ЛИДАР
LIDAR

Область техники
Изобретение относится к лидарам с управлением лазерным излучением без подвижных частей с возможностью управления интенсивностью, частотой, фазовыми характеристиками и направлением светового излучения и может найти применение в ряде специальных областей: оптической локации, робототехнических комплексах, автомобильной промышленности, самолетостроении, беспилотной авиации, системах предупреждения столкновения с препятствиями, картографии и навигации, космической геодезии, системах машинного зрения, строительстве, горном деле, системах подводного зрения, при исследовании атмосферы, разминировании и при спасении людей на море и на суше.
Уровень техники
Известен лидар, содержащий вращающуюся призму, двигатель для вращения призмы, лазерный источник света, передающий и приемный тракты. Недостатком этого устройства является необходимость стабилизации вращающейся призмы, существенные ограничения по угловым скоростям и ускорениям сканирующей системы, недолговечность работы устройств вращения, а также большие масс-габаритные параметры и энергопотребление [патент US 20110216304 А1].
Известен лидар, содержащий матрицу излучающих лазерных диодов, матрицу фотоприемных элементов, диаграмма направленности которых формирует поле зрения, систему коммутации, усиления, фильтрации и согласования сигнала, быстродействующую схему аналого-цифрового преобразователя, схему цифровой обработки сигнала, выполненную на программируемой логической интегральной схеме. Недостатком этого лидара является малое угловое разрешение, ограниченное количеством пар «приемник - передатчик», малое быстродействие вследствие использования фазового метода измерения дальности и использования аналого-цифрового преобразователя [патент US 20150219764 A1].
Наиболее близким изобретением является лидар, содержащий лазерный излучатель, модулятор, выходную оптическую систему, приемный оптико-электронный тракт, цифровой вычислитель, потребитель информации, драйвер лазерного излучателя, блок управления модулятором, блок синхронизации [патент RU 2690537].
Недостатком такого лидара является отсутствие системы стабилизации температуры модулятора, что может приводить к изменению амплитуды и времени отклика модулятора, а также частоты смены кадров лидара.
Задачей настоящего изобретения является стабилизация температуры работы модулятора, с целью поддержания в рамках заданных технических требований амплитуды времени отклика сканирующего излучения, частоты смены кадров лидара и улучшение качества работы лидара в сложных температурных условиях.
Сущность изобретения
Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.
ij
ij
Лидар согласно нашему изобретению содержит лазерный излучатель, модулятор, выходную оптическую систему, направленную на объект наблюдения, приемный оптико-электронный тракт, направленный на объект наблюдения, электрически связанный с цифровым вычислителем, потребитель информации, электрически связанный с цифровым вычислителем, драйвер лазерного излучателя, блок управления модулятором, блок синхронизации, причем лазерный излучатель, модулятор и выходная оптическая система расположены на одной оптической оси, причем драйвер лазерного излучателя электрически связан с лазерным излучателем, блок управления электрически связан с модулятором, цифровым вычислителем и блоком синхронизации, причем лазерный излучатель содержит импульсный лазерный источник и коллиматор, расположенные на одной оптической оси, причем модулятор содержит диэлектрическую призму полного внутреннего отражения, прозрачный электропроводящий слой, нанесенный на гипотенузную грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения, гелеобразный прозрачный слой, оптически контактирующий с электропроводящим слоем, двуслойную структуру, расположенную над гелеобразным прозрачным слоем с зазором, причем двуслойная структура содержит последовательно расположенные диэлектрическую подложку и систему электродов, обращенную к гелеобразному прозрачному слою, причем катетная грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения перпендикулярна оптической оси коллиматора, при этом система электродов электрически контактирует с блоком управления, а система электродов содержит проводящую матричную сетку с n х m штуками диэлектрических ячеек p, причем в ячейках проводящей матричной сетки размещена матрица электродов из n х m штук электродов, причем каждый электрод матрицы электродов разделен диэлектриком от проводящей матричной сетки, причем проводящая матричная сетка электрически соединена с блоком управления, содержащим источник опорного напряжения, и матрицу источников сигнала из n х m источников сигнала U, при этом один полюс источника опорного напряжения