измерительной трассе.

При отсутствии отраженного сигнала, фиксируемом измерителем временных интервалов, например, путем фиксации переполнения счетчика времени, по команде от блока управления 9 открывают ключ 7 и в момент времени t₂ (фиг. 2а)-д) подают команду «пуск» на основной излучатель 1, тем самым запуская излучение мощного зондирующего импульса энергией Ε₁.

После этого принимают отраженный целью сигнал по обоим приемным каналам 3 и 4. Если сигнал присутствует в обоих каналах (фиг. 2б) и фиг. 2в), в измерителе временных интервалов обрабатывают только его задержку, зафиксированную схемой временной фиксации 6, связанной с дополнительным фотоприемником. Это гарантирует от ошибок, связанных с перегрузкой главного фотоприемника (фиг. 2в) и обеспечивает высокую точность измерения. Отсутствие отраженного сигнала в канале фотоприемника 4 свидетельствует о том, что амплитуда сигнала в канале фотоприемника 3 находится в пределах линейного диапазона (фиг. 2г) и фиг. 2д). На данном основании производят временную фиксацию этого сигнала, измеряют его задержку с помощью измерителя временных интервалов и по ней судят о дальности до цели.

Описанный порядок работы обеспечивает достоверность и точность измерений при соблюдении постоянства отношения энергетических освещенностей цели основным и дополнительным излучателями.

где ψ₁ и ψ₂ - угловая расходимость основного и дополнительного пучков излучения;

Ε₁ и Е₂ - энергия соответствующих зондирующих импульсов;

Q_изл - константа.

Для соблюдения указанного равенства во всем диапазоне измеряемых дальностей необходимо совмещение зондирующих пучков излучения. Это обеспечивается путем совмещения осей этих пучков с помощью диагонального зеркала. На фиг. 3 приведена оптическая схема дальномера с такой конфигурацией передающих каналов. Диагональное зеркало может быть введено на выходе основного излучателя (фиг. 3а). В этом случае дополнительный излучатель может быть снабжен микроколлиматором 13 для обеспечения необходимой расходимости ψ₂ его излучения на выходе дальномера [8]. При размещении дополнительного излучателя в составе телескопа 12 для этого может быть использован положительный компонент телескопа (фиг. 3б).

При работе основного и дополнительного каналов на разной длине волны диагональные зеркала могут быть выполнены в виде дихроичных фильтров, что позволяет существенно увеличить коэффициент передачи в каждом из каналов. В этом случае дополнительный приемник не влияет на характеристики основного канала, и перед основным фотоприемником может быть введен узкополосный фильтр 14, защищающий его от яркого фона. Дополнительный фотоприемник с меньшей чувствительностью обычно в такой защите не нуждается, однако схема фиг. 3б) предусматривает и такую возможность.

Параметры передающих и приемных каналов должны обеспечить максимальное использование линейных участков. Основной фотоприемник должен обладать максимальной чувствительностью. Эту возможность обеспечивают кремниевые лавинные фотодиоды и фотодиоды группы А₃В₅ [6, 7]. Линейный диапазон таких устройств ограничен линейностью ампер-ваттной характеристики фотодиода, влиянием паразитных емкостей и линейностью усилительного тракта, ограниченной уровнем питающего напряжения. Реальный линейный диапазон существующих фотоприемных устройств не превышает 10³-10⁴. Отношение порогов чувствительности Ε_пор1 и Ε_пор2 дополнительного и основного фотоприемников с учетом коэффициента передачи светоделителя (наклонного зеркала) Q_пор=Ε_пор1/Ε_пор2 может быть в пределах от 10 до 1000.

Таким образом, для обеспечения широкого линейного диапазона при обработке отраженных сигналов необходимо выполнение условия

где Q - величина динамического диапазона отраженных сигналов.

Пример 1. Q_изл=200; Q_пор=100. Максимальная и минимальная измеряемые дальности R_макс=10000 м; R_мин=100 м.

