УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА
UNIVERSAL INSTALLATION FOR INSPECTION OF LASER RANGE FINDER

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, более конкретно - к устройствам контроля параметров, дальности действия и чувствительности импульсных лазерных дальномеров, в которых дальность определяется по времени прохождения лазерного импульса от дальномера к наблюдаемому объекту и от него обратно к дальномеру.
Известны устройства для контроля лазерного дальномера по патенту РФ №2222792 (МПК G01M 11/02, G01B 11/26, публ. 27.01.2004 г. с приоритетом от 15.04.2002 г.) и по патенту на полезную модель №114363 (МПК G01B 11/26, G02B 27/62, публ. 20.03.2012 г. с приоритетом от 06.07.2011 г.), в которых контролируется только один параметр дальномера: непараллельность осей передающего и визирного (первый патент) и приемного и визирного (второй патент) каналов проверяемого дальномера.
Наиболее близким техническим решением является установка для бестрассовой проверки лазерного дальномера по патенту РФ №2541677 (МПК G01C 3/00, публ. 20.02.2015 г. с приоритетом от 26.04.2013 г.), содержащая ослабитель мощности лазерных импульсов проверяемого дальномера, устройство формирования стартового импульса, устройство сопряжения, персональный компьютер, источник питания лазерного излучателя, лазерный излучатель, оптическую систему формирования лазерного пучка, систему, обеспечивающую требуемую мощность импульса, приходящего в приемный канал дальномера, оптическую систему сопряжения с приемным каналом дальномера, через которую заводится с помощью оптической системы сетки и куб-призмы прицельная сетка в дальномер, питающаяся от отдельного источника питания. Установка состоит из оптико-механического блока, блока питания и согласования, персонального компьютера и фильтра сетевого. Оптико-механический блок содержит расположенные параллельно канал приема излучения лазерного дальномера, включающий светорассеивающее окно, ослабитель, волоконно-оптический жгут и устройство формирования стартового импульса, и выходной канал, включающий лазерный излучатель, оптическую систему формирования лазерного пучка, систему, обеспечивающую требуемую мощность импульса лазера (диск с набором калиброванных диафрагм для получения мощности импульса лазерного излучателя соответствующей мощности, отраженной от объекта наблюдения), оптическую систему сопряжения с лазерным дальномером и диафрагму, а также оптическую систему сетки для ввода в выходной канал светящейся светодиодной сетки через куб-призму. Блок питания и согласования содержит источники питания лазерного излучателя и сетки, а также устройство согласования стартового импульса со входом персонального компьютера и выработки по команде с него сигнала управления лазерного излучателя.
Принцип действия установки заключается в следующем. Оптико-механический блок установки с помощью специальных винтов крепится на столе оптической скамьи. Проверяемый дальномер устанавливается таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала дальномера и оптические оси выходного канала и приемного канала установки занимали бы положение, при котором диаметр выходного отверстия объектива установки и диаметр входного отверстия приема лазерного излучения установки вписывались в диаметр входного отверстия приемного канала дальномера. Выставка оптических осей осуществляется с помощью подвижек столика оптической скамьи. Окончательная юстировка установки и лазерного дальномера осуществляется путем совмещения изображений световой сетки установки с сеткой дальномера. После включения сетевого напряжения и подачи напряжения на все блоки питания установка готова для измерения. После включения персонального компьютера и запуска рабочей программы в основном окне компьютера устанавливается значение измеряемой дальности. Стартовый импульс, соответствующий моменту испускания импульса дальномера, запускает через блок сопряжения персональный компьютер. Через время, соответствующее времени прохождения светового импульса от лазерного дальномера до объекта и обратно на входное окно приемного блока дальномера, вырабатывается управляющий сигнал компьютера, который через блок сопряжения запускает лазер установки. Световой импульс через объектив установки попадает на объектив приемного канала дальномера и вырабатывает значение дальности. Разность между заданной дальностью и измеренной представляет ошибку. Задержка светового импульса при формировании импульса «старт» и все другие задержки точно определяются и компенсируются путем коррекции времени задержки в компьютере.
