Лазерный датчик обнаружения цели изделия Российский патент 2025 года по МПК F42C13/02 

Изобретение относится к области вооружений и может быть применено в неконтактных взрывателях, использующих лазерное излучение для обнаружения цели, например, в зенитных боеприпасах, управляемых ракетах и беспилотных летательных аппаратах.

Известен оптический датчик цели (патент RU №2655705 МПК F42C 13/02 приоритет от 27.02.2017 г.), содержащий один приемоизлучающий канал, при этом оптическая ось фотоприемника направлена параллельно или практически параллельно к продольной оси боеприпаса по направлению движения, а оптическая ось импульсного источника оптического излучения - лазерного диода - направлена под углом к продольной оси боеприпаса по направлению движения, причем плоскость, перпендикулярная длинной стороне излучающей площадки лазерного диода, направлена параллельно или практически параллельно к продольной оси боеприпаса

Недостатком этого оптического датчика цели является небольшая величина промаха снаряда по цели на встречных траекториях, при котором он может обнаруживать цель. Это обусловлено величиной угла наклона оптической оси лазерного диода к оси снаряда в диапазоне от 7,5° до 22,5°. Поэтому даже при величине дальности R обнаружения цели в направлении по оптической оси лазерного диода, максимальная величина промаха P по цели, когда она будет обнаружена, для угла наклона 22,5° (по уровню 0,5) составляет около P=(0,5)^¼⋅R⋅sin22,5°≈0,33⋅R.

Известен лазерный датчик цели (патент РФ №2496093, МПК F42C 13/02 приоритет от 15.03.2012г.), характеризующийся тем, что он содержит два и более приемоизлучающих канала, каждый из которых содержит электронный блок, импульсный источник оптического излучения и фотоприемник, соединенные с электронным блоком, при этом оптические оси импульсного источника оптического излучения и фотоприемника, образующих приемоизлучающий канал, направлены под углом ≤90° к продольной оси боеприпаса по направлению движения и расположены со смешением относительно друг друга, преимущественно параллельно или практически параллельно, причем расстояние между оптическими осями излучателя и фотоприемника выбрано из условия l≥(d_u+d_n)/2, где d_u и d_n - наибольшие диаметры излучателя и фотоприемника соответственно, при этом указанные приемоизлучающие каналы размещены вокруг продольной оси боеприпаса, причем угол между излучателями смежных приемоизлучающих каналов в радиальном направлении выбран таким образом, что световые пучки излучателей не пересекаются между собой, при этом расстояние между лучами соседних излучающих каналов на требуемой дистанции детектирования цели равно/примерно равно минимальному размеру цели.

Данное устройство, в варианте исполнения, когда оптические оси импульсного источника оптического излучения и фотоприемника направлены практически перпендикулярно (под углом в диапазоне от 88° до 90°) к продольной оси боеприпаса для обеспечения наибольшей дальности обнаружения цели в радиальном направлении от оси боеприпаса по сравнению с меньшими величинами угла наклона, источники излучения и фотоприемники соединены общим с электронным блоком, (как это показано на фигуре 1 описания) реализующим время - импульсный метод анализа дистанции до цели, (стр.6 абзац 5), а в качестве импульсного источника оптического излучения и применен импульсный лазерный диод, является наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению.

При движении боеприпаса и цели по встречным траекториям, близким к параллельным, с углами Ω между траекториями в диапазоне от 0° до 20° максимальный промах D_׀׀ боеприпаса по цели, при котором цель еще будет обнаружена, составит D_׀׀=R⋅cosΩ, где R - дальность обнаружения цели в перпендикулярном к оси боеприпаса направлении, и для наибольшего угла Ω=20° D_׀׀=R⋅0,94. Однако при увеличении углов пересечения траекторий Ω до близких к перпендикулярным в диапазоне от 80° до 90° наибольшая величина промаха D_⊥, при котором цель еще будет обнаружена, составит D_⊥=R⋅tg(90- Ω+90-β), что для углов Ω=80° β=88° составляет D_⊥≈0,21⋅R. Следовательно, максимально допустимая величина промаха падает более чем в четыре раза.

