Лазерный дальномер

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов, в частности к лазерным дальномерам, предназначенным для точного измерения дальности до объекта наблюдения в наземных условиях.
Известен принятый за аналог лазерный дальномер (Оптический журнал, 2009 г., т. 76, №8, с. 18-21, Абрамов А.И., Вельский А.Б., Зборовский А.А., Иванов Б.Б. Разработка лазерных дальномеров-биноклей на Красногорском заводе им. С.А. Зверева.), а также созданный по такой же схеме лазерный дальномер Swarovski Laser Guide 8×30. (Техническое описание. Германия, 2017. http://www.raffa.ru.). Лазерный дальномер состоит из передающего, приемного и оптического визирного каналов. В передающем канале содержится объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, вход которого подключен к первому выходу блока накачки. В приемном канале содержится приемный объектив, сфокусированный на фотодиод, выход которого подключен к импульсному усилителю. Его первый выход через блок управления и обработки информации подключен к блоку накачки. Второй выход этого блока подключен ко второму входу фотодиода. Третий выход этого блока подключен к жидкокристаллическому дисплею. Оптический визирный канал содержит последовательно установленные на оптической оси объектив, оборачивающую систему, сетку и окуляр, причем в фокальной плоскости объектива установлен работающий «на просвет» дисплей, а окуляр сфокусирован на сетку.
Недостатками данного устройства являются:
- низкая точность измерения дальности по подвижному объекту наблюдения, когда объект перемещается в поперечном направлении по отношению оптической оси лазерного дальномера;
- невозможность измерения координат объекта наблюдения и скорости его движения при перемещении объекта наблюдения в любом направлении.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является лазерный дальномер, описанный Волковым В.Г., Гиндиным П.Д. Техническое зрение. Инновации. М.: 2014, 840 с., с 24-25, а также созданный по такой же схеме дальномер лазерный Leica Geovid 8×242 HD-B. (Техническое описание. 2017 г., http://sports.okar.ru). Лазерный дальномер состоит из передающего, приемного, оптического визирного каналов и цифрового магнитного компаса. В передающем канале содержится объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, вход которого подключен к выходу блока накачки. К его входу подключен предварительный усилитель. В приемном канале содержится приемный объектив, сфокусированный на фотодиод. Его выход подключен через последовательно соединенные усилитель, блок измерения амплитуды, блок сравнения и блок коррекции к первому входу измерителя временных интервалов, а также подключен ко второму его входу. Выход блока сравнения подключен также к первому входу блока регулирования. К третьему входу измерителя временных интервалов подключен первый выход задающего генератора импульсов. Его второй выход подключен ко второму входу блока накачки. Выход измерителя временных интервалов подключен к входу индикатора дальности. Ко второму входу блока регулировки подключен выход источника эталонного напряжения. Выход блока регулировки подключен к входу фотодиода и к входу предварительного усилителя. Между приемным объективом, являющимся также объективом дневного визирного канала, и фотодиодом установлено наклонное дихроичное зеркало. Оно оптически сопряжено через плоское зеркало с оборачивающей системой. В ее плоскости изображения установлена сетка. На нее сфокусирован окуляр и с ней сопряжен выход индикатора дальности, а также первый и второй выходы цифрового магнитного компаса. В данном устройстве благодаря наличию цифрового магнитного компаса обеспечивается измерение координат объекта наблюдения. Однако по-прежнему сохраняются недостатки устройства-аналога, а именно:
- низкая точность измерения дальности по подвижному объекту наблюдения, когда объект перемещается в поперечном направлении по отношению оптической оси лазерного дальномера;
- невозможность измерения скорости движения объекта наблюдения при его перемещении в любом направлении.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение эффективности измерения, а именно точности измерения дальности при условии обеспечения измерения скорости перемещения объекта наблюдения в любом направлении.
Указанный технический результат достигается за счет применения дополнительных электронных блоков, позволяющих обеспечить прием и обработку сигнала о дальности и скорости перемещения объекта наблюдения в пространстве для расширения функциональных возможностей и эффективности работы предлагаемого устройства.