Q~(R_макс/R_мин)²=100²=10⁴.

О_изл⋅Q_пор=2⋅10≥Q=10⁴.

Эффективность способа подтверждается примерами.

Пример 2. Зеркально отражающая цель диаметром D_отр=D_пр/2=0,02 м, где D_пр - световой диаметр объектива. R=100…10000 м. Ε₁=10^-5 Дж; ψ₁=10 мрад. Ε_пор1=10^-15 Дж=1 фДж.

Величина отраженного сигнала определяется по формуле [1, 2]

где ψ - угол расходимости пучка зондирующего излучения;

- угол, стягиваемый отражателем;

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Во всем диапазоне дальностей величина зеркально отраженного излучения в пробном канале с запасом превышает порог чувствительности приемника, чем обеспечивается функционирование дополнительного канала. Вместе с тем, данный уровень засветки не превышает предельно допустимого уровня для дополнительного канала. Все это является гарантией защиты высокочувствительно основного фотоприемника.

Одновременно предлагаемое решение позволяет расширить линейный диапазон, а, следовательно, обеспечить высокую точность измерений как в дальней, так и в ближней зоне диапазона измеряемых дальностей.

Для крупноразмерных целей с высоким коэффициентом яркости и при высокой прозрачности атмосферы основное локационное уравнение имеет вид [2]

Пример 2. Диффузная цель. D_np=0,04 м; Ε₁=10^-5 Дж.

Рассчитанные значения Ε_пр1 лежат в линейном диапазоне дополнительного приемника. На дальностях более 1000 м чувствительности Ε_пор1 может быть недостаточно для однозначного выделения сигнала дополнительного канала, но в этом диапазоне входит в линейный диапазон основной канал (см. фиг. 2б), в).

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец лазерного дальномера. Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований по точности во всем диапазоне дальностей по диффузным и зеркальным объектам.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает безопасный режим работы фотоприемника в широком диапазоне дальностей при высокой точности измерений.

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. A.M Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. «Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды». М.: "Физматкнига". 2011. - 448 с.

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: Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. Электроэнергетика. №11-12, 2013. - С. 33-37.

