Лазерный дальномер

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным лазерным дальномерам.
Известны лазерные дальномеры [1], содержащие излучающий и приемный каналы, в которых измерение дальности происходит путем измерения времени Т между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного целью сигнала с последующим определением дальности R по формуле R=cT/2, где с - скорость света в атмосфере.
Из известных лазерных дальномеров наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является лазерный дальномер [2]. Указанный лазерный дальномер содержит излучающий канал, включающий оптическую систему формирования выходного пучка лазерного излучения, лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены оптически сопряженные с "глухим" и выходным зеркалами активный элемент, выполненный в форме параллелепипеда со скошенными параллельно друг другу торцевыми гранями, предназначенными для продольной оптической накачки решетками лазерных диодов, и модулятор добротности, датчик температуры, расположенный в зоне размещения решеток лазерных диодов, и устройство включения и питания последних, приемный канал, включающий приемный объектив, выполненный в виде фокусирующей линзы, схему измерения дальности, состоящую из измерителя временных интервалов и схемы управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью, подключенной к датчику температуры и устройству включения и питания, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости фокусирующей линзы приемного объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, а измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства.
Достоинством этого технического решения является расширение функциональных возможностей за счет использования лазерного дальномера в режиме целеуказателя-дальномера с повышением стабильности и надежности его работы при воздействии внешних климатических факторов. Однако, лазерный дальномер [2] не в полной мере обеспечивает требуемую эффективность его работы при встраивании в оптико-электронную систему потребителя из-за недостаточной дальности действия и помехового влияния на бортовую сеть питания.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы лазерного дальномера в составе оптико-электронной системы потребителя при сохранении минимальных габаритных размеров его конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем излучающий канал, включающий оптическую систему формирования выходного пучка лазерного излучения, лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены оптически сопряженные с "глухим" и выходным зеркалами активный элемент, выполненный в форме параллелепипеда со скошенными параллельно друг другу торцевыми гранями, предназначенными для продольной оптической накачки решетками лазерных диодов, и модулятор добротности, датчик температуры, расположенный в зоне размещения решеток лазерных диодов, и устройство включения и питания последних, приемный канал, включающий приемный объектив, выполненный в виде фокусирующей линзы, схему измерения дальности, состоящую из измерителя временных интервалов и схемы управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью, подключенной к датчику температуры и устройству включения и питания, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости фокусирующей линзы приемного объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, а измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства, приемный объектив снабжен телескопической системой, размещенной перед фокусирующей линзой, в резонатор лазерного излучателя введены дополнительный идентичный основному активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов и расположенный параллельно основному с торцевыми гранями, развернутыми зеркально торцевым граням последнего, три призмы полного внутреннего отражения, каждая из которых выполнена с тремя отражающими гранями, одна из которых предназначена для поворота оптической оси на угол 90 градусов в одной плоскости, а две другие для поворота оптической оси на угол 180 градусов в плоскости, перпендикулярной первой, при этом "глухое" зеркало резонатора и одна из призм размещены рядом с выходным зеркалом резонатора, указанная призма развернута по отношению к другой из призм, ближайшей по ходу луча к выходному зеркалу, таким образом, что их ребра, образованные входной гранью и отражающей гранью полного внутреннего отражения развернуты под углом 90 градусов друг к другу, а устройство включения и питания решеток лазерных диодов выполнено с разделенным на два идентичных канала импульсным силовым преобразователем заряда емкостного накопителя, связанного с решетками лазерных диодов для продольной оптической накачки активных элементов, при этом два канала импульсного силового преобразователя выполнены с возможностью синхронной работы со сдвигом фазы на половину периода тактовой частоты.
1/2
Введение в резонатор лазерного излучателя дополнительного идентичного основному активного элемента с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов и расположенного параллельно основному с торцевыми гранями, развернутыми зеркально торцевым граням последнего, а также трех призм полного внутреннего отражения, каждая из которых выполнена с тремя отражающими гранями, одна из которых предназначена для поворота оптической оси на угол 90 градусов в одной плоскости, а две другие для поворота оптической оси на угол 180 градусов в плоскости, перпендикулярной первой, не влияющих на состояние поляризации проходящего через них лазерного излучения, позволяет без практического увеличения длины конструкции лазерного излучателя увеличить в два раза энергию импульса лазерного излучения и в четыре раза длину резонатора лазерного излучателя, последнее позволяет снизить расходимость выходного лазерного излучения пропорционально 1/(L), где L - длина резонатора, что в совокупности дает возможность повысить дальность действия лазерного дальномера, в том числе при работе по малоразмерным целям. При этом размещение "глухого" зеркала резонатора и одной из призм полного внутреннего отражения рядом с выходным зеркалом резонатора и установка указанной призмы по отношению к другой из призм, ближайшей по ходу луча к выходному зеркалу, таким образом, что их ребра, образованные входной гранью и отражающей гранью полного внутреннего отражения, развернуты под углом 90 градусов друг к другу, позволяют обеспечить стойкость конструкции резонатора лазерного излучателя к внешним механическим и температурным воздействиям. В малогабаритных конструкциях эффективное увеличение в четыре раза длины резонатора лазерного излучателя позволяет увеличить длительность импульса лазерного излучения, что обеспечивает ее удержание на уровне требований, принятых для серийных приемников лазерного излучения.