Лазерный дальномер, состоящий из передающего, приемного каналов, дневного визирного канала и цифрового магнитного компаса, причем в передающем канале содержится объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, подключенный к выходу блока накачки, к входу которого подключен предварительный усилитель, в приемном канале содержится приемный объектив, сфокусированный на фотодиод, выход последнего подключен через последовательно соединенные усилитель, блок измерения амплитуды, блок сравнения и блок коррекции к первому входу измерителя временных интервалов, а также усилитель подключен ко второму его входу, к нему же подключен второй выход блока коррекции, к третьему входу измерителя временных интервалов подключен первый выход задающего генератора импульсов, второй выход которого подключен ко второму входу блока накачки, выход измерителя временных интервалов подключен к входу индикатора дальности, выход блока сравнения подключен к первому входу блока регулирования, ко второму входу блока регулирования подключен выход источника эталонного напряжения, а выход блока регулирования подключен к входу фотодиода и к входу предварительного усилителя, между приемным объективом, являющимся также объективом дневного визирного канала, и фотодиодом установлено наклонное дихроичное зеркало, оптически сопряженное через плоское зеркало с оборачивающей системой дневного визирного канала, в плоскости изображения которой установлена сетка этого канала, на которую сфокусирован окуляр этого канала и с которой сопряжен выход индикатора дальности, а также первый и второй выходы цифрового магнитного компаса, отличающийся тем, что в лазерный дальномер дополнительно введен блок измерения координат, к первому и второму входам которого соответственно подключены первый и второй выходы цифрового магнитного компаса, причем первый и второй выходы блока измерения координат подключены через дополнительно введенный первый контроллер к первому и ко второму входам введенного блока вычисления скорости, а третий и четвертый выходы блока измерения координат подключены к одноименным входам введенного блока регулировки частоты, последний подключен ко второму входу задающего генератора импульсов, второй выход измерителя временных интервалов подключен к входу введенного второго контроллера, выход которого подключен к входу блока измерения координат, выход последнего сопряжен с сеткой и подключен ко второму входу введенного блока регулирования.
В предлагаемой полезной модели повышается точность измерения дальности по подвижному объекту наблюдения, когда объект перемещается в поперечном направлении по отношению оптической оси лазерного дальномера. Указанный результат достигается за счет повышения частоты импульсного лазерного полупроводникового излучателя пропорционально перемещению объекта по отношению к центру поля зрения лазерного дальномера при условии обеспечения измерения скорости движения объекта наблюдения при его перемещении в любом направлении. При движении объекта по всем трем координатам его перемещения преобразуются в соответствующие скорости по этим координатам, эти скорости алгебраически суммируются и преобразуются в скорость перемещения объекта наблюдения в любом направлении.
Сущность полезной модели поясняется чертежом фиг. 1, на которой изображена схема устройства.
Лазерный дальномер по схеме фиг. 1 содержит передающий 1, приемный 2, дневной визирный 3 каналы и цифровой магнитный компас 4. В передающем канале 1 содержится объектив формирования излучения 5, сфокусированный на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель 6, вход излучателя 6 подключен к выходу блока накачки 7, к входу которого подключен предварительный усилитель 8. В приемном канале 2 содержится приемный объектив 9, сфокусированный на фотодиод 10, выход фотодиода 10 подключен через последовательно соединенные усилитель 11, блок измерения амплитуды 12, блок сравнения 13 и блок коррекции 14 к первому входу измерителя временных интервалов 15, а также подключен ко второму входу измерителя 15, к этому же входу подключен второй выход блока коррекции 14. К третьему входу измерителя временных интервалов 15 подключен первый выход задающего генератора импульсов 16. Второй выход генератора 16 подключен ко второму входу блока накачки 7. Выход измерителя временных интервалов 15 подключен к входу индикатора дальности 17. Выход блока сравнения 13 подключен к первому входу блока регулирования 18. Ко второму входу блока регулирования 18 подключен выход источника эталонного напряжения 19. Выход блока регулирования 18 подключен к входу фотодиода 10 и к входу предварительного усилителя 8. Между приемным объективом 9, выполняющим также роль объектива дневного визирного канала 3, и фотодиодом 10 установлено наклонное дихроичное зеркало 20, оптически сопряженное через плоское зеркало 21 с оборачивающей системой 22 дневного визирного канала 3. В ее плоскости изображения установлена сетка 23 этого канала, на которую сфокусирован окуляр 24 этого канала и с которой сопряжен выход индикатора дальности 17, а также первый и второй выходы цифрового магнитного компаса 4. Эти выходы магнитного компаса 4 подключены соответственно к первому и второму входу блока измерения координат 25, первый и второй выходы блока 25 подключены через первый контроллер 26 к первому и ко второму входам блока вычисления скорости 29, а третий и четвертый выходы подключены к одноименным входам блока регулировки частоты 27. Блок 27 подключен ко второму входу задающего генератора импульсов 16. Второй выход измерителя временных интервалов 15 подключен к входу второго контроллера 28. Выход второго контроллера 28 подключен к входу блока вычисления скорости 29. Выход последнего сопряжен с сеткой 23 и подключен ко второму входу блока регулирования 18.
Устройство работает следующим образом. Принцип действия лазерного дальномера основан на измерении временного интервала между излученным и отраженным от объекта наблюдения и принятым импульсом излучения с использованием порогового устройства и счетчиков. С первого выхода задающего генератора импульсов 16 синхроимпульсом запускается блок накачки 7 передающего канала 1. Одновременно сигнал со второго выхода задающего генератора импульсов 16 поступает на первый вход измерителя временных интервалов 15. Блок 7 формирует импульсы тока накачки. Их амплитуда может регулироваться с помощью предварительного усилителя 8. Тем самым регулируется и мощность излучения импульсного полупроводникового лазерного излучателя 6. Импульсы тока накачки возбуждают импульсный полупроводниковый лазерный излучатель 6. Он генерирует импульсы излучения, которые коллимируются передающим объективом 5 и направляются на объект наблюдения. Импульсы излучения, отраженные от объекта излучения, приходят в приемный объектив 9 приемного канала 2. Объектив 9 концентрирует принятое излучение на чувствительной площадке фотодиода 10. Тот преобразует импульсы излучения в электрические импульсы, которые усиливаются в усилителе 11. С его выхода импульсы поступают на второй вход измерителя временных интервалов 15 и на вход блока измерения амплитуды 12. Измеренная в блоке измерения амплитуды 12 величина амплитуды сопоставляется с указанным в том же блоке уровнем сигнала. Если в результате измерений в блоке сравнения 13 оказывается, что амплитуда отраженного сигнала отличается от установленного в блоке 12 уровня сигнала, то после его прихода в блок регулирования 18 на его выходе возникает сигнал, который изменяет усиление предварительного усилителя 8 и параметры фотодиода 10. Точность поддержания постоянства амплитуды определяет точность измерения дальности. Источник эталонного напряжения 19 формирует эталонный сигнал, который используется в блоке регулирования 18 в качестве опорного сигнала для формирования результирующего сигнала на выходе блока 18. Блок регулирования 18 запускает блок коррекции 14, который создает на выходе сигнал, поступающий на третий вход блока измерения временных интервалов 15 и обеспечивающий выход работы блока 15 на линейный участок его характеристики. В блоке 15 формируется сигнал, длительность которого зависит от разности времени прихода сигнала с задающего генератора импульсов 16 и сигнала с выхода усилителя 11. Этот результирующий сигнал, пропорциональный дальности до объекта наблюдения, оцифруется в блоке 15 и поступает в индикатор дальности 17, где преобразуется в высвечиваемое на светодиодном табло индикатора дальности 17 в виде ее цифрового значения. Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель 6 генерирует излучение на длине волны 0,85 мкм или 0,9 мкм либо 1,55 мкм. В соответствии с этим выполнено дихроичное покрытие наклонного дихроичного зеркала 20. Оно пропускает излучение на длинах волн 0,85, 0,9 и 1,55 мкм, но отражает видимый свет в области спектра 0,38-0,78 мкм. Благодаря этому объектив 9 используется также и в качестве объектива дневного визира 3. С помощью дихроичного наклонного зеркала 20 и плоского зеркала 21 объектив 9 приемного канала 2, являющийся также объективом дневного визирного канала 3, сопряжен с оборачивающей системой 22 этого канала. Она создает изображение объекта наблюдения и окружающего его фона в своей плоскости изображения. В ней же находится сетка 23 этого канала с перекрестием. С ней сопряжен выход блока индикации 17. Благодаря этому в периферической части поля зрения проектируется цифровое значение дальности до объекта наблюдения. Сетка 23 наблюдается оператором через окуляр 24 дневного визирного канала 3. Цифровой магнитный компас 4 позволяет не только ориентироваться