Недостатками установки являются:
- ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием измерения важных энергетических параметров лазерного излучения, контроля параллельности осей каналов проверяемого дальномера и возможности проверки малогабаритных дальномеров с малым диаметром входного отверстия приемного канала;
- отсутствие возможности контроля одним устройством лазерных дальномеров с разными длинами волн излучения;
1
2
Техническим результатом предложения является создание одной универсальной установки для измерения энергии и формы импульса излучения, параллельности осей каналов и дальности действия лазерного дальномера, как малогабаритного, так и крупногабаритного, для двух возможных его излучений с длинами волн λ и λ без перестройки при повышении точности измерения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известной установке для бестрассовой проверки лазерного дальномера, содержащей ослабитель мощности лазерных импульсов проверяемого дальномера, устройство формирования стартового импульса, устройство сопряжения, персональный компьютер, источник питания лазерного излучателя, лазерный излучатель, дополнительно введены:
- устройство зеркальное, содержащее внеосевое параболическое зеркало;
1
2
- устройство фокальное, содержащее визуализатор лазерного излучения, установленный в фокальной плоскости параболического зеркала, две плоскопараллельные пластины со светоделительным покрытием и переключающееся зеркало, установленные между визуализатором и параболическим зеркалом, которые делят ось устройства фокального на три канала, в которых установлены соответственно телевизионная камера, сопряженная с персональным компьютером и визуализатором посредством объектива, осветитель в виде светодиода с диафрагмой, установленной в фокальной плоскости параболического зеркала, лазерный излучатель в виде двух лазерных диодов с формирующими системами и калиброванными оптическими ослабителями излучения для двух возможных излучений проверяемого дальномера с длинами волн λ и λ, устройство сопряжения в виде цифровой платы, сопряженной с лазерными диодами и персональным компьютером и управляемой им;
- устройство анализа лазерного излучения, содержащее ослабитель мощности лазерных импульсов проверяемого дальномера и устройство формирования стартового импульса в виде блока фотоприемников с ослабителями, телескопическую систему, зеркальный шарнир, состоящий из двух взаимно-параллельных зеркал, одно из которых заменяемое и перемещающееся, и измеритель энергии лазерного излучения, сопряженный с персональным компьютером и устанавливаемый при измерении между блоком фотоприемников и телескопической системой;
- осциллограф, соединенный с блоком фотоприемников и цифровой платой.
Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 представлена схема расположения и взаимосвязи основных устройств и компонентов установки, на фиг. 2 - макет установки.
1
2
Универсальная установка для проверки лазерного дальномера содержит устройство зеркальное 1, основным элементом которого является внеосевое параболическое зеркало, рабочий световой размер входного окна которого является входным окном установки, и работающее без перестройки для двух возможных излучений проверяемого дальномера с длинами волн λ и λ, устройство фокальное 2, предназначенное для контроля оптической оси визира и выполнения испытательных работ контролируемых каналов проверяемого дальномера, устройство анализа лазерного излучения 3, обеспечивающее формирование «старт-импульса» и измерение энергии и формы импульса излучения лазера проверяемого дальномера, персональный компьютер 4, измеритель энергии лазерного излучения 5, осциллограф 6, блок питания 7, сетевой адаптер 8.
1
2
Устройство фокальное 2 содержит визуализатор лазерного излучения 9, установленный в фокальной плоскости параболического зеркала, две плоскопараллельные пластины со светоделительным покрытием 10, 11, и переключающееся зеркало 12, которые делят оптическую ось устройства фокального на приемный, визирный и передающий каналы, в которых установлены соответственно телевизионная камера 13, сопряженная с персональным компьютером 4 и визуализатором 9 посредством объектива 14, светодиод с диафрагмой 15, установленной в фокальной плоскости параболического зеркала, два лазерных диода 16 с формирующими системами и калиброванными оптическими ослабителями лазерного излучения 17 с длинами волн λ и λ, обеспечивающими различную степень ослабления мощности излучения лазерных диодов. Пластины 10, 11 наклонены на угол 45° к оптическим осям рабочих пучков, переключающееся зеркало 12 отклоняется на угол 20 или 30° от вертикали к оптической оси рабочего пучка лучей в зависимости от рабочей длины волны приемного канала проверяемого дальномера 22. При работе установки с визирным или передающим каналом проверяемого дальномера переключающееся зеркало 12 выводится из хода рабочего пучка лучей. Устройство фокальное содержит также цифровую плату 18, сопряженную с лазерными диодами 16 и персональным компьютером 4, и управляемую им, и соединенную с осциллографом 6 и источником питания 7. Связь с цифровой платой осуществляется через два USB порта кабелями, выходящими из устройства фокального.