Таким образом, недостатком лазерного датчика цели боеприпаса является малая величина промаха боеприпаса по цели, при котором цель будет обнаружена при движении боеприпаса по траекториям, пересекающимся с траекторией цели под углами в диапазоне от 80° до 90°. Таким образом, все цели, пролетающие на расстоянии бóльшем 0,21⋅R от боеприпаса, будут пропущены.

Также недостатком лазерного датчика цели является относительная сложность конструкции, поскольку фотоприемник, как правило, содержит объектив и фотодиод, а приемную диаграмму фотоприемника требуется согласовывать по углу с диаграммой излучения лазерного диода, и поэтому оптические элементы (объектив или линзы) необходимо юстировать, их наличие увеличивает сложность конструкции и сборки изделия. Кроме того, для обеспечения практически сплошной зоны обнаружения целей вокруг продольной оси боеприпаса, как это показано на фигуре 1 описания, при произвольной ориентации диаграммы излучения импульсного лазерного диода требуется применение большого их количества - 360°/(θ+γ), где θ - расходимость излучения импульсного лазерного диода в плоскости перпендикулярной продольной оси боеприпаса, γ - угловое расстояние между лучами соседних импульсных лазерных диодов.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение:

- увеличение эффективности применения изделий с лазерным датчиком цели за счет обнаружения цели при бóльших величинах промаха (по сравнению с промахом 0,21⋅R прототипа) изделия по цели на пересекающихся с траекторией цели траекториях под углами в диапазоне от 80° до 90° при сохранении максимальной дальности обнаружения R при движении изделия и цели по траекториям, близким к параллельным (с углами между траекториями в диапазоне от 0° до 20°);

- упрощение конструкции и сборки изделия.

Технический результат, достигаемый изобретением:

- повышение эффективности применения изделия за счет обнаружения цели при бóльших величинах промаха изделия по цели (по сравнению с допустимым промахом 0,21⋅R прототипа) на пересекающихся с целью траекториях под углами в диапазоне от 80° до 90°, что достигается за счет того, что каждый излучающий канал содержит три импульсных лазерных диода, плоскости диаграмм излучения двух импульсных лазерных диодов с расходимостью излучения θ_⊥ составляют угол β в диапазоне от 88° до 90° с продольной ось изделия (что обеспечивает перекрытие максимальной угловой зоны в диаграмме обнаружения цели при использовании наименьшего числа импульсных лазерных диодов), угол 2⋅Ω между осями их излучения равен 2⋅Ω=k⋅(θ_׀׀+θ_⊥), где k находится в диапазоне от 0,9 до 1,05, а θ_⊥ и θ_׀׀ - расходимости излучения импульсного лазерного диода в плоскостях соответственно перпендикулярной и параллельной плоскостям p-n-переходов излучающих площадок импульсного лазерного диода, а плоскость диаграммы излучения третьего лазерного диода с расходимостью излучения θ_⊥ проходит через продольную ось изделия и биссектрису угла между осями излучения двух других импульсных лазерных диодов, а ось его диаграммы излучения составляет угол ϕ в диапазоне от θ_׀׀/2 до 0,55⋅(θ_⊥+θ_׀׀) с плоскостью, перпендикулярной продольной осью изделия по направлению движения. В прототипе при использовании минимального количества лазерных диодов для создания практически сплошной зоны обнаружения целей при движении боеприпаса и цели по встречным траекториям диаграмма излучения лазерного диода должна быть ориентирована так, чтобы плоскость диаграммы излучения с бóльшей расходимостью излучения θ_⊥ была перпендикулярна продольной оси боеприпаса, как это показано на фигуре 1 стр. 8 описания. Типичная величина θ_⊥ для импульсных лазерных диодов по уровню мощности 0,5 составляет 25° (см. описание излучателя ИЛПИ-135А, фирмы АО «НИИ «Полюс им. М.Ф. Стельмаха», www.niipolyus.ru) При этом в ортогональной плоскости типичная угловая ширина θ_׀׀ диаграммы излучения по уровню 0,5 составляет 10°.

