ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР С ПОВЫШЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ДАЛЬНОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а конкретно - к техническим средствам измерения расстояния до объектов на местности с использованием лазерного излучения, и может быть использована в оптических наблюдательных приборах, прицелах-дальномерах и других устройствах.
Известно устройство для измерения расстояния до объектов на местности, а именно - дальномер на основе импульсного полупроводникового лазера, рассмотренный в статье Абрамова А.И., Вельского А.Б., Зборовского А.А., Иванова Б.Б. под названием «Разработка лазерных дальномеров-биноклей на Красногорском заводе им. С.А. Зверева», опубликованной в «Оптическом журнале», выпуск №8, 2009 г., т. 76 стр. 18-21. Лазерный дальномер содержит передающий и приемный оптические каналы, импульсный полупроводниковый лазер, схему формирования импульсов тока, схему управления и обработки информации, приемник излучения, импульсный усилитель, дисплей. В схеме управления и обработки информации установлены генератор тактовых импульсов и счетчик импульсов, который запускается импульсом излучения от импульсного полупроводникового лазера, а останавливается импульсом, поступившим с приемника излучения. По количеству подсчитанных тактовых импульсов определяется расстояние до наблюдаемого объекта, полученный результат отображается на дисплее. Частота тактовых импульсов составляет порядка 150 мегагерц, т.е. период следования импульсов равен примерно 6,7 наносекунды, что соответствует, с учетом скорости света, дискрету изменения расстояния порядка 1 метра, т.е. на дисплее отображаются значения, кратные одному метру, что определяет разрешение лазерного дальномера по дальности и, фактически, его погрешность. Максимальное расстояние, измеряемое с помощью этого лазерного дальномера, составляет 1000 метров, что обусловлено, в основном, энергетическими параметрами полупроводникового лазера, а минимальное - 20 метров из-за наличия параллакса между передающим и приемным каналами и необходимости стробирования от ложных отражений в ближней зоне. Существуют лазерные дальномеры подобного типа, обеспечивающие измерение расстояния до 10 километров и более.
Наряду с импульсными лазерными дальномерами, известны фазовые лазерные дальномеры, рассмотренные, в частности, в книге «Лазерные приборы и методы измерения дальности», авторы В.Б. Бокшанский, Д.А. Бондаренко, М.В. Вязовых и др.; под ред. В.Е. Карасика, М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 г., стр. 43-61.
Фазовые лазерные дальномеры, в которых применяются полупроводниковые лазеры непрерывного режима работы, обеспечивают измерение существенно меньшей дальности, по сравнению с лазерными импульсными дальномерами (до 100…300 метров), но при этом дискретность измерения составляет несколько миллиметров. Минимальное измеряемое расстояние при фазовом методе может составлять доли метра.
Для уменьшения дискрета измерения расстояния с помощью импульсного лазерного дальномера, то есть для повышения разрешения по дальности, что требуется для ряда технических применений лазерного дальномера, можно повысить частоту тактовых импульсов. Однако соответствующие микросхемы для электронного тракта дальномера значительно дороже и выделяют больше тепла, что препятствует созданию малогабаритного импульсного лазерного дальномера при низкой стоимости.
На решение этой проблемы направлены различные технические устройства. Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство, описанное в патенте № WO 0248738, МПК G01C 3/06, G01S 17/10, G04F 10/04, опубликованном 15.12.2000 г.
Устройство содержит передающий и приемный каналы, в которых установлены соответственно линза передающего канала и линза приемного канала, а также импульсный полупроводниковый лазер, фотодиод, схему формирования импульсов тока, генератор импульсов, датчик импульсов излучения, оптически связанный с импульсным полупроводниковым лазером, приемное устройство, схему управления и обработки информации и дисплей. Импульсный полупроводниковый лазер установлен последовательно с линзой передающего канала, фотодиод установлен последовательно с линзой приемного канала. К входу импульсного полупроводникового лазера присоединен выход схемы формирования импульсов тока, вход которой связан с выходом генератора импульсов. Электрический выход фотодиода присоединен к входу приемного устройства, выход которого связан с первым входом схемы управления и обработки информации, а выход этой схемы присоединен к дисплею. Электрический выход датчика импульсов излучения присоединен ко второму входу схемы управления и обработки информации.