Устройство анализа лазерного излучения 3 содержит блок фотоприемников с ослабителями 19, соединенный с источником питания 7 и с осциллографом 6, телескопическую систему 20, уменьшающую рабочий диаметр лазерного пучка и работающую без перестройки для двух возможных излучений проверяемого дальномера, и зеркальный шарнир 21, состоящий из двух взаимно-параллельных зеркал, одно из которых перемещающееся и заменяемое на зеркало меньшего размера при проверке малогабаритных дальномеров. Зеркальный шарнир 21 выводится за пределы входного зрачка установки при работе с визирным и приемным каналами проверяемого дальномера. При измерении энергии излучения лазера проверяемого дальномера между блоком фотоприемников 19 и телескопической системой 20 устанавливается измеритель энергии лазерного излучения 5.
Устройства зеркальное 1, фокальное 2 и анализа лазерного излучения 3 размещают на оптической плате 23 (фиг. 2) и крепят с помощью специальных винтов. Для согласования оптических осей установки и определения оптической оси параболического зеркала используется автоколлиматор на подставке, который является вспомогательным устройством и не приведен на фиг. 2. При юстировке определяется положение осевой фокальной точки параболического зеркала и последующая установка устройства фокального по отношению к этой точке. Для этого конструкция параболического зеркала имеет за пределами входного окна плоский зеркальный участок 24, который является основным опорным элементом для юстировки.
1
2
Принцип действия установки заключается в следующем. При контроле передающего канала проверяемого дальномера 22 лазерное излучение дальномера подается на внеосевое параболическое зеркало и, отразившись от него и пройдя сквозь пластины со светоделительным покрытием 10, 11, фокусируется в плоскости визуализатора 9, который преобразует лазерное излучение проверяемого дальномера в излучение видимого диапазона, которое с помощью пластины со светоделительным покрытием 10 и объектива 14 подается на телевизионную камеру 13, где регистрируется. Светодиод с диафрагмой 15, имитирующий бесконечно удаленный объект, предназначен для работы с визирным каналом проверяемого дальномера. Излучение светодиода подается во входной зрачок визирного канала проверяемого дальномера путем отражения от пластины со светоделительным покрытием 11 и параболического зеркала устройства зеркального 1. Лазерные диоды 16 с формирующими системами используются в качестве энергетических имитаторов лазерного излучения с длинами волн λ и λ. Лазерные диоды 16 и оптические ослабители лазерного излучения 17 предназначены для проверки дальности действия лазерного дальномера для двух возможных его излучений без перестройки. Импульс излучения лазерного диода 16 попадает во входной зрачок объектива приемного канала проверяемого дальномера 22 после отражения от переключающегося зеркала 12 и внеосевого параболического зеркала устройства зеркального 1.
Персональный компьютер (ПК) 4, входящий в состав установки, предназначен для обеспечения решения трех независимых задач:
- измерение энергии и формы импульса излучения проверяемого дальномера;
- измерение рассогласования осей визирного и излучающего каналов проверяемого дальномера;
- задание величин имитируемых установкой измеряемых дальностей до одного (первого) объекта или до двух (первого и второго) объектов.