При угле наклона ϕ=θ_׀׀/2 минимальная дальность D1 обнаружения цели в направлении продольной оси боеприпаса по уровню 0.5 интенсивности излучения составляет:

D1=(0,5)^¼⋅R⋅tg(θ_⊥/2+θ_׀׀/2)=0,84⋅R⋅tg (17,5°)≈0,26⋅R,

а при угле ϕ=0,55⋅(θ_⊥+θ_׀׀) максимальная дальность D2 обнаружения составляет:

D2=(0,5)^¼⋅R⋅tg(θ_⊥/2+0,55⋅(θ _⊥+θ_׀׀))=0,84⋅R⋅tg(31,7°)≈0,51⋅R.

Таким образом, на пересекающихся с целью траекториях под углами в диапазоне от 80° до 90° максимально допустимый промах по цели в осевом направлении, при котором цель еще будет обнаружена, увеличивается на величину в диапазоне от 24% до 140% по сравнению с прототипом. Дальность обнаружения при движении изделия и цели по траекториям, близким к параллельным (с углами между траекториями в диапазоне от 0° до 20°) в секторах диаграммы излучения импульсных лазерных диодов с расходимостью излучения θ_⊥ в плоскости, перпендикулярной продольной оси изделия остается той же, что и в прототипе, а в секторе диаграммы излучения с расходимостью излучения θ_⊥ в плоскости, параллельной продольной оси изделия, уменьшается на 6%, чем можно пренебречь.

- упрощение конструкции изделия за счет применения в качестве фотоприемника нескольких фотодиодов с оптическими фильтрами без объектива или фокусирующих линз. Применение нескольких фотодиодов позволяет увеличить площадь приема излучения и отказаться от приемного объектива, который также служит для увеличения площади приема излучения. Исключение объектива из состава фотоприемника позволяет упростить конструкцию и сборку изделия, что важно при серийном производстве изделия. Как правило, угловая ширина диаграммы приема фотодиода составляет десятки градусов (например, для фотодиода BP104 фирмы Vishay Semiconductor составляет ±65°, см. www.vishay.com), что позволяет отказаться от союстировки угловой диаграммы излучения излучателя (трех импульсных лазерных диодов) и диаграммы приема фотодиода, поскольку угловая ширина диаграммы приема существенно шире угловой диаграммы излучения, что упрощает конструкцию. Также для упрощения конструкции фотодиоды монтируются рядом друг с другом на одной печатной плате фотоприемника, при этом оптические оси фотодиодов параллельны с отклонением не более 5° биссектрисе угла между осями излучения двух импульсных лазерных диодов.

Кроме того, применение в импульсном источнике оптического излучения двух импульсных лазерных диодов, плоскости диаграмм излучения которых с расходимостью θ_⊥ перпендикулярны продольной оси изделия, также упрощают конструкцию за счет минимизации количества импульсных лазерных диодов для создания наибольшей угловой зоны обнаружения цели.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Лазерный датчик обнаружения цели изделия, содержащий корпус, электронный блок и приемоизлучающие каналы, каждый из которых содержит, импульсный источник оптического излучения и фотоприемник, соединенные с электронным блоком, реализующим время - импульсный метод анализа дистанции до цели, оптические оси фотоприемников составляют угол β в диапазоне от 88° до 90° с продольной осью изделия, а приемоизлучающие каналы размещены вокруг продольной оси изделия, причем импульсный источник оптического излучения содержит три импульсных лазерных диода, плоскости диаграмм излучения двух импульсных лазерных диодов с расходимостью излучения θ_⊥ составляют угол β в диапазоне от 88° до 90° с продольной осью изделия, угол 2⋅Ω между осями их излучения равен 2⋅Ω=k⋅(θ_׀׀+θ_⊥), где k находится в диапазоне от 0,9 до 1,05, где θ_⊥ и θ_׀׀ - расходимости излучения импульсного лазерного диода в плоскостях соответственно перпендикулярной и параллельной плоскостям p-n-переходов излучающих площадок импульсного лазерного диода, плоскость диаграммы излучения третьего импульсного лазерного диода с расходимостью излучения θ_⊥ проходит через продольную ось изделия и биссектрису угла между осями излучения двух других импульсных лазерных диодов, а ось его диаграммы излучения составляет угол ϕ в диапазоне от θ_׀׀/2 до 0,55⋅(θ_⊥+θ_׀׀) с плоскостью, перпендикулярной продольной оси изделия по направлению движения, а фотоприемник содержат как минимум два фотодиода с оптическими фильтрами, оптические оси которых составляют угол в диапазоне от 0° до 5° с биссектрисой угла между осями излучения двух импульсных лазерных диодов, плоскости диаграмм излучения которых с расходимостью излучения θ_⊥ составляют угол β с продольной осью изделия.

