Лазерный измеритель дальности с импульсно-кодовой модуляцией

Полезная модель относится к относится к оптическому приборостроению, а конкретно к техническим средствам измерения расстояния до объектов на местности с использованием лазерного излучения.
Известен импульсный лазерный дальномер (Патент на полезную модель №22386, G01C 3/00, 27.03.2002, Бюл. № 9), состоящий из импульсного твердотельного лазера, оптической визирно-приемной системы, оптической системы считывания информации о дальности, фотоприемного устройства, измерителя временных интервалов, цифрового табло и источника электропитания, в качестве фотоприемного устройства применен p-i-n фотодиод на основе соединений А3В5. Недостатками дальномеров на твердотельных лазерах с импульсной модуляцией являются высокая потребляемая мощность, опасность для зрения, низкая скрытность работы, недостаточная точность измерения дистанции, невысокая помехозащищенность от внешнего импульсного лазерного излучения.
Известен лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности (Патент на полезную модель № 167276, G01C 3/00, 27.12.2016, Бюл. № 36), состоящий из приемного и фазового каналов, в которых установлены импульсный полупроводниковый лазер, фотодиод, схема формирования импульсов тока, генератор импульсов, приемное устройство, схема управления и обработки информации, датчик импульсов излучения, дисплей, частотный полупроводниковый лазер, генератор модуляционных частот, усилитель частотных сигналов и схема измерения фаз. Достоинствами полезной модели являются более высокая точность и лучшая помехозащищенность. Недостатки этого устройства - высокая потребляемая мощность, опасность для зрения, низкая скрытность работы, усложнение конструкции за счет дополнительного фазового канала.
Задача - увеличение скрытности и помехозащищенности, снижение мощности излучения лазера.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение помехозащищенности и скрытности, снижение средней потребляемой мощности лазерного дальномера за счет применения импульсно-кодовой модуляции излучения лазера, при этом амплитуда импульсов может быть ниже уровня шума.
Для достижения указанного выше технического результата предложен лазерный измеритель дальности с импульсно-кодовой модуляцией, содержащий передающий канал, состоящий из установленных последовательно с линзами импульсных полупроводниковых лазеров, схемы формирования импульсов тока лазеров, датчика импульсов излучения, а также приемный канал, на входе которого установлены интерференционный фильтр и объектив приемного канала и четыре лавинных фотодиода, при этом в устройство дополнительно введены формирователи напряжения обратного смещения, трансимпедансные усилители, счетчики импульсов суммарного сигнала и шума, ПЛИС1 управления лазерами и обработки оптических сигналов, ОЗУ с М-ячейками памяти и ПЛИС2 сравнения напряжений в ячейках памяти с напряжением порогового уровня, причем ко входам импульсных полупроводниковых лазеров присоединен выход схемы формирования импульсов тока, вход которой связан с первым выходом, а счетчики импульсов входного сигнала и шума подключены ко второму и третьему входам ПЛИС1, при этом усиленный суммарный сигнал лавинных фотодиодов в виде импульсной последовательности подается на вход ОЗУ и после суммирования записывается в ячейках памяти, электрический выход датчика излучения присоединен к первому входу, а выход ОЗУ ко второму входу ПЛИС2, ее выход связан с входами формирователей напряжения обратного смещения, выходы формирователей соединены с катодами лавинных фотодиодов.
На фиг.1 представлена структурная схема лазерного измерителя дальности с импульсно-кодовой модуляцией, где римскими цифрами обозначены аппаратные модули дальномера:
I - передающий канал;
II - приемный канал;
III - блок управления и преобразования сигналов;
IV - блок корелляции и записи сигналов;
V - блок определения дальности и коррекции чувствительности.
При этом:
1, 2 - линзы лазерных диодов;
3, 4 - полупроводниковые лазеры (лазерные диоды);
5 - датчик излучения;
6 - схема формирования импульсов тока лазеров;
7 - интерференционный фильтр;
8 - объектив фотоприемного канала;
9, 10, 11, 12 - фотодиоды лавинные;
13, 14, 15, 16 - резисторы ограничительные;
17, 18 - устройства формирования напряжений смещения фотодиодов;
19, 20, 21, 22 - усилители трансимпедансные;
23, 24 - схемы «ИЛИ»;
25, 26 - счетчики импульсов;
27 - ПЛИС1;
28, 29 - схемы совпадений «И»;
30, 31 - сумматоры импульсов;
32, 33 - регистры сдвиговые;
34 - оперативное запоминающее устройство «ОЗУ» с ячейками памяти от 1 до М;
35 - ПЛИС2.
Устройство работает следующим образом.
Лазерный дальномер с импульсно-кодовой модуляцией сигнала построен по принципу оптимального кода. Задающий генератор в составе ПЛИС1 (27) формирует импульсы кодовой последовательности, которые подаются на вход схемы формирования импульсов тока лазеров (6). При этом лазеры дальномера (3, 4) излучают пачки импульсов, кодированных неким оптимальным кодом с минимальной расходимостью лучей, сфокусированных линзами (1, 2) передающего канала.