Для решения первой задачи к ПК через USB порт с помощью драйвера подключают измеритель энергии лазерного излучения 5, программное обеспечение которого установлено на ПК. Запуск рабочей программы осуществляется с помощью размещенного на рабочем столе ПК ярлыка «S». При регистрации импульса излучения лазера проверяемого дальномера значение энергии импульса автоматически показывается в окне программы. Для решения второй задачи используется телевизионная камера 13, сопряженная с ПК посредством кабеля. Один конец кабеля соединен с телевизионной камерой внутри устройства фокального 2, а другой выходит наружу из устройства фокального через его боковую стенку и соединяется с соответствующим гнездом ПК. Питание камеры осуществляется путем подключения к сетевому адаптеру 8. ПК осуществляет управление телевизионной камерой 13, выполняет обработку первичной измерительной информации и записывает результаты измерений в файл. Для решения этой задачи разработана оригинальная программа, запуск которой на рабочем столе ПК осуществляется с помощью ярлыка «L». Решение третьей задачи осуществляется путем задания временного мерного интервала между импульсом излучения лазера проверяемого дальномера и импульсом от лазерного диода 16, имитирующим приходящий в дальномер отраженный от объекта сигнал. Временной мерный интервал вырабатывает цифровая плата 18, входящая в состав устройства фокального 2. В качестве «старт-импульса», по которому начинается отсчет мерного интервала, на плату подается сигнал от блока фотоприемников 19. В момент окончания мерного интервала цифровая плата вырабатывает сигнал, по которому вырабатывается импульс излучения лазерного диода 16. Задержки сигнала в электрических цепях установки учитываются как поправка к величине мерного интервала, которая определяется экспериментально при калибровке установки. Управление цифровой платой осуществляется с ПК с помощью оригинального программного модуля, размещенного в папке "LD", для которой создан помещенный на рабочий стол ярлык "LD".
Установка работает следующим образом. Проверяемый дальномер 22 устанавливают на поворотный столик 25 с подвижками (фиг. 2) так, чтобы все его каналы попадали внутрь цилиндра, ограниченного размером параболического зеркала. Включают светодиод 15 устройства фокального 2 и угловыми подвижками поворотного столика 25 производят совмещение визирных осей установки и проверяемого дальномера, выводя изображение светодиода в виде желтого пятна в центр сетки визирного канала проверяемого дальномера. В зависимости от габаритов (диаметра объектива передающего канала) проверяемого дальномера в зеркальном шарнире 21 устройства анализа лазерного излучения 3 устанавливают перемещающееся зеркало требуемого размера и помещают его в зону прохождения лазерного пучка дальномера. Устанавливают измеритель энергии лазерного излучения 5 между телескопической системой 20 и входным окном блока фотоприемников 19 в соответствии с фиг. 1, включают измеритель энергии излучения 5, персональный компьютер 4 и запускают с ПК рабочую программу «S». Включают проверяемый дальномер и в соответствии с инструкцией по эксплуатации дальномера подают импульс излучения лазера дальномера через зеркальный шарнир 21 и телескопическую систему 20 на измеритель энергии 5, снимают отсчет уровня энергии излучения лазера с монитора ПК. По результатам измерения выбирают соответствующие диафрагмы и устанавливают их в ослабители блока фотоприемников установки 19. Убирают измеритель энергии излучения 5, образовавшийся зазор закрывают светозащитным кольцом, включают питание блока фотоприемников 19 и осциллографа 6 и производят измерение формы импульса лазерного излучения проверяемого дальномера с помощью осциллографа 6, подавая импульс излучения на блок фотоприемников 19. По окончании измерений поворотом зеркального шарнира 21 выводят перемещающееся зеркало из зоны прохождения лазерного излучения.
Перед измерением углового рассогласования осей визирного и передающего каналов проверяемого дальномера снова проверяют совмещение осей визирных каналов дальномера и установки. Включают питание телевизионной камеры 13 через сетевой адаптер 8, с ПК запускают программу «L» и в соответствии с инструкцией по программе проводят измерение координат изображения лазерного пятна в плоскости визуализатора. Координаты пятна индицируются в угловой мере, показывая величину углового рассогласования визирного и передающего каналов проверяемого дальномера в угловых секундах.