Комплексным положительным результатом вышеописанного исполнения резонатора лазерного излучателя является повышение эффективности работы лазерного дальномера в оптико-электронной системе потребителя как в режиме измерения дальности, так и в режиме целеуказания.
Снабжение в приемном канале лазерного дальномера приемного объектива телескопической системой, размещенной перед фокусирующей линзой и уменьшающей размер входного зрачка для фокусирующей линзы, позволяет за счет перемещения малогабаритного элемента - фокусирующей линзы повысить точность установки чувствительной площадки фотоприемного устройства в фокальную плоскость фокусирующей линзы приемного объектива и повысить точность союстировки излучающего и приемного каналов лазерного дальномера, т.е. повышает эффективность работы лазерного дальномера в оптико-электронной системе потребителя.
Выполнение устройства включения и питания решеток лазерных диодов с разделенным на два идентичных канала импульсным силовым преобразователем заряда емкостного накопителя, связанного с решетками лазерных диодов для продольной оптической накачки активных элементов, при этом два канала импульсного силового преобразователя выполнены с возможностью синхронной работы со сдвигом фазы на половину периода тактовой частоты, позволяет уменьшить пульсации тока и напряжения, создаваемые работающим лазерным дальномером в бортовой сети питания оптико-электронной системы потребителя, т.е. повышает эффективность работы в ней лазерного дальномера. При этом обеспечивается снижение массы и объема устройства включения и питания за счет уменьшения массы и объема входных и выходных фильтрующих конденсаторов и дросселей силовых преобразователей.
На фиг. 1 представлена схема лазерного дальномера, на фиг. 2 показан вид призмы полного внутреннего отражения, на фиг. 3 представлена схема лазерного излучателя.
Лазерный дальномер включает расположенные в механически сопряженных корпусах излучающий канал 1 и приемный канал 2. Излучающий канал 1 содержит лазерный излучатель с двумя расположенными параллельно друг другу активными элементами 3 и 4 со скошенными параллельно друг другу торцевыми гранями, предназначенными для продольной оптической накачки решетками лазерных диодов 5 и 6, установленными у противоположных торцевых граней активного элемента 3, и решетками лазерных диодов 7 и 8, установленными у противоположных торцевых граней активного элемента 4, а также модулятора добротности 9, при этом торцевые грани одного активного элемента развернуты зеркально торцевым граням другого. Резонатор лазерного излучателя образован выходным зеркалом 10 и "глухим" зеркалом 11 и конструктивно выполнен свернутым за счет введения в него трех призм полного внутреннего отражения 12, 13 и 14. Каждая из призм 12, 13, 14 полного внутреннего отражения (фиг. 2) выполнена с тремя отражающими гранями, одна из которых предназначена для поворота оптической оси на 90 градусов в одной плоскости, а две другие для поворота оптической оси на угол 180 градусов в плоскости, перпендикулярной первой. При этом (фиг. 3) "глухое" зеркало резонатора 11 и призма 12 полного внутреннего отражения размещены рядом с выходным зеркалом резонатора 10 и указанная призма 12 развернута по отношению к призме 13, ближайшей по ходу луча к выходному зеркалу резонатора 10 таким образом, что их ребра (АА' на фиг. 2), образованные входной гранью и отражающей гранью полного внутреннего отражения, развернуты под углом 90 градусов друг к другу. За выходным зеркалом 10 (фиг. 1) расположена оптическая система 15 формирования выходного пучка лазерного излучения. Решетки лазерных диодов 5 и 6, 7 и 8 подключены к устройству их включения и питания 16, которое выполнено с импульсным силовым преобразователем 17, включающим два идентичных канала 18 и 19, подключенных через выпрямители 20 и 21 к емкостному накопителя 22 и выполненных с возможностью синхронной работы со сдвигом фазы на половину периода тактовой частоты. Последний связан с двумя парами последовательно соединенных решеток лазерных диодов 5, 6 и 7, 8 для продольной оптической накачки активных элементов 3 и 4. Приемный канал 2 содержит приемный объектив 23, выполненный в виде оптически сопряженных телескопической системы 24 и фокусирующей линзы 25, отклоняющее зеркало 26, фотоприемное устройство 27, чувствительная площадка 28 которого расположена в фокальной плоскости фокусирующей линзы 25 приемного объектива 23, и схему измерения дальности 29, состоящую