подключен к прозрачному проводящему слою, а другой его полюс соединен с проводящей матричной сеткой, при этом каждый электрод из матрицы электродов электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы источников сигала из n х m источников сигнала, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала заземлен, причем блок синхронизации электрически соединен с драйвером лазерного излучателя и с блоком управления, при этом выходная оптическая система содержит, например, адаптивную отражательную оптику, оптически направленную на объект наблюдения, при этом приемный оптико-электронный тракт оптически направлен на объект наблюдения и содержит объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемный элемент, согласующий электронный тракт, регистрирующую электронную схему, причем объектив, полосовой оптический фильтр и фотоприемный элемент расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент электрически соединен с согласующим электронным трактом, при этом согласующий электронный тракт электрически соединен с регистрирующей электронной схемой, при этом регистрирующая электронная схема электрически соединена с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с драйвером и блоком синхронизации, причем регистрирующая электронная схема содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, первую схему пороговой обработки сигнала, вторую схему пороговой обработки сигнала, регистратор времени отклика, устройство задания порога срабатывания, при этом в лидар введены датчик температуры, блок стабилизации температуры, содержащий источник напряжения, стабилизатор температуры, при этом блок стабилизации температуры электрически соединен с модулятором и блоком управления модулятора, а первый электрический контакт и второй электрический контакт нанесены на торцевые поверхности призмы полного внутреннего отражения, при этом первый электрический контакт и второй электрический контакт электрически соединены с прозрачным проводящим слоем, причем источник напряжения одним концом соединен с первым электрическим контактом, а другим концом через стабилизатор температуры со вторым электрическим контактом, причем датчик температуры размещен, например, на гипотенузой грани призмы полного внутреннего отражения и электрически соединен со стабилизатором температуры.
Кроме того фазированный лидар по настоящему изобретению содержит излучатель и модулятор, причем модулятор содержит прямоугольную плоскопараллельную прозрачную диэлектрическую подложку, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем, с гелеобразным слоем, с зазором и с двуслойной структурой, причем поверхность системы электродов, обращенная к зазору, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника, причем отраженное излучение от системы электродов направлено на выходную оптическую систему, причем на торцевые противоположные поверхности прямоугольной плоскопараллельной прозрачной диэлектрической подложки нанесены первый электрический контакт и второй электрический контакт, при этом первый электрический контакт и второй электрический контакт электрически соединены с прозрачным проводящим слоем, при этом источник напряжения одним концом соединен с первым электрическим контактом, а другим концом через стабилизатор температуры со вторым электрическим контактом, причем датчик температуры размещен, например, на одной из торцевых поверхностей прямоугольной плоскопараллельной прозрачной диэлектрической подложки и электрически соединен со стабилизатором температуры.
Перечень фигур
На Фиг. 1 показана общая конструкция лидара.
На Фиг. 2 показан пример конструкции лазерного излучателя, модулятора и выходной оптической системы.
На Фиг. 3 показан разрез модулятора.
На Фиг. 4 показан пример конструкции системы электродов и блока управления модулятора.
На Фиг. 5 показана конструкция приемного оптико-электронного тракта.
На Фиг. 6 показана общая конструкция регистрирующей электронной схемы.
На Фиг. 7. показан пример конструкции блока стабилизации температуры и модулятора с датчиком температуры и электрическими контактами.
На Фиг. 8. показан пример варианта конструкции призмы полного внутреннего отражения с электрическими контактами и датчиком температуры.
На Фиг. 9 показан пример варианта конструкции лазерного излучателя, модулятора и выходной оптической системы, работающей на отражение.
На Фиг. 10 показан принцип формирования фазированной оптической решетки.
На Фиг. 11 показано формирование набега фазы фазированной оптической решетки.
На Фиг. 12 показана временная диаграмма формирования рельефа и набега фазы.
На Фиг. 13. показан пример временной диаграммы отклика рельефа на входной электрический сигнал при различных зазорах модулятора.