1
2
Для проверки показаний проверяемого дальномера по дальности для различных значений измерительного диапазона поворотом зеркального шарнира 21 вводят его в зону прохождения лазерного излучения, переключающееся зеркало 12 устанавливают в положение «λ» или «λ» в зависимости от рабочей длины волны проверяемого дальномера. Включают источник питания установки, подав напряжение на систему формирования импульса соответствующего лазерного диода 16 и на блок фотоприемников 19. С ПК запускают рабочую программу «LD», в ней открывают файл «Ослабление» и в соответствующие ячейки первой таблицы вводят следующие данные: измеренную энергию лазерного излучения проверяемого дальномера, коэффициент диффузного отражения объекта и метеорологическую дальность видимости, характеризующую прозрачность среды распространения лазерного излучения. Во второй таблице выбирают имитируемую дальность до первого объекта и в выходной ячейке считывают номер комбинации ослабителей лазерного диода. Включение ослабителей лазерного излучения 17 производят соответствующими ручками на верхней панели устройства фокального. В программе «LD» открывают рабочее окно «Конфигурация» и в нем устанавливают выбранную имитируемую дальность до первого объекта, при необходимости устанавливают дальность до второго объекта, включают команду «Передать» и цифровая плата переходит в режим ожидания «старт-импульса» для формирования мерного интервала. Включают проверяемый дальномер и подают импульс излучения в соответствии с инструкцией по эксплуатации дальномера. После срабатывания установки в открытом окне программы «LD» появится строка «Дальность до первого объекта» ххх м, «Дальность до второго объекта» ххх м (в соответствии с введенными данными). Эти данные следует сравнить с показаниями дальности проверяемого дальномера. Разница показаний характеризует приборную погрешность проверяемого дальномера при измерении дальности.
1
2
Использование изобретения «Универсальная установка для проверки лазерного дальномера» по сравнению с прототипом позволяет на одной установке проводить измерения энергии и формы импульса излучения, параллельности осей каналов и дальности действия лазерного дальномера, как малогабаритного, так и крупногабаритного, для двух возможных его излучений с длинами волн λ и λ без перестройки при повышении точности измерения благодаря тому, что в установку введены:
- устройство зеркальное, содержащее внеосевое параболическое зеркало;
1
2
- устройство фокальное, содержащее визуализатор лазерного излучения, установленный в фокальной плоскости параболического зеркала, две плоскопараллельные пластины со светоделительным покрытием и переключающееся зеркало, установленные между визуализатором и параболическим зеркалом, которые делят ось устройства фокального на три канала, в которых установлены соответственно телевизионная камера, сопряженная с персональным компьютером и визуализатором посредством объектива, осветитель в виде светодиода с диафрагмой, установленной в фокальной плоскости параболического зеркала, лазерный излучатель в виде двух лазерных диодов с формирующими системами и калиброванными оптическими ослабителями излучения для двух возможных излучений проверяемого дальномера с длинами волн λ и λ, устройство сопряжения в виде цифровой платы, сопряженной с лазерными диодами и с персональным компьютером и управляемой им;
- устройство анализа лазерного излучения, содержащее ослабитель мощности лазерных импульсов проверяемого дальномера и устройство формирования стартового импульса в виде блока фотоприемников с ослабителями, телескопическую систему, зеркальный шарнир, состоящий из двух взаимно-параллельных зеркал, одно из которых заменяемое и перемещающееся, и измеритель энергии лазерного излучения, сопряженный с персональным компьютером и устанавливаемый при измерении между блоком фотоприемников и телескопической системой;
- осциллограф, соединенный с блоком фотоприемников и цифровой платой, так как
1
2
- внеосевое параболическое зеркало устройства зеркального 1, являющееся входным окном установки и оптически сопряженное с устройством фокальным 2, обеспечивает сопряжение всех трех каналов проверяемого дальномера с соответствующими каналами установки для двух возможных длин волн лазерного излучения λ и λ проверяемого дальномера, как малогабаритного, так и крупногабаритного. Две светоделительные пластины 10, 11 и переключающееся зеркало 12, установленные между визуализатором и параболическим зеркалом, являются оптическими элементами сопряжения;