из измерителя временных интервалов 30 и схемы управления длительностью импульса тока накачки 31. Выход фотоприемного устройства 27 подключен к измерительному входу 32 измерителя временных интервалов 30 схемы измерения дальности 29. Излучающий канал 1 и приемный канал 2 снабжены сопрягаемыми оптическими окнами 33 и 34, через которые в зону приемного канала 2 может проникать рассеянное лазерное излучение излучателя. В приемном канале 2 напротив оптического окна 34 установлено дополнительное фотоприемное устройство 35, выход которого подключен к входу 36 запуска измерителя временных интервалов 30 схемы измерения дальности 29. В излучающем канале 1 в зоне установки решеток лазерных диодов 5, 6, 7, 8 размещен датчик температуры 37, который подключен к схеме управления длительностью импульса тока накачки 31, а последняя подключена к устройству включения и питания 16 решеток лазерных диодов 5, 6, 7, 8. Схема управления длительностью импульса тока накачки 31 имеет программируемую память, куда может быть записана требуемая зависимость длительности импульса тока накачки от температуры, обеспечивающая требуемую энергию импульса лазерного излучения в диапазоне рабочих температур и экспериментально определенная в процессе тестирования работы излучающего канала при изготовлении лазерного дальномера.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
При включении питания датчик температуры 37 измеряет температуру в зоне размещения решеток лазерных диодов (РЛД) 5, 6 и 7, 8 и выдает информацию в схему управления длительностью импульса тока накачки 31, при этом питание поступает на устройство включения и питания 16 решеток лазерных диодов 5, 6 и 7, 8, в котором два идентичных канала 18 и 19 импульсного силового преобразователя 17 начинают синхронно работать на заданной тактовой частоте: один канал является ведущим, второй канал -ведомым, синхронизируемым от первого со сдвигом по фазе на половину периода тактовой частоты, что обеспечивает заряд через выпрямители 20 и 21 емкостного накопителя 22. При разряде последнего через связанные с ним РЛД протекают импульсы тока длительностью, задаваемой схемой управления 31, при этом происходит возбуждение активных элементов 3 и 4 излучением, соответственно, РЛД 5, 6 и 7, 8, а при достижении необходимого уровня возбуждения включается модулятор добротности 9 и в свернутом резонаторе 10, 13, 12, 14, 11 развивается лазерный процесс. Лазерное излучение выходит из резонатора через его полупрозрачное зеркало 10 и после прохода через оптическую систему 15 направляется на удаленный объект, до которого измеряется дальность. Часть лазерного излучения, рассеянного элементами лазерного излучателя и стенками корпуса излучающего канала 1, через окна 33, 34 поступает на вход дополнительного фотоприемного устройства 35, выходным сигналом с которого по входу 36 запускается измеритель временных интервалов 30 в схеме измерения дальности 29. Отраженное удаленным объектом лазерное излучение проходит через телескопическую систему 24 приемного объектива 23, уменьшающую размер входного зрачка, и далее, предварительно отразившись от зеркала 26, имеющего узкополосное отражающее покрытие для защиты фотоприемного устройства от фонового излучения, с высокой точностью фокусируется фокусирующей линзой 25 приемного объектива 23 на чувствительную площадку 28 фотоприемного устройства 27. С выхода фотоприемного устройства 27 сигнал поступает на измерительный вход 32 измерителя временных интервалов 30 схемы измерения дальности 29, останавливая отсчет временного интервала Т между излученным и принятым импульсами. По величине интервала Т схема измерения дальности вычисляет расстояние R по формуле R=cT/2.
Благодаря описанному техническому решению выполняется задача повышения эффективности работы лазерного дальномера в оптико-электронной аппаратуре потребителя за счет повышения его дальности действия и улучшения электромагнитной совместимости при сохранении минимальных габаритных размеров.
Данные выводы подтверждены результатами изготовления и испытаний опытного образца лазерного дальномера.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель 166686. Лазерный дальномер / Быков В.Н., Вильнер В.Г., Прядеин В.А., Садовой А.Г., Текутов А.И., Трубин В.О. // Бюл. - 2016. - №34.
2. Патент РФ на полезную модель 199219. Лазерный дальномер / Белов Н.Н., Быков В.Н., Кутурин В.Н., Прядеин В.А., Садовой А.Г., Сафутин А.Е., Ступников В.А., Трубин В.О. //Бюл. - 2020. - №24 - прототип.