по странам света, но измеряет углы по вертикали и горизонту. Поскольку выходы цифрового магнитного компаса 4 сопряжены с сеткой 23, то на ней в периферической части поля зрения представляется информация об ориентации оператора по отношению к странам света и угловые координаты положения объекта наблюдения. Эти координаты передаются также в блок измерения координат 25, данные с выхода которого, пропорциональные соответствующим линейным перемещениям объекта наблюдения по отношению к центру поля зрения, поступают в первый контроллер 26. В нем осуществляется дифференцирование этих сигналов. Известно, что первая производная линейного перемещения есть скорость. Благодаря этому в первом контроллере 26 создаются сигналы, пропорциональные скорости перемещения объекта в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазерного дальномера. Эти сигналы поступают в блок измерения скорости 29. Со второго выхода измерителя временных интервалов 15 сигнал, пропорциональный дальности до объекта наблюдения, поступает во второй контроллер 28. В нем сигнал дифференцируется и преобразуется в скорость перемещения объекта в направлении оптической оси лазерного дальномера. Этот сигнал с выхода контроллера 28 поступает в блок измерения скорости 29. В нем алгебраически суммируются скорости перемещения объекта по всем трем координатам. В результате этого на выходе блока 29 формируется сигнал, несущий информацию о скорости движения объекта наблюдения при его произвольном перемещении по отношению к оптической оси лазерного дальномера. Этот сигнал передается в блок регулирования 18 для оперативной корректировки его работы, а также на сетку 23, где в ее периферической части отображается численное значение этой скорости. Значения координат с третьего и четвертого выходов блока измерения координат 25 поступают в блок регулировки частоты 27. Благодаря этому частота работы задающего генератора импульсов 16 и соответственно лазерного дальномера изменяется в зависимости от перемещения объекта наблюдения в поперечном направлении по отношению к оптической оси лазерного дальномера. Чем больше перемещение, тем выше частота. Если при нахождении объекта наблюдения в центре поля зрения рабочая частота лазерного дальномера составляет 3-5 Гц, то на краю поля зрения доходит до 15-25 Гц. Такое увеличение рабочей частоты в соответствии с перемещением объекта наблюдения в процессе его движения от центра поля зрения позволяет повысить вероятность определения дальности до объекта. Если в устройстве-прототипе при расположении изображения объекта наблюдения в центре поля зрения точность измерения дальности составляла ±1 м на дальности до 2000 м при вероятности 0,85, то при перемещении изображения объекта в поперечном направлении по отношению к оптической оси лазерного дальномера точность измерения дальности снижалась до ±10 м на дальности до 2000 м при вероятности менее 0,5. В предлагаемом устройстве, как в центре поля зрения, так и при движении объекта наблюдения по отношению к нему в поперечном направлении со скоростью до 200 км/ч точность измерения дальности составила не более ±1 м на дальности до 2000 м при вероятности 0,85. При этом точность измерения скорости составляла не более ±1 км/ч при скорости движения объекта наблюдения до 200 км/ч.
В настоящее время разработана конструкция предложенного лазерного дальномера и успешно проведены испытания его макета.
Таким образом, в предложенной полезной модели повышается эффективность измерения, а именно точность измерения дальности при условии обеспечения измерения скорости перемещения объекта наблюдения в любом направлении, за счет применения дополнительных электронных блоков, позволяющих обеспечить прием и обработку сигнала о дальности и скорости перемещения объекта наблюдения в пространстве.