- телевизионная камера 13, сопряженная с персональным компьютером 4 и визуализатором 9 посредством объектива 14, и светодиод с диафрагмой 15, установленной в фокальной плоскости параболического зеркала, обеспечивают измерение углового рассогласования визирного и передающего каналов проверяемого дальномера, а также позволяют регистрировать и измерять форму и размер лазерного пучка проверяемого дальномера;
- лазерные диоды 16 с формирующими системами и калиброванными оптическими ослабителями излучения 17, цифровая плата 18, сопряженная с лазерными диодами и персональным компьютером 4, соединительные кабели устройства фокального 2 обеспечивают имитацию времени прохождения импульса лазерного излучения в условиях реальной трассы и имитацию уровня энергии импульса лазерного излучения, попадающего во входной зрачок объектива приемного канала дальномера, после ослабления в условиях реальной трассы. При имитации устанавливается временной мерный интервал между импульсом излучения лазера и импульсом, попадающим на объектив приемного канала дальномера, а также имитируется энергия импульса в зависимости от энергии исходного импульса лазера проверяемого дальномера и дальности до объекта;
1
2
- устройство анализа лазерного излучения 3 и измеритель энергии лазерного излучения 5, сопряженный с персональным компьютером 4 и устанавливаемый при измерении между телескопической системой 20 и блоком фотоприемников 19, соединенным с осциллографом 6, обеспечивают измерение энергии и формы импульса лазерного излучения с длинами волн λ и λ, при этом зеркальный шарнир 21 позволяет направить излучение проверяемого дальномера в телескопическую систему 20 при различных вариантах установки излучающего канала проверяемого дальномера 22 по отношению к устройству 3.
Повышение точности измерения дальности по сравнению с прототипом обеспечивается благодаря тому, что формирование временного мерного интервала обеспечивает цифровая плата, в состав которой входит высокочастотный тактовый генератор. Оценка погрешности задания дальности сводится к оценке погрешности в части обеспечения имитации требуемой дальности до объекта, которая определяется по формуле
где с - скорость света,
мерного интервала
t - время прохождения импульса лазерного излучения от дальномера до объекта и обратно.
Из формулы (1), перейдя к погрешностям, получим
где ΔL - погрешность задания имитируемой дальности устройствами установки;
ми
Δt - погрешности задания устройствами установки мерного интервала между импульсами.
осц
осц
дискр
-9
-7
-9
Основной вклад в погрешность составляет погрешность измерения мерного интервала между зарегистрированными с помощью фотоприемного устройства на осциллографе импульсами от лазера и от лазерного диода, имитирующего отраженный от цели сигнал. При незначительных (до 20%) отличиях в амплитуде и длительности импульсов мерный интервал между ними может быть оценен с помощью осциллографа с погрешностью Δt, не превышающей 2 нс, т.е. Δt=2⋅10 с. Для тактового генератора цифровой платы частота колебаний измеряется с относительной погрешностью 1,5⋅10, это значение является слабовлияющей величиной, которой можно пренебречь, но при этом следует учесть погрешность дискретизации мерного интервала, задаваемого тактовым генератором. Тактовый генератор запускается старт-импульсом, приходящим на вход генератора в случайные моменты времени. Длительность одного такта составляет 6,6 нс. Считая момент запуска генератора случайной величиной, равномерно распределенной в интервале (0…6,6) нс, примем для погрешности дискретизации величину Δt=3 нс=3⋅10 с.
В итоге, для оценки погрешности формула (2) примет вид
осц
дискр
-9
-9
8
при указанных выше Δt=2⋅10 с, Δt=3⋅10 с и скорости света с=3⋅10 м/с окончательно получаем ΔL≈0,6 м. Принимая во внимание, что установка имитирует дальности от 40 до 20000 м, относительная погрешность задания имитируемой дальности устройствами установки составляет всего 1,5-0,003%, что является незначительной величиной.
Универсальная установка для проверки лазерного дальномера промышленно применима, изготовлена в виде макета в АО «ГОИ им. С.И. Вавилова» и несложна в эксплуатации.