Данные кодовые последовательности могут состоять из множества единичных импульсов, но уникальность этих кодов в том, что если вычислить корреляционную функцию этой последовательности, то можно обнаружить, что боковые составляющие данной функции имеют значение не больше энергии одного импульса.
При излучении импульсов высокоскоростными лазерами, часть энергии импульсов отражается от поверхностей линз и попадает на датчик излучения (5), который преобразует оптический сигнал в электрические строб-импульсы и запускает блок измерения временных интервалов в составе ПЛИС2 (35). Излученный сигнал, амплитуда которого не превышает средний уровень оптических шумов и фонов, кодированный оптимальным кодом, достигает объекта, после отражения от него попадает на вход приемного канала. Пройдя через интерференционный фильтр (7) и объектив (8), шумоподобный сигнал облучает приемную площадку лавинного фотодиода (9), который в зависимости от напряжения обратного смещения, создаваемого формирователями (17, 18), может находиться в режиме счета фотонов или в режиме счетчика Гейгера. Режим счетчика Гейгера реализуется при подаче высокого обратного напряжения для обнаружения малых оптических сигналов от удаленных объектов до тех пор, пока не зафиксирован код входной импульсной последовательности (ВИП). С целью уменьшения «мертвого» времени счетчиков, последовательно с фотодиодами включены ограничивающие резисторы (13-16). Кроме того, в это время с некоторой задержкой подается такое же напряжение на фотодиод (11), который сокращает вдвое паузу, вызванную насыщением диода (9) Чтобы отличить шумовые и фоновые сигналы от сигналов объектов наблюдения, используется вторая пара лавинных фотодиодов (10, 12), на которую подают такое же смещение, как и на фотодиоды (9, 11). Однако фотоприемные площадки этих диодов развернуты по отношению к площадкам диодов (9) и (11) и на них попадают, в основном, фоновые и шумовые сигналы. Как только на вход приемного канала попадает сигнал, отличающийся по амплитуде от фонового, напряжение смещения на диодах снижается. При снижении обратного напряжения лавинный фотодиод переходит в режим счета отдельных импульсов, амплитуда которых зависит от числа зарегистрированных фотонов. В дальнейшем, несмотря на то, что напряжение смещения уменьшают, амплитуда импульсов увеличивается за счет суммирования импульсов ВИП. В этом режиме дальномер оказывается работоспособным даже тогда, когда амплитуда отдельных импульсов будет ниже уровня шума, поскольку шумовые сигналы являются случайными, а сигналы оптимального кода являются детерминированными и регистрируются через заданные промежутки времени.
Электрические сигналы со всех лавинных фотодиодов подаются на входы трансимпедансных усилителей (19-22). Усиленные импульсы сигналов от объекта и шума через схемы (23, 24) «ИЛИ» нормируются по напряжению и подаются на входы счетчиков электрических импульсов (25, 26), откуда в двоичном коде поступают на второй и третий входы ПЛИС1 (27). Вместе с тем, нормированный сигнал на выходе схемы (23) представляет собой входную импульсную последовательность, содержащую оптимальный код в смеси с шумовыми сигналами. Для восстановления кода ВИП нормированный по амплитуде импульсный сигнал с выхода схемы (23) подается на вход ОЗУ (34). В ОЗУ реализуются М виртуальных корреляторов, сигналы которых записываются в ячейки памяти.
Для восстановления ВИП из М импульсов необходимо на схемы «И» (28 или 29) подать задержанный регистрами сдвига (32 или 33) сигнал строб-импульса и сигнал ВИП, при совпадении импульсов по времени на выходе схем совпадений (28 и 29) будут сформированы импульсы, которые в сумматорах (30,31) складываются с сигналом ОЗУ и записываются в ячейки памяти с номерами от 1 до М.
Далее цифровой сигнал поступает в ПЛИС2 (35), где в результате сравнения с напряжением порогового уровня находится отношение правдоподобия и производится корректировка напряжения обратного смещения лавинных диодов с целью максимизации вероятности обнаружения, а также определяется число объектов (целей) и их дальности.
Достоинствами дальномера с импульсно-кодовой модуляцией являются возможности управления мощностью излучения не только за счет изменения амплитуды и длительности импульсов лазера, но и путем изменения количества импульсов оптимальных кодов. Кроме того, существует возможность задания эффективной длины кода для предполагаемой дальности с целью увеличения разрешающей способности измерителя.
Таким образом, предлагаемая полезная модель лазерного измерителя дальности с импульсно-кодовой модуляцией обладает преимуществами перед аналогами, обеспечивает повышение помехозащищенности и скрытности, снижение средней потребляемой мощности, уменьшение вредного воздействия на глаза наблюдателей.