УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИИ ДАЛЬНОСТИ
DEVICE IMITATION RANGE

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности, к устройствам имитации дальности, используемым для проверки работы лазерных дальномеров и имитирующими реальную трассу прохождения лазерного импульса от излучателя до цели и обратно - от цели до входного окна приемного канала дальномера.
Устройства имитации дальности должны обеспечивать прием лазерного импульса от излучателя контролируемого лазерного дальномера и формирование обратного импульса, задержанного на время двукратного прохождения имитируемой трассы. Возвращаемый от имитатора импульс должен быть сформирован в виде светового пучка, параллельного выходному световому пучку излучающего канала лазерного дальномера, ослаблен до уровня, соответствующего реальным потерям энергии импульса лазерного дальномера или заданного соотношения мощности излучаемого и принимаемого импульсов и изменен по диаметру светового пучка до величины диаметра входного окна фотоприемного канала лазерного дальномера. В отдельных случаях, кроме параллельности, необходима соосность входного и выходного световых пучков, если контролируемый лазерный дальномер выполнен коаксиальным, то есть с совпадающими оптическими осями излучающего и приемного каналов.
Известен оптический имитатор дальности, описанный в патенте США №4627723, НКИ 356/5; 356/6; 434/4, опубл. 09.05.1984 г., содержащий входную оптическую систему, концентрирующую энергию импульса дальномера на входном торце оптической линии задержки, выходную оптическую систему с размещенным в ее фокальной точке выходным торцом оптической линии задержки, и оптический мост, включающий два светоделительных зеркала между входной и выходной оптическими системами. Система реализует циклический процесс передачи части энергии лазерного импульса с выхода линии задержки на ее вход, что позволяет получить несколько импульсов на входе фотоприемного устройства дальномера в ответ на один импульс излучателя дальномера, и за счет этого уменьшить длину оптоволокна в линии задержки. Однако данная система усложнена элементами оптического моста, исключающего, к тому же, проверку лазерного дальномера, выполненного по коаксиальной схеме.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является способ имитации дальности и устройство для его осуществления, описанные в патенте RU №2249231, МПК G01S 7/48; G01C 3/00, опубл. 27.03.2005 г., в котором устройство для проверки лазерного дальномера, измеряющего задержку лазерного импульса на входе приемного канала относительно импульса на выходе излучающего канала, содержит оптические элементы, образующие входной и выходной каналы, стыкуемые соответственно с излучающим и приемным каналами контролируемого дальномера, и линию задержки светового импульса, выполненную из оптического волокна, причем оптические элементы включают плоское зеркало с центральным сквозным отверстием, сферическое зеркало, объектив, плоское зеркало с внеосевым отверстием и поворотное зеркало, при этом один торец линии задержки расположен в фокальной плоскости объектива на оси, проходящей через центр плоского зеркала с центральным сквозным отверстием, а другой торец линии задержки расположен в центре сферического зеркала, причем зеркало с центральным сквозным отверстием расположено под углом к выходному световому пучку излучателя лазерного дальномера, а непосредственно за объективом размещено плоское зеркало с внеосевым отверстием, за которым перед приемным каналом лазерного дальномера расположено поворотное зеркало. Уменьшение длины оптического волокна в два раза достигнуто за счет двойного прохождения световых импульсов через линию задержки, т.е. в прямом и обратном направлении. Увеличение возможной измеряемой дальности достигается увеличением серии повторных импульсов за счет уменьшения потери световой энергии на границе раздела двух сред в результате сокращения количества границ раздела путем использования отверстий оптических элементов.
Данное устройство содержит элемент с вогнутой поверхностью оптического качества. В центре кривизны указанной поверхности установлен торец оптического волокна, обеспечивающего задержку светового импульса. Другие оптические элементы обеспечивают возврат части энергии импульса, прошедшего линию задержки таким образом, что энергия задержанного импульса вновь проходит линию задержки и направляется в фотоприемное устройство лазерного дальномера после предшествующего импульса. Тем самым может быть реализован циклический процесс с получением нескольких отсчетов дальности в ответ на один импульс излучателя. Данное устройство имеет сложную конструкцию и не дает возможности проверки лазерного дальномера, выполненного с коаксиальны расположением передающего и приемного каналов.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства имитации дальности упрощенной конструкции с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - упрощение конструкции устройства имитации дальности за счет выполнения оптической части устройства, преимущественно, в виде одного оптического элемента, имитация реальных потерь энергии импульса лазерного дальномера или заданного соотношения мощности излучаемого и принимаемого импульсов, изменение диаметра светового пучка до величины диаметра входного окна фотоприемного канала лазерного дальномера, обеспечение возможности контроля лазерного дальномера, выполненного по коаксиальной схеме, и получение минимальных габаритов устройства имитации дальности.
и
п
Это достигается тем, что в устройстве имитации дальности, предназначенным для проверки лазерного дальномера, измеряющего задержку лазерного импульса на входе его приемного канала относительно импульса на выходе его излучателя, содержащее, по крайней мере, один оптический элемент с вогнутой рабочей поверхностью, обращенной вогнутостью к торцу оптического волокна, образующего линию задержки лазерного импульса, в отличие от известного, торец оптического волокна установлен в фокальной точке оптического элемента с вогнутой рабочей поверхностью, выполненного из материала с показателем поглощения от 0,04 до 2 в слое толщиной 1 мм для излучения с рабочей длиной волны контролируемого лазерного дальномера, кроме того, между световым диаметром D и радиусом R рабочей поверхности оптического элемента, диаметром D излучающего канала контролируемого дальномера, диаметром D приемного канала контролируемого дальномера, расстоянием А между оптическими осями излучающего и приемного каналов и апертурным углом а оптического волокна, для D определены условия:
и
п
при А>0 и D≥R sin α, D≥А+D/2+D/2,
п
при А=0 и D≥R sin α, D≥D
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства имитации дальности для проверки лазерного дальномера, содержащего, излучающий и фотоприемный каналы, разнесенные на величину А.
На фиг. 2 представлена оптическая схема аналогичного устройства, предназначенного для проверки лазерного дальномера коаксиального типа.
На фиг. 3 представлена оптическая схема аналогичного устройства, предназначенного как для проверки лазерного дальномера коаксиального типа, так и для лазерного дальномера с раздельными каналами, если диаметр входного окна устройства имитации дальности это позволяет.
и
п
Устройство имитации дальности (фиг. 1) при котором фотоприемный и излучающий каналы лазерного дальномера параллельны друг другу и разнесены на величину А, содержит входное окно 1 для излучающего канала лазерного дальномера, характеризующегося световым диаметром D, оптический элемент 2 с вогнутой рабочей поверхностью радиусом R, обращенный вогнутостью к закрепленному в фокальной точке рабочей поверхности торцу оптического волокна 3, образующего линию задержки лазерного импульса, и выходное окно 4, соответствующее фотоприемному каналу лазерного дальномера, характеризующегося диаметром - D входного зрачка фотоприемного канала лазерного дальномера, а все устройство объединено в корпусе 5. Оптический элемент 2 выполнен из материала с показателем поглощения от 0,04 до 2 в слое материала толщиной 1 мм для излучения с рабочей длиной волны лазерного дальномера, и, кроме того, с радиусом вогнутой рабочей поверхности - R, и световым диаметром D вогнутой рабочей поверхности. Оптическое волокно 3 характеризуется апертурным углом α. Один торец оптического волокна 3 расположен в фокальной точке F' оптического элемента 2, а второй торец оптического волокна 3 за счет собственного коэффициента отражения возвращает лазерный импульс назад в фокальную точку F' оптического элемента 2 с задержкой на время, равное 2Ln/c, где L и n - длина оптоволокна и показатель преломления его центральной жилы соответственно, с - скорость света. Таким образом, возможен выбор параметров и длины оптического волокна 3. Оптический элемент 2 характеризуется световым диаметром D вогнутой поверхности. Условия, обеспечивающие минимальные габариты устройства имитации дальности и отсутствие виньетирования световых пучков, при которых D определен из соотношений:
и
п
при А>0 и D≥R sin α, D≥А+D/2+D/2,
п
Устройство имитации дальности (фиг. 2), позволяет проводить проверку лазерного дальномера, в котором фотоприемный и излучающий каналы коаксиальны, т.е. параллельны, но не разнесены друг от друга. В этом случае D определен из условий: при А=0 и D≥R sin α, D≥D Входное и выходное окна устройства при этом объединены в одно окно 6.
Устройство имитации дальности (фиг. 3) выполненное с объединенным окном 6, может быть использовано и для лазерного дальномера с разнесенными каналами (А>0), если диаметр D для этого достаточен.
и
Устройство имитации дальности работает следующим образом. Световой пучок излучателя лазерного дальномера диаметром D направляется во входное окно 1 (фиг. 1), входное окно 6 (фиг. 2), или входное окно 6 (фиг. 3), в зависимости от расположения фотоприемного и излучающего каналов лазерного дальномера. Пучок отражается от вогнутой поверхности оптического элемента 2 и концентрируется на торце оптоволокна 3, входит в оптоволокно 3 и распространяется к его противоположному торцу, отразившись от которого, импульс возвращается к первому торцу с задержкой на время, равное 2Ln/c, где L и n - длина оптоволокна и показатель преломления его центральной жилы соответственно, с - скорость света. Далее, возвращенный к первому торцу световой пучок расширяется в пределах двойного апертурного угла α оптоволокна 3, при этом, апертурный угол α оптоволокна 3 может составлять величину от 0,1 до 0,5 в соответствии, например, с каталогом одного из производителей оптоволокна см., например, https://www.thorlabs.de/navigation.cfm?guide_id=2284.
п
Возвращенный и расширенный оптоволокном 3 световой пучок преобразуется вогнутой поверхностью оптического элемента 2 в коллимированный и входит в выходное окно 4 с диаметром на выходе, равным D устройства имитации дальности и далее - в фотоприемный канал контролируемого лазерного дальномера, в норме вызывая его срабатывание и индикацию дальности, равной Ln/c.
В предлагаемом устройстве имитации дальности, как и в ближайшем аналоге, не исключается и последующее циклическое срабатывание лазерного дальномера, поскольку первый торец оптоволокна 3, как и второй, может давать достаточное обратное отражение внутрь в сторону другого торца, отражение от которого может быть достаточным для второго срабатывания дальномера от единственного импульса излучателя, как и в указанных выше аналогах описанной системы. В практической реализации отмечались и троекратные срабатывания дальномера от одного импульса излучателя.
Таким образом, достигнут технический результат - создано устройство имитации дальности упрощенной конструкции за счет выполнения оптической части устройства в виде одного оптического элемента, обеспечивающего имитацию реальных потерь энергии импульса лазерного дальномера или заданного соотношения мощности излучаемого и принимаемого импульсов, изменение диаметра светового пучка до величины диаметра входного окна фотоприемного канала лазерного дальномера и возможность контроля лазерного дальномера с коаксиальным расположением каналов при минимальных габаритах устройства имитации дальности.