За счет управляемого сдвига фронта импульса в схеме формирования импульсов тока и соответствующей обработки сигналов в схеме управления и обработки информации уменьшается дискрет измерения расстояния. Возможности снижения этого параметра ограничены, в основном, характеристиками полупроводникового лазера. Нестабильность фронта импульса излучения полупроводникового лазера составляет несколько наносекунд, а одна наносекунда соответствует измеренному расстоянию порядка 0,15 м, т.е. дискретность измерения расстояния с помощью предложенного в патенте метода не превышает этой величины.
Как правило, высокая разрешающая способность в единицах сантиметров при измерениях на местности необходима лишь в диапазоне малых расстояний, поэтому импульсный и фазовый лазерные дальномеры могут быть объединены в одном устройстве при использовании некоторых общих функциональных узлов.
В предлагаемой полезной модели решается техническая проблема необходимости использования для измерения малых и больших расстояний двух разных дальномеров, при этом достигается технический результат, заключающийся в создании лазерного дальномера с повышенным разрешением по дальности, обеспечивающего измерение расстояния до нескольких километров с дискретом не более одного метра, а в диапазоне расстояний до нескольких сотен метров - с дискретом, не превышающим нескольких сантиметров, а также способного измерять минимальные расстояния порядка долей метра.
Это достигается тем, что в лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности, содержащий передающий канал, на входе которого установлена линза передающего канала, состоящий из установленных последовательно с линзой передающего канала импульсного полупроводникового лазера, схемы формирования импульсов тока, генератора импульсов, а также приемный канал, на выходе из которого установлена линза приемного канала, состоящий из фотодиода, установленного последовательно с линзой приемного канала, датчика импульсов излучения, оптический вход которого связан с импульсным полупроводниковым лазером, приемного устройства, схемы управления и обработки информации и дисплея, установленных так, что к входу импульсного полупроводникового лазера присоединен выход схемы формирования импульсов тока, вход которой связан с выходом генератора импульсов, электрический выход фотодиода присоединен к входу приемного устройства, выход которого связан с первым входом схемы управления и обработки информации, а выход этой схемы присоединен к дисплею, электрический выход датчика импульсов излучения присоединен ко второму входу схемы управления и обработки информации, в отличие от известного, дополнительно введен фазовый канал, на входе которого установлена линза фазового канала, состоящий из частотного полупроводникового лазера, установленного последовательно с линзой фазового канала, генератора модуляционных частот, усилителя частотных сигналов и схемы измерения фаз, установленных так, что вход частотного полупроводникового лазера связан с первым выходом генератора модуляционных частот, второй выход генератора модуляционных частот связан с первым входом схемы измерения фаз, выход которой присоединен к третьему входу схемы управления и обработки информации приемного канала, вход усилителя частотных сигналов связан с выходом фотодиода приемного канала, а выход усилителя частотных сигналов связан со вторым входом схемы измерения фаз.
На фиг. 1 изображена функциональная схема лазерного дальномера с повышенным разрешением по дальности.
Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности (фиг. 1) содержит линзу передающего канала 1, импульсный полупроводниковый лазер 2, линзу приемного канала 3, фотодиод 4, схему формирования импульсов тока 5, генератор импульсов 6, приемное устройство 7, схему управления и обработки информации 8, датчик импульсов излучения 9, дисплей 10, линзу фазового канала 11, частотный полупроводниковый лазер 12, генератор модуляционных частот 13, усилитель частотных сигналов 14 и схему измерения фаз 15.