На Фиг. 14. показан пример экспериментальных спектральных характеристик пропускания гелеобразного слоя толщиной 20 мкм.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
ij
ij
Лидар (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) содержит лазерный излучатель 1, модулятор 2, выходную оптическую систему 3, направленную на объект наблюдения 4, приемный оптико-электронный тракт 5, направленный на объект наблюдения 4, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, потребитель информации 7, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, драйвер 8 лазерного излучателя 1, блок управления 9 модулятором 2, блок синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1, модулятор 2 и выходная оптическая система 3 расположены на одной оптической оси, причем драйвер 8 лазерного излучателя 1 электрически связан с лазерным излучателем 1, блок управления 9 электрически связан с модулятором 2, цифровым вычислителем 6 и блоком синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1 содержит импульсный лазерный источник 11 и коллиматор 12, расположенные на одной оптической оси, причем модулятор 2 содержит диэлектрическую призму полного внутреннего отражения 13, прозрачный электропроводящий слой 14, нанесенный на гипотенузную грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13, гелеобразный прозрачный слой 15, оптически контактирующий с электропроводящим слоем 14, двуслойную структуру 16, расположенную над гелеобразным прозрачным слоем 15 с зазором 17, причем двуслойная структура 16 содержит последовательно расположенные диэлектрическую подложку 18 и систему электродов 19, обращенную к гелеобразному прозрачному слою 15, причем катетная грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13 перпендикулярна оптической оси коллиматора 12, при этом система электродов 19 электрически контактирует с блоком управления 9, а система электродов 19 содержит проводящую матричную сетку 20 с n х m штуками диэлектрических ячеек p, причем в ячейках проводящей матричной сетки 20 размещена матрица 21 электродов из n х m штук электродов, причем каждый электрод матрицы 21 электродов разделен диэлектриком 22 от проводящей матричной сетки 20, причем проводящая матричная сетка 20 электрически соединена с блоком управления 9, содержащим источник опорного напряжения 23, и матрицу 24 источников сигнала из n х m источников сигнала U, при этом один полюс источника опорного напряжения 23 подключен к прозрачному проводящему слою 14, а другой его полюс соединен с проводящей матричной сеткой 20, при этом каждый электрод матрицы 21 электродов электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы 24 источников сигнала из n х m источников сигнала, при этом другой полюс каждого из источников сигнала матрицы 24 заземлен, причем блок синхронизации 10 электрически соединен с драйвером 8 лазерного излучателя 1 и с блоком управления 9, при этом выходная оптическая система 3 содержит, например, адаптивную отражательную оптику, оптически направленную на объект наблюдения 4, при этом приемный оптико-электронный тракт 5 оптически направлен на объект наблюдения 4 и содержит объектив 25, полосовой оптический фильтр 26, фотоприемный элемент 27, согласующий электронный тракт 28, регистрирующую электронную схему 29, причем объектив 25, полосовой оптический фильтр 26 и фотоприемный элемент 27 расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент 27 электрически соединен с согласующим электронным трактом 28, при этом согласующий электронный тракт 28 электрически соединен с регистрирующей электронной схемой 29, при этом регистрирующая электронная схема 29 электрически соединена с цифровым вычислителем 6, при этом цифровой вычислитель 6 электрически соединен с драйвером 8 и блоком синхронизации 10, причем регистрирующая электронная схема 29 содержит усилитель 30 с регулируемым коэффициентом усиления, первую схему 31 пороговой обработки сигнала, вторую схему 32 пороговой обработки сигнала, регистратор 33 времени отклика, устройство задания порога срабатывания 34, при этом в лидар введены датчик 38 температуры, блок стабилизации 39 температуры, содержащий источник напряжения 36, стабилизатор 37 температуры, при этом блок стабилизации 39 температуры электрически соединен с модулятором 2 и блоком 9 управления модулятора, а первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41 нанесены на торцевые противоположные поверхности призмы 13 полного внутреннего отражения, при этом первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41 электрически соединены с прозрачным проводящим слоем 14, причем источник напряжения 36 одним концом соединен с первым электрическим контактом 40, а другим концом через стабилизатор 37 температуры со вторым электрическим контактом 41, причем датчик 38 температуры размещен, например, на гипотенузой грани призмы 13 полного внутреннего отражения и электрически соединен со стабилизатором 37 температуры.
В другом варианте осуществления изобретения (Фиг. 9) в модулятор 2 введена прямоугольная плоскопараллельная прозрачная диэлектрическая подложка 35, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель 1, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем 14, с гелеобразным слоем 15, с зазором 17 и с двуслойной структурой 16, причем поверхность системы электродов 19, обращенная к зазору 17, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника 11, причем отраженное излучение от системы электродов 19 направлено на выходную оптическую систему 3, при этом первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41 нанесены на торцевые противоположные поверхности прямоугольной плоскопараллельной прозрачной диэлектрической подложки 35, при этом первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41 электрически соединены с прозрачным проводящим слоем 14, при этом источник напряжения 36 одним концом соединен с первым электрическим контактом 40, а другим концом через стабилизатор 37 температуры со вторым электрическим контактом 41, причем датчик 38 температуры размещен, например, на одной из торцевых поверхностей прямоугольной плоскопараллельной прозрачной диэлектрической подложки 35 и электрически соединен со стабилизатором 37 температуры.