Причем импульсные лазерные диоды и фотодиоды могут быть снабжены защитными окнами.

Изобретательский уровень предлагаемого лазерного датчика обнаружения цели изделия заключается в том, что диаграмма излучения импульсного источника оптического излучения в секторах в плоскости, проходящей через ось изделия расширена на величину от 120% до 270% за счет введения дополнительного по сравнению с прототипом импульсного лазерного диода, плоскость диаграммы которого с расходимостью излучения θ_⊥ проходит через продольную ось изделия, а ось излучения отклонена к продольной оси изделия на угол в диапазоне от θ_׀׀/2 до 0,55⋅(θ_⊥+θ_׀׀). Такое техническое решение является новым. Оно обеспечило увеличение дальности обнаружения цели от 24% до 140% на траекториях, пересекающихся под углами в диапазоне от 80° до 90°, при сохранении дальности обнаружения цели на траекториях, близких к параллельным (с углами между траекториями от 0 до 20°).

Кроме того, использование в фотоприемнике как минимум двух фотодиодов с оптическими фильтрами, оптические оси которых составляют угол в диапазоне от 0° до 5° с биссектрисой угла между осями излучения двух импульсных лазерных диодов, позволяет увеличить суммарную площадь приема излучения, что позволяет отказаться от объектива в фотоприемнике. Применение так ориентированных фотодиодов позволяет смонтировать их непосредственно на одной печатной плате без дополнительных установочных элементов, что обеспечивает упрощение конструкции.

Защитные окна позволяют исключить внешние воздействия на импульсные лазерные диоды и фотодиоды.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 показаны взаимное расположение и оптические оси элементов лазерного датчика обнаружения цели изделия с фотоприемником и импульсным источником оптического излучения. Защитные окна не показаны.

Осуществление изобретения.

Лазерный датчик обнаружения цели изделия содержит корпус, электронный блок и приемоизлучающие каналы, взаимное расположение элементов одного из которых приведено на фигуре 1. Импульсный источник оптического излучения содержит импульсные лазерные диоды 1, 2 и 3. Плоскости диаграмм излучения 4 и 5 импульсных лазерных диодов 1 и 2 с расходимостью излучения θ_⊥ составляют угол «β» в диапазоне от 88° до 90° с продольной осью 6 изделия, ориентированной по направлению движения изделия. Угол между осями 7 и 8 диаграмм 4 и 5 излучения составляет 2⋅Ω=k⋅(θ_׀׀+θ_⊥), где k находится в диапазоне от 0,9 до 1,05, а θ_⊥ и θ_׀׀ - расходимости излучения импульсного лазерного диода в плоскостях соответственно перпендикулярной и параллельной плоскостям p-n-переходов излучающих площадок импульсного лазерного диода. Плоскость диаграммы 9 излучения третьего импульсного лазерного диода 3 с расходимостью излучения θ_⊥ проходит через продольную ось 6 изделия и биссектрису 10 угла между осями 7 и 8 диаграмм 4 и 5 излучения двух других импульсных лазерных диодов 1 и 2. При этом ось 11 диаграммы 9 излучения составляет угол ϕ в диапазоне θ_׀׀/2 до 0,55⋅(θ_׀׀+θ_⊥) с плоскостью, перпендикулярной продольной оси изделия 6 по направлению движения. Фотоприемник содержит как минимум два фотодиода 12 и 13 с оптическими фильтрами, отрезающими излучение фоновой засветки. Их оптические оси 14 и 15 параллельны оптической оси 16 фотоприемника, которая практически параллельна (с отклонением угла до 5°) биссектрисе 10. Оптическая ось 16 приемного канала составляет угол β в диапазоне от 88 до 90° с продольной осью 6 изделия.