Линза передающего канала 1 установлена в передающем канале лазерного дальномера, импульсный полупроводниковый лазер 2 установлен последовательно с линзой передающего канала 1, линза приемного канала 3 установлена в приемном канале лазерного дальномера, фотодиод 4 установлен последовательно с линзой приемного канала 3. Схема формирования импульсов тока 5 установлена так, что выход этой схемы связан со входом импульсного полупроводникового лазера 2, а к входу схемы формирования импульсов тока 5 присоединен выход генератора импульсов 6. Вход приемного устройства 7 связан с выходом фотодиода 4, а выход приемного устройства 7 присоединен к первому входу схемы управления и обработки информации 8, ко второму входу которой присоединен выход датчика импульсов излучения 9, а выход схемы управления и обработки информации 8 присоединен к дисплею 10. Линза фазового канала 11 установлена в фазовом канале лазерного дальномера, частотный полупроводниковый лазер 12 установлен последовательно с линзой фазового канала 11, а к входу частотного полупроводникового лазера 12 присоединен первый выход генератора модуляционных частот 13. Усилитель частотных сигналов 14 расположен так, что вход его связан с выходом фотодиода 4. Схема измерения фаз 15 установлена таким образом, что первый вход ее связан со вторым выходом генератора модуляционных частот 13, ко второму входу схемы измерения фаз 15 присоединен выход усилителя частотных сигналов 14, а выход схемы измерения фаз 15 связан с третьим входом схемы управления и обработки информации 8.
Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности работает следующим образом. При необходимости измерения больших расстояний, в схеме управления и обработки информации 8 с помощью переключателя (на фигуре не показан) устанавливается режим «дальняя зона». Затем нажимается кнопка ИЗМЕРЕНИЕ (на фигуре не показана), генератор импульсов 6 формирует импульс или последовательность импульсов, поступающую на схему формирования импульсов тока 5 и далее на импульсный полупроводниковый лазер 2. Одновременно лазерное излучение поступает на датчик импульсов излучения 9, электрические сигналы с которого поступают на один из входов, а именно на второй вход схемы управления и обработки информации 8. Пучок излучения импульсного полупроводникового лазера 2 формируется линзой передающего канала 1 лазерного дальномера и направляется на объект, до которого измеряется расстояние. Диффузно отраженное от объекта излучение через линзу приемного канала 3 поступает на фотодиод 4, электрические сигналы с выхода которого усиливаются приемным устройством 7 и поступают на другой вход, а именно - на первый вход схемы управления и обработки информации 8. Информация с выхода схемы управления и обработки информации 8 подается на дисплей 10, на котором отображается результат измерения расстояния.
При измерении малых расстояний в схеме управления и обработки информации 8 с помощью переключателя устанавливается режим «ближняя зона». Нажимается кнопка ИЗМЕРЕНИЕ, генератор модуляционных частот 13 формирует набор частотных сигналов по алгоритму работы фазового дальномера. Пучок излучения частотного полупроводникового лазера 12 формируется линзой фазового канала 11 и направляется на объект, до которого измеряется расстояние. Диффузно отраженное от объекта излучение через линзу приемного канала 3 лазерного дальномера поступает на фотодиод 4, электрические сигналы с выхода которого поступают на вход усилителя частотных сигналов 14 и далее на один из входов схемы измерения фаз 15. После сравнения фаз двух сигналов в схеме измерения фаз 15, выходной сигнал с этой схемы, содержащий информацию об измеренном расстоянии, поступает на третий вход схемы управления и обработки информации 8, а на дисплее 10 отображается результат измерения.
Все элементы рассматриваемого устройства являются известными. В качестве генератора импульсов 6, схемы формирования импульсов 5, импульсного полупроводникового лазера 2, датчика импульсов излучения 9, фотодиода 4, приемного устройства 7 можно использовать типовые узлы импульсного лазерного дальномера, а в качестве частотного полупроводникового лазера 12, генератора модуляционных частот 13, усилителя частотных сигналов 14 и схемы измерения фаз 15 - типовые узлы фазового лазерного дальномера. В схеме управления и обработки информации 8 может быть применен программируемый микропроцессор. В качестве линзы передающего канала 1, линзы приемного канала 2 и линзы фазового канала 11 могут быть использованы объективы, состоящие из нескольких линз. Дисплей 10 может быть как жидкокристаллическим, так и светодиодным.
Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата: создан лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности, обеспечивающий измерение расстояния до нескольких километров с дискретом не более одного метра, а в диапазоне расстояний до нескольких сотен метров - с дискретом, не превышающим нескольких сантиметров, а также способный измерять минимальные расстояния порядка долей метра.