Предложенное устройство работает следующим образом.
ij
0
1
4
1
4
В предложенном устройстве лидара (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает диэлектрическую призму полного внутреннего отражения 13, модулятора 2 (Фиг. 2). Электрические сигналы, которые вырабатываются цифровым вычислителем 6 в блоке управления 9 с помощью драйвера 8 и блока синхронизации 10, поступают в модулятор 2. В модуляторе 2 под действием электрических сигналов, от матрицы 24 источников сигнала из n х m источников сигнала U в системе электродов 19 на матрице 21 электродов из n х m штук электродов, расположенных на диэлектрической подложке 18 и разделенных диэлектриком 22 от проводящей матричной сетки 20, создается модулированная напряженность электрического поля (Фиг. 2, 3, 4). Для усиления этой напряженности используется источник опорного напряжения 23 U, который подключен одним полюсом к прозрачному проводящему слою 14, а другим к проводящей сетке 20. (Фиг. 4). Под действием этой модулированной напряженности на поверхности гелеобразного прозрачного слоя 15 в зазоре 17 создается геометрический рельеф с периодом фазовой дифракционной решетки λ (Фиг. 3, 10, 11, 12). Детально работа модулятора 2 описана в книге Ю.П. Гущо «Физика рельефографии» Наука, М., 1999. Применение проводящей матричной сетки 20 позволяет устранить перекрестное влияние сигналов и увеличить чувствительность управления лидаром. Высота рельефа регулируется заданным напряжением каждого источника сигнала матрицы 24. В свою очередь глубина рельефа изменяет набег фазы ψ когерентного лазерного излучения, который можно определить по формуле:  где А - глубина рельефа;  - длина волны считывающего излучения; n=1,41 - коэффициент преломления гелеобразного слоя (Фиг. 2, 9). Задавая управляющие напряжения соответствующих областей модулятора U(t)…U(t) (Фиг. 12а) и амплитуды рельефа соответствующих областей фазового модулятора света a(t)…a(t) (Фиг. 12б), можно управлять волновым фронтом (Фиг. 11, 12) светового излучения с целью сканирования объекта наблюдения 4. При этом с помощью адаптивной выходной оптической системы 3 может быть введена коррекция углов сканирования. Отраженное излучение от объекта наблюдения 4 поступает в приемный оптико-электронный тракт 5. Оптическое излучение проходит через объектив 25, полосовой оптический фильтр 26 и поступает в фотоприемный элемент 27, где преобразуется в электрический сигнал (Фиг. 1, 5, 6). Этот электрический сигнал через согласующий электронный тракт 28 поступает в регистрирующую электронную схему 29, где сигнал обрабатывается с помощью усилителя 30 (Фиг. 6) с регулируемым коэффициентом усиления, первой схемой 31 пороговой обработки сигнала, вторая схема 32 пороговой обработки сигнала, регистратором 33 времени отклика, устройством 34 задания порога срабатывания. Далее электрический сигнал поступает в цифровой вычислитель 6, в котором происходит программная обработка полученных электрических сигналов. Далее выработанные сигналы передаются в потребитель информации 7, драйвер 8 лазерного излучателя 1, блок 9 управления модулятора 2 и блок синхронизации 10. При поступлении сигнала об изменении температуры модулятора 2 в стабилизатор 37 температуры от датчика 38 температуры стабилизатор 37 температуры изменяет величину электрического тока, поступающего на первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41. В результате изменения величины тока, проходящего по прозрачному электропроводящему слою 14, происходит либо увеличение, либо уменьшение температуры этого слоя и контактирующего с ним гелеобразного слоя 15. Тепло отводится, например, через диэлектрическую призму 13 полного внутреннего отражения. Конкретная схема теплоотвода зависит от конкретных условий эксплуатации и выполняется известными методами [Орлов М.Е. Теоретические основы теплотехники, 2013, Ульяновск].