Лазерный датчик обнаружения цели изделия работает следующим образом. По сигналу с выхода электронного блока, реализующего время-импульсный метод анализа дистанции до цели, импульсные лазерные диоды 1, 2 и 3 синхронно генерируют импульсы лазерного излучения. При этом электронный блок с момента генерации импульса излучения начинает отсчет времени. Излучение от импульсных лазерных диодов 1, 2 и 3 формирует диаграмму направленности излучения приемоизлучающего канала, состоящую из диаграмм 4, 5 и 9. После прохождения защитного окна излучение выходит из лазерного датчика обнаружения цели изделия, и при наличии цели в диаграмме излучения отражается от нее. Отраженное от цели излучение через защитное окно попадает на фотодиоды 12 и 13 и регистрируется электронным блоком, который измеряет задержку между импульсом излучения и сигналом с фотоприёмника и рассчитывает дальность до цели, а затем с учётом алгоритма работы выдаёт команду на срабатывание изделия. При отсутствии цели в диаграмме направленности излучения регистрация времени задержки ведется до определенного значения, при превышении которого дальномерный электронный блок выдает сигнал отсутствия цели.

Причем по сравнению с прототипом, диаграмма направленности излучения расширена в плоскости, проходящей через ось изделия 6 и биссектрису 10 угла между осями 7 и 8 излучения импульсных лазерных диодов 1 и 2, что обеспечивает увеличение дальности обнаружения цели от 24% до 140% на траекториях, пересекающихся под углами в диапазоне от 80° до 90°, при сохранении дальности обнаружения цели на траекториях с углами до 20° между ними. При величине угла ϕ=θ_׀׀/2 между осью 11 и биссектрисой 10 предложенное техническое решение позволяет на 24% получить выигрыш в величине промаха, когда цель будет обнаружена по сравнению с прототипом. При увеличении угла ϕ до 0,55⋅(θ_׀׀+θ_⊥) достигается 140% выигрыш. Увеличивать угол ϕ более значения 0,55⋅(θ_׀׀+θ_⊥) не следует, т.к. в диаграмме излучения оптического блока в плоскости, проходящей через ось 6 изделия и биссектрису 10, появятся провалы, которые приведут к пропуску малоразмерной цели. Уменьшение угла ϕ менее θ_׀׀/2 не дает существенного выигрыша в допустимом промахе.

Величина угла 2⋅Ω между осями 7 и 8 диаграмм 4 и 5 составляет 2⋅Ω =k⋅(θ_׀׀+θ_⊥), (где k находится в диапазоне от 0,9 до 1,05). При изменении угла 2⋅Ω в этом диапазоне, изменение дальности обнаружения цели оптическим блоком в радиальном от продольной оси изделия направлении не превышает ±10% в угловом диапазоне (θ_׀׀+2⋅θ_⊥) вокруг продольной оси изделия (по уровню мощности излучения 0,5). Увеличение угла 2⋅Ω нецелесообразно, поскольку при этом возрастает неравномерность дальности обнаружения цели, что может привести к пропуску малоразмерной цели. Уменьшение угла 2⋅Ω также нецелесообразно, поскольку будет снижаться угловой диапазон обнаружения цели оптического блока вокруг продольной оси изделия.

В качестве фотоприемника в приемном канале использованы как минимум два фотодиода 12 и 13 с оптическими фильтрами, отрезающими излучение фоновой засветки, оптические оси 14 и 15 которых составляют угол в диапазоне от 0° до 5° с биссектрисой 10 угла между осями 7 и 8 излучения двух импульсных лазерных диодов 1 и 2. Использование как минимум двух фотодиодов позволяет увеличить площадь фоточувствительной поверхности, что позволяет отказаться от использования объектива или фокусирующей линзы. Наличие угла величиной k⋅(θ_׀׀+θ_⊥)/2 между оптической осью 16 и осями 7 и 8 импульсных лазерных диодов 1 и 2 снизит мощность принятого сигнала (по сравнению с перпендикулярным паданием лучей на фотодиод) менее чем на 5%, что несущественно по сравнению с двукратным увеличением мощности за счет увеличения площади фотоприемника. Такие же оценки относятся и к третьему лазерному диоду.

Число используемых фотодиодов в каждом конкретном случае преимущественно определяется условием достижения необходимой дальности обнаружения цели (за счет увеличения площади фотоприемника), допустимыми габаритами защитных окон фотодиодов на изделии, требуемой точностью определения расстояния до цели в сочетании с алгоритмами обработки сигнала отраженного от цели излучения и т.д.

Количество приемоизлучающих каналов в лазерном датчике обнаружения цели изделия выбирается исходя из характеристик (калибра, дальности обнаружения цели, скорости и т.д.) изделия. При использовании полупроводниковых излучателей ИЛПИ-135А угловая зона обнаружения целей одного приемоизлучающего канала в плоскости, перпендикулярной оси изделия составляет около 60° и около 31° (по уровню мощности 0,5) секторами в плоскости, проходящей через продольную ось 6 изделия и биссектрису 10.

Разработан и изготовлен макет лазерного датчика обнаружения цели изделия, содержащий шесть приемоизлучающих каналов, фотоприемник каждого из которых включал четыре фотодиода. Макет имел сплошную круговую зону обнаружения цели вокруг оси изделия и дальность обнаружения цели, равную дальности обнаружения цели прототипа, и на 120% бóльшую дальность обнаружения цели в секторах в направлении движения изделия. Макет лазерного датчика обнаружения цели изделия прост по конструкции и не требовал настроек после сборки. Испытания макета показали высокую вероятность обнаружения малоразмерной цели в большом диапазоне расстояний как в плоскости, проходящей через ось изделия, так и в ортогональной плоскости.

Изобретение относится к области вооружений и может быть применено в неконтактных взрывателях, использующих лазерное излучение для обнаружения цели. Лазерный датчик обнаружения цели, содержащий корпус, электронный блок и приемоизлучающие каналы, содержащие импульсные источники оптического излучения и фотоприемники, соединенные с электронным блоком, реализующим время - импульсный метод анализа дистанции до цели, оптические оси фотоприемников составляют угол β в диапазоне от 88 до 90° с продольной осью изделия, а приемоизлучающие каналы размещены вокруг продольной оси изделия, причем импульсный источник оптического излучения содержит три импульсных лазерных диода, плоскости диаграмм излучения двух импульсных лазерных диодов составляют угол β в диапазоне от 88 до 90° с продольной осью изделия, плоскость диаграммы излучения третьего лазерного диода проходит через продольную ось изделия и биссектрису угла между осями излучения двух других импульсных лазерных диодов, фотоприемник содержат как минимум два фотодиода с фильтрами, оптические оси которых составляют угол в диапазоне от 0 до 5° с биссектрисой угла между осями излучения двух импульсных лазерных диодов. Технический результат - повышение эффективности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лазерный датчик обнаружения цели изделия, содержащий корпус, электронный блок и приемоизлучающие каналы, каждый из которых содержит импульсный источник оптического излучения и фотоприемник, соединенные с электронным блоком, реализующим время - импульсный метод анализа дистанции до цели, оптические оси фотоприемников составляют угол в диапазоне от 88 до 90° с продольной осью изделия, а приемоизлучающие каналы размещены вокруг продольной оси изделия, отличающийся тем, что импульсный источник оптического излучения содержит три импульсных лазерных диода, плоскости диаграмм излучения двух импульсных лазерных диодов с расходимостью излучения составляют угол β в диапазоне от 88 до 90° с продольной осью изделия, угол между осями их излучения равен , где k находится в диапазоне от 0,9 до 1,05, где и - расходимости излучения импульсного лазерного диода в плоскостях соответственно перпендикулярной и параллельной плоскостям p-n-переходов излучающих площадок импульсного лазерного диода, плоскость диаграммы излучения третьего импульсного лазерного диода с расходимостью излучения проходит через продольную ось изделия и биссектрису угла между осями излучения двух других импульсных лазерных диодов, а ось его диаграммы излучения составляет угол в диапазоне от до с плоскостью, перпендикулярной продольной оси изделия по направлению движения, а фотоприемник содержат как минимум два фотодиода с оптическими фильтрами, оптические оси которых составляют угол в диапазоне от 0 до 5° с биссектрисой угла между осями излучения двух импульсных лазерных диодов.

2. Лазерный датчик обнаружения цели изделия по п. 1, отличающийся тем, что импульсные лазерные диоды и фотодиоды снабжены защитными окнами.