Изобретение относится к лазерной локации, а именно к импульсным лазерным дальномерам и локаторам. Способ локационного измерения дальности путем зондирования цели пробным импульсом малой энергии Е₂ и приема отраженного целью сигнала, а в случае отсутствия отраженного сигнала - повторным зондированием цели импульсом номинальной энергии Ε₁ с определением дальности R до цели по задержке отраженного сигнала T относительно момента излучения зондирующего импульса. Предварительно совмещают оси зондирующих пучков излучения, устанавливают энергию пробного импульса излучения где ψ₂ - угол расходимости пучка пробного зондирующего излучения; R_отр - дальность до зеркального отражателя; D_отр - эффективный диаметр зеркального отражателя; Ε_пор1 - порог чувствительности приемного канала, предварительно устанавливают коэффициент передачи приемного канала так, чтобы сигнал от диффузно отражающей цели на минимальной дальности, соответствующий зондированию пробным импульсом, находился в линейном диапазоне. Затем производят пробное зондирование, при наличии отраженного сигнала определяют его задержку Τ относительно зондирующего импульса и вычисляют дальность до цели по формуле R=сT/2, где с - скорость света, при этом цель считают зеркальным отражателем и прекращают процесс измерения, а при отсутствии отраженного сигнала производят излучение импульса энергией Ε₁, принимают отраженное излучение одновременно двумя приемными каналами с порогами чувствительности Ε_пор1 и Ε_пор21, причем, Ε_пор2/Ε_пор1=Q_пор=10…100 и, если отраженный сигнал зарегистрирован только основным приемным каналом с чувствительностью Ε_пор1, то определяют дальность до цели по задержке Τ принятого сигнала относительно зондирующего импульса энергией Ε₁, а при регистрации сигнала обоими приемными каналами определяют дальность до цели по задержке сигнала, принятого каналом с меньшей чувствительностью, относительно зондирующего импульса энергией Е₂, при этом Q_изл⋅Q_пор≥Q, где ψ₁ и ψ₂ - угловая расходимость основного и дополнительного пучков излучения; Ε₁ и Е₂ - энергия соответствующих зондирующих импульсов; Q - величина динамического диапазона отраженных сигналов. Технический результат – обеспечение безопасного режима работы фотоприемника и предельной точности в широком диапазоне дальностей при сохранении конструктивных характеристик малогабаритного дальномера. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ локационного измерения дальности путем зондирования цели пробным импульсом малой энергии Е₂ и приема отраженного целью сигнала, а в случае отсутствия отраженного сигнала - повторным зондированием цели импульсом номинальной энергии Ε₁ с определением дальности R до цели по задержке отраженного сигнала T относительно момента излучения зондирующего импульса, отличающийся тем, что предварительно совмещают оси зондирующих пучков излучения, устанавливают энергию пробного импульса излучения где ψ₂ - угол расходимости пучка пробного зондирующего излучения; R_отр - дальность до зеркального отражателя; D_отр - эффективный диаметр зеркального отражателя; Ε_пор1 - порог чувствительности приемного канала, устанавливают коэффициент передачи приемного канала так, чтобы сигнал от диффузно отражающей цели на минимальной дальности, соответствующий зондированию пробным импульсом, находился в линейном диапазоне, затем производят пробное зондирование, при наличии отраженного сигнала определяют его задержку T относительно зондирующего импульса и вычисляют дальность до цели по формуле R=сT/2, где с - скорость света, при этом цель считают зеркальным отражателем и прекращают процесс измерения, а при отсутствии отраженного сигнала производят излучение импульса энергией Ε₁, принимают отраженное излучение одновременно двумя приемными каналами с порогами чувствительности Ε_пор1 и Ε_пор2, причем, Ε_пор2/Ε_пор1=Q_пор=10…100 и, если отраженный сигнал зарегистрирован только основным приемным каналом с чувствительностью Ε_пор1, то определяют дальность до цели по задержке Τ принятого сигнала относительно зондирующего импульса энергией Ε₁, а при регистрации сигнала обоими приемными каналами определяют дальность до цели по задержке сигнала, принятого каналом с меньшей чувствительностью, относительно зондирующего импульса энергией Е₂, при этом Q_изл⋅Q_пор≥Q, где ψ₁ и ψ₂ - угловая расходимость основного и дополнительного пучков излучения; Ε₁ и Е₂ - энергия соответствующих зондирующих импульсов; Q - величина динамического диапазона отраженных сигналов.

2. Устройство для реализации указанного способа включает в себя основной излучатель, дополнительный излучатель, основной фотоприемник с объективом, измеритель временных интервалов, отличающееся тем, что дополнительный излучатель установлен соосно с основным излучателем, за объективом соосно с основным фотоприемником введен дополнительный фотоприемник, на выходах фотоприемников включены схемы временной фиксации, между основным фотоприемником и схемой временной фиксации введен ключ, выходы схем временной фиксации подключены ко входам измерителя временных интервалов, связанного с блоком управления, выходы которого подключены к управляющим входам основного излучателя и ключа.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оси основного и дополнительного излучателей совмещены с помощью диагонального зеркала, оси основного и дополнительного фотоприемников совмещены с помощью другого диагонального зеркала.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диагональные зеркала перекрывают часть совмещаемых световых пучков.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диагональные зеркала выполнены в виде полупрозрачных светоделителей.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительные излучатель и фотоприемник имеют рабочую длину волны, отличающуюся от длины волны основных излучателя и фотоприемника.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что диагональные зеркала выполнены в виде дихроичных светоделителей.

8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что основной излучатель снабжен телескопом, при этом дополнительный излучатель со своим диагональным зеркалом расположен между оптическими компонентами телескопа.