ФАЗИРОВАННЫЙ ЛИДАР
PHASED LIDAR

Область техники
Изобретение относится к управлению лазерным излучением без подвижных частей с возможностью управления направлением, интенсивностью, частотой и фазовыми характеристиками светового излучения и может найти применение в ряде специальных областей, в оптической локации, системах управления робототехническими комплексами, в 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 (High definition lidar system].
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 А1].
Наиболее близким изобретением является лидар, содержащий передающий оптический тракт, приемный оптический тракт, цифровой вычислитель, потребитель информации, лазерный излучатель, содержащий лазерный источник света, коллиматор [J. Stockley and S. Serati, "Cascaded One-Dimensional Liquid Crystal OPAs for 2-D Beam Steering," IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, 2003].
Недостатком такого лидара является низкое быстродействие, низкий КПД модулятора, узкий оптический диапазон в инфракрасной области, высокая стоимость и сложная технология.
Задачей настоящего изобретения является расширение сферы применения, увеличение быстродействия и улучшение качества работы системы в сложной помеховой обстановке.
Сущность изобретения
Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.
ij
ij
Фазированный 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, а 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×m штуками диэлектрических ячеек p, причем в ячейках проводящей матричной сетки размещена матрица электродов из n×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×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×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.
Кроме того фазированный лидар по настоящему изобретению содержит излучатель и модулятор, причем модулятор содержит 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.
Перечень фигур
На Фиг. 1 показана общая конструкция фазированного 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 варианта конструкции лазерного излучателя, модулятора и выходной оптической системы.
На Фиг. 8 показан принцип формирования фазированной оптической решетки.
На Фиг. 9 показано формирование набега фазы фазированной оптической решетки.
На Фиг. 10 показана временная диаграмма формирования рельефа и набега фазы.
На Фиг. 11 показана временная диаграмма отклика рельефа на входной электрический сигнал различных зазорах модулятора.
На Фиг. 12 показаны спектральные характеристики пропускания гелеобразного слоя толщиной 20 мкм.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
ij
ij
Фазированный лидар (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) 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×m штуками диэлектрических ячеек p, причем в ячейках проводящей матричной сетки 20 размещена матрица электродов 21 из n×m штук электродов, причем каждый электрод матрицы электродов 21 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 источников сигнала 24 из n×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 из матрицы электродов 21 электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы источников сигала 24 из n×m источников сигнала, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала 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 30 пороговой обработки сигнала, вторую схему 30 пороговой обработки сигнала, регистратор 30 времени отклика, устройство задания порога срабатывания 34.
В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 7) в модулятор 2 введена 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...
Предложенное устройство работает следующим образом.
ij
0
1
1
4
1
4
В предложенном устройстве фазированного лидара (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает диэлектрическую призму полного внутреннего отражения 13, модулятора 2 (Фиг. 2). Электрически 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 источников сигнала 24 из n×m источников сигнала U в системе электродов 19 на матрице 21 из n×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. Он 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 (Фиг. 3, 8, 9). 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 электронного управления фазированным 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: ψ=2√2nωA, 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. 10а) и амплитуды рельефа соответствующих областей фазового модулятора света a(t)…a(t) (Фиг. 10б), можно управлять направлением 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 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. Достоинством предлагаемого фазированного лидара является также 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 фазированного лидара является возможность использования всего светового потока в каждой точке траектории сканирования. Еще одним достоинством фазированного лидара является возможность сканирования с помощью относительно небольшого количество элементов матрицы электродов 21. Необходимо отметить высокое быстродействие предлагаемого фазированного лидара благодаря применению модулятора 2. Его быстродействие (Фиг. 11.) 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 2. На Фиг. 12 приведены экспериментальные характеристики оптической полосы пропускания от 0,4 до 25 мкм. Это открывает возможности создания приборов нового поколения.
В другом варианте осуществления устройство работает следующим образом (Фиг. 7). Лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает 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.
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.
Диэлектрическая призма полного внутреннего отражения 13 и плоскопараллельная прозрачная диэлектрическая подложка 35 могут быть выполнены из одного материала, например, из кварцевого стекла. Прозрачный электропроводящий слой 14 - например, из материалов на основе окиси индия.
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.