Достоинством предлагаемого лидара является возможность сканирования в виде круговых, секторных, винтовых, спиральных, конических, пилообразных, зигзагообразных, спирально-, конических, поступательно-конических траекторий (Э.А. Засовин и др. «Радиотехнические и радиооптические системы», М.: Круглый год, 752 с., 2001). Важным преимуществом лидара является возможность использования всего светового потока в каждой точке траектории сканирования. Еще одним достоинством лидара является возможность сканирования с помощью относительно небольшого количество элементов матрицы электродов. Уникальным достоинством предлагаемого лидара является наличие автоматической системы под держания температуры лидара в заданных технических условиях, что особенно важно в работе лидара при колебаниях температуры окружающей среды. Необходимо отметить высокое быстродействие предлагаемого лидара благодаря применению модулятора. Его быстродействие на 3 порядка выше, чем быстродействие модуляторов LCoS и DMD («LCoS spatial light modulators as active phase elements of full-field measurement systems and sensors», Kujawinska Malgorzata, Porras-Aguilar Rosario, Zaperty Weronika, Metrology and Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229, Metrol. Meas. Syst., Vol. XIX (2012), No. 3, pp. 445-458; «Second-generation compound for the modulationof utrophin in the therapy of DMD», Simon Guiraud, Sarah E. Squire, Benjamin Edwards, Huijia Chen, David Т., Human Molecular Cenetics, 2015, 1-15). Особенно следует отметить уникальную оптическую полосу пропускания модулятора. На Фиг. 14 приведены экспериментальные характеристики оптической полосы пропускания от 0,4 до 25 мкм. Это открывает возможности создания приборов нового поколения в дальней инфракрасной области излучения.
В другом варианте осуществления устройство работает следующим образом (Фиг. 9). Лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает прямоугольную плоскопараллельную прозрачную диэлектрическую подложку 35, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель 1, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем 14, с гелеобразным слоем 15, с зазором 17 и с двуслойной структурой 16, причем поверхность системы электродов 19, обращенная к зазору 17, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника 11, причем отраженное излучение от системы электродов 19 направлено на выходную оптическую систему 3. В этом варианте осуществления изобретения упрощается конструкция модулятора 2 благодаря отсутствию диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13, а также устраняет необходимость оптической коррекции светового излучения. Также в этом варианте осуществления изобретения при регулировании температуры модулятора 2 отведение тепла происходит в прямоугольную плоскопараллельную прозрачную диэлектрическую подложку 35, при необходимости отвод тепла может быть выполнен с помощью известных методов, описанных, например, в [Орлов М.Е. Теоретические основы теплотехники, 2013, Ульяновск]. В случае снижения (повышения) температуры модулятора 2 автоматически происходит, нагрев (охлаждение) прозрачного электропроводящего слоя 14 с помощью блока 39 стабилизации температуры.
Пример реализации изобретения
Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.
В качестве когерентного импульсного лазерного источника света 11 могут быть использованы, например, полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. Для обеспечения достаточного уровня быстродействия и высокой энергоэффективности в качестве коммутирующих элементов драйвера когерентного источника света целесообразно применять транзисторы на нитриде галлия, позволяющие формировать зондирующие импульсы длительностью менее 1 не и оптической энергией не менее 70 нДж. Реализация устройства драйвера 8 может быть осуществлена известными методами (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).
В качестве элементов приемного оптико-электронного тракта 5, цифрового вычислителя 6, потребителя информации 7, драйвера 8, блока управления 9 модулятора, блока синхронизации 10 могут быть использованы стандартные микросхемы, или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств. Для индивидуального управления системы электродов 19 модулятора 2 для оптимизации количества электрических соединений целесообразно использовать многоканальные драйверы с последовательной загрузкой данных в регистр-защелку и возможностью последовательного объединения (например, HV583).
Система электродов 19, включая матрицу 21 и проводящую матричную сетку 20, может быть выполнена из алюминия, хрома, молибдена, окиси индия. Толщина системы электродов 19 может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Зазор 17 может быть заполнен воздухом или инертным газом, толщиной, например, 10 мкм. Толщину гелеобразного прозрачного слоя 15, можно выбрать, например, 60 мкм. Электрические сигналы на вход модулятора 2, могут быть, например, выбраны следующими: максимальное напряжение сигнала 15-20 Вольт, длительность управляющего импульса 7 мкс. Опорное напряжение может быть выбрано, например, 50 Вольт. Первый электрический контакт 40 и второй электрический контакт 41 могут быть выполнены, например, из хрома, молибдена, алюминия, окиси индия.
Диэлектрическая призма полного внутреннего отражения 13 и прямоугольная плоскопараллельная прозрачная диэлектрическая подложка 35 могут быть выполнены из одного материала, например, из кварцевого стекла. Прозрачный электропроводящий слой 14 может быть выполнен, например, из материалов на основе окиси индия. Источник напряжения 35, стабилизатор температуры 37, датчик температуры 38, могут быть выполнены известными методами. Стабилизатор 37 температуры в простейшем случае может быть выполнен в виде регулируемого резистора в зависимости от температуры модулятора 2. Гелеобразный прозрачный слой 15 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК7: G02F 1/00). В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки.