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., Бельского 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 порядка двух километров, что обусловлено, в основном, энергетическими параметрами полупроводникового лазера. Существуют лазерные дальномеры подобного типа, обеспечивающие измерение расстояния до 10 километров и более.
Σ
Для повышения дальности в таких дальномерах, учитывая, что мощность излучения невелика, используют последовательность импульсов и применяют метод накопления, который заключается в следующем. После излучения первого лазерного импульса приемная система с высоким временным разрешением начинает заполнять устройство памяти считанными с фотодиода мгновенными значениями фототока, так называемой реализацией, представляющими собой смесь отраженного сигнала и шума. Объем памяти соответствует максимальному измеряемому расстоянию с учетом временного разрешения. Когда память заполняется, приемная система дальномера находится в ожидании следующего лазерного импульса, после излучения которого начинается суммирование последующих значений фототока - следующей реализации с накопленными в памяти предыдущими значениями и так далее. При наличии в зоне действия дальномера цели отраженные от нее импульсы поступают через равные интервалы времени относительно зондирующего импульса, при условии, что объект неподвижен. Амплитуда суммарного отраженного сигнала U увеличивается пропорционально числу реализаций, следовательно
1
где U - амплитуда сигнала от одного излученного лазерного импульса,
N - число реализаций.
Если полагать, что шум в каждой реализации является гауссовым с нулевым средним значением, то среднеквадратичное значение накопленного шумового процесса σ при этом равно
1
где σ - среднеквадратичное значение шума в одной реализации.
При этом отношение сигнал-шум возрастает пропорционально  соответственно увеличивается дальность действия дальномера («Лазерные приборы и методы измерения дальности». 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. 62-63.)
Для уменьшения погрешности 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 с низкой стоимостью.
На решение проблемы уменьшения ошибки измерения направлены различные технические устройства. Одно из таких устройств описано в патенте № WO 0248738, МПК G01C 3/06, G01S 17/10, G04F 10/04, опубликованном 15.12.2000 г. Это устройство содержит передающий канал с полупроводниковым лазером, приемный канал и схему обработки информации, в которой осуществляется измерение временного промежутка между моментом излучения лазера и моментом прихода отраженного от цели излучения. В устройстве уменьшается эквивалентный дискрет измерения расстояния за счет управляемого сдвига фронта импульса в схеме формирования импульсов тока и соответствующей обработки сигналов в схеме управления и обработки информации. В книге (Лебедько Е.Г. «Системы оптической локации». Часть 3, НИУ ИТМО, С.-Петербург, 2013 г., стр. 49-53) приводятся данные о том, что подобные методы позволяют получить величину ошибки измерения дальности порядка единиц миллиметров и даже менее миллиметра. Приводятся два варианта - первый, когда временной сдвиг является случайным и второй, когда временной сдвиг составляет определенную часть периода следований тактовых импульсов. При этом для повышения точности и получения одного точного отсчета уже используется последовательность импульсов, т.е. возможности накопления сигнала для повышения дальности уменьшаются.
Как правило, высокая разрешающая способность при измерениях на местности необходима лишь в диапазоне малых расстояний. Поэтому при больших расстояниях можно использовать метод накопления сигнала для повышения дальности, а при малых расстояниях нужно применять обработку сигнала, обеспечивающую уменьшение погрешности измерения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство, описанное в патенте на полезную модель RU №107276, МПК G01C 3/00, опубликованном 27.12.2016 г. В этом устройстве объединены импульсный лазерный дальномер, работающий в режиме накопления при больших расстояниях, и фазовый лазерный дальномер, позволяющий на малых расстояниях получить высокую точность, при использовании некоторых общих функциональных узлов. Этот лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности содержит передающий канал, на выходе из которого установлена линза передающего канала, состоящий из установленных последовательно с линзой передающего канала импульсного полупроводникового лазера, схемы формирования импульсов тока, генератора импульсов. При этом к входу импульсного полупроводникового лазера присоединен выход схемы формирования импульсов тока. Также содержится приемный канал, на входе которого установлена линза приемного канала, состоящий из фотоприемника, установленного последовательно с линзой приемного канала, датчика импульсов излучения, оптический вход которого связан с импульсным полупроводниковым лазером, приемного устройства. Кроме того, в устройстве установлены схема обработки информации и дисплей, расположенные так, что электрический выход фотоприемника присоединен к входу приемного устройства, первый выход которого связан с первым входом схемы обработки информации, а второй вход схемы обработки информации присоединен к электрическому выходу датчика импульсов излучения. Устройство включает также фазовый канал, в котором установлена линза фазового канала, частотный полупроводниковый лазер, установленный последовательно с линзой фазового канала, введены генератор модуляционных частот, усилитель частотных сигналов и схема измерения фаз, установленные 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, вход усилителя частотных сигналов связан с выходом фотодиода, а выход усилителя частотных сигналов связан со вторым входом схемы измерения фаз.
Данное техническое решение позволяет обеспечить измерение больших расстояний до цели благодаря использованию метода накопления импульсных сигналов и измерение малых расстояний с высокой точностью за счет применения фазового метода измерения временного запаздывания непрерывного сигнала, отраженного от цели, относительно зондирующего сигнала. Однако аппаратура содержит два передающих канала с двумя различными лазерами и два канала обработки сигнала - импульсного и непрерывного, поэтому использовать его сложно и затратно. Кроме того, выбор дальней зоны, когда используется импульсный метод, или ближней зоны, когда используется фазовый метод, выбирается оператором и вводится в устройство вручную.
В предлагаемой полезной модели решается техническая задача существенного упрощения схемы и конструкции лазерного дальномера, при этом достигается технический результат, заключающийся в создании более дешевого лазерного дальномера с повышенным разрешением по дальности с уменьшенными габаритами, обеспечивающего автоматическое повышение точности измерения при уменьшении дальности.
Это достигается тем, что в лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности, содержащий передающий канал, на выходе из которого установлена линза передающего канала, состоящий из установленных последовательно с линзой передающего канала импульсного полупроводникового лазера, схемы формирования импульсов тока, генератора импульсов, установленных так, что к входу импульсного полупроводникового лазера присоединен выход схемы формирования импульсов тока, а также приемный канал, на входе которого установлена линза приемного канала, состоящий из фотоприемника, установленного последовательно с линзой приемного канала, датчика импульсов излучения, оптический вход которого связан с импульсным полупроводниковым лазером, приемного устройства, а также схему обработки информации и дисплей, расположенные так, что электрический выход фотоприемника присоединен к входу приемного устройства, первый выход которого связан с первым входом схемы обработки информации, а второй вход схемы обработки информации присоединен к электрическому выходу датчика импульсов излучения, в отличие от известного, дополнительно введен формирователь управляемой задержки, установленный в передающем канале между генератором импульсов и схемой формирования импульсов тока так, что вход формирователя управляемой задержки соединен с первым выходом генератора импульсов, а выход формирователя управляемой задержки соединен с входом схемы формирования импульсов тока, также введены счетчик импульсов и схема усреднения, расположенные таким образом, что первый вход счетчика импульсов соединен со вторым выходом генератора импульсов, второй вход счетчика импульсов соединен со вторым выходом приемного устройства, первый выход счетчика импульсов соединен с входом генератора импульсов, схема усреднения установлена так, что первый вход схемы усреднения связан с выходом схемы обработки информации, второй вход схемы усреднения связан со вторым выходом счетчика импульсов, а выход схемы усреднения соединен с входом дисплея.
Поставленная задача решается за счет того, что в схеме импульсного лазерного дальномера используется метод накопления сигнала для обеспечения большой дальности, когда сигнал мал, а на малой дальности, когда сигнал велик и нет необходимости использовать большое количество импульсов для накопления, применяются методы повышения точности за счет временного сдвига импульсов излучения лазера с последующей статистической обработкой (усреднением).
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого лазерного дальномера с повышенным разрешением по дальности. На фиг. 2 представлена схема одного из возможных вариантов выполнения формирователя управляемой задержки.
Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности (фиг. 1) содержит генератор импульсов 1, формирователь управляемой задержки 2, схему формирования импульсов тока 3, импульсный полупроводниковый лазер 4, линзу передающего канала 5, счетчик импульсов 6, датчик импульсов излучения 7, схему обработки информации 8, приемное устройство 9, фотоприемник 10, линзу приемного канала 11, схему усреднения 12 и дисплей 13.
Оптические оси передающего и приемного каналов лазерного дальномера с повышенным разрешением по дальности расположены параллельно друг другу. Генератор 1 установлен в передающем канале лазерного дальномера, формирователь управляемой задержки 2 установлен последовательно с генератором 1 так, что выход генератора 1 связан с входом формирователя управляемой задержки 2. Схема формирования импульсов тока 3 установлена последовательно с формирователем управляемой задержки 2 так, что выход формирователя управляемой задержки 2 связан с входом схемы формирования импульсов тока 3. Импульсный полупроводниковый лазер 4 установлен последовательно со схемой формирования импульсов тока 3 так, что выход схемы формирования импульсов тока 3 связан с входом полупроводникового лазера 4. Линза передающего канала 5 установлена последовательно с полупроводниковым лазером 4. Счетчик импульсов 6 установлен в лазерном дальномере так, что первый выход счетчика импульсов 6 связан с входом генератора импульсов 1, а первый вход счетчика импульсов 6 связан со вторым выходом генератора импульсов 1. Датчик импульсов излучения 7 установлен в приемном канале лазерного дальномера, оптически связан с полупроводниковым лазером 4. Схема обработки информации 8, приемное устройство 9, фотоприемник 10 и линза приемного канала 11 установлены последовательно друг с другом в приемном канале лазерного дальномера так, что первый вход схемы обработки информации связан с первым выходом приемного устройства 9, вход приемного устройства 9 связан с выходом фотоприемника 10, при этом выход датчика импульсов излучения 7 связан со вторым входом схемы обработки информации 8, а второй выход приемного устройства 9 связан со вторым входом счетчика импульсов 6. Схема усреднения 12 установлена в лазерном дальномере так, что выход схемы обработки информации 8 связан с первым входом схемы усреднения 12, а второй выход счетчика импульсов 6 связан со вторым входом схемы усреднения 12. Дисплей 13 установлен в лазерном дальномере последовательно со схемой усреднения 12, при этом выход схемы усреднения 12 связан с входом дисплея 13.
Формирователь управляемой задержки 2 (фиг. 2) может состоять из ждущего генератора пилообразного напряжения 14, компаратора 15, генератора шума 16, сумматора 17 и формирователя опорного сигнала 18, установленных таким образом, что выход ждущего генератора пилообразного напряжения 14 связан с первым входом компаратора 15, выход генератора шума 16 соединен с первым входом сумматора 17, выход сумматора 17 связан со вторым входом компаратора, а выход формирователя опорного напряжения 18 связан со вторым входом сумматора 17.
Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности работает следующим образом. При подаче сигнала «измерение» на генератор импульсов 1 он вырабатывает последовательность импульсов, поступающих на формирователь управляемой задержки 2, с выхода которой сигнал поступает на схему формирования импульсов тока 3 и далее на импульсный полупроводниковый лазер 4. Кроме того, импульсы со второго выхода генератора импульсов 1 поступают на первый вход счетчика импульсов 6. Импульсное излучение импульсного полупроводникового лазера 2 с помощью линзы передающего канала 5 направляется на объект, до которого измеряется расстояние. Одновременно малая часть лазерного излучения поступает на датчик импульсов излучения 7, электрические сигналы с которого поступают на первый вход схемы обработки информации 8. Часть отраженного от объекта лазерного излучения линзой приемного канала 11 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 10, сигналы с выхода которого поступают на вход приемного устройства 9. В приемном устройстве 9 осуществляется усиление сигнала, аналого-цифровое преобразование, многоканальное цифровое накопление (суммирование) сигнала и сравнение суммы с пороговым уровнем. При превышении суммой порогового уровня приемное устройство 9 срабатывает и сигнал со второго выхода приемного устройства 9 поступает на второй вход счетчика импульсов 6, а с первого выхода приемного устройства 9 сигнал поступает на второй вход схемы обработки информации 8, где осуществляется измерение временного промежутка At между сигналами с датчика импульсов излучения 7 и с приемного устройства 9, и находится величина измеряемого расстояния L.
Величина измеряемого расстояния L определяется по формуле
L=0,5c Δt,
где с - скорость света.
После этого цикл измерения начинается заново и так далее, до тех пор, пока общее число импульсов, генерируемых генератором 1, зафиксированных счетчиком импульсов 6, не достигнет определенной величины n, после чего сигнал с выхода счетчика поступает на второй вход генератора импульсов 1 и генерация прекращается. Счетчик импульсов 6 подсчитывает также число срабатываний m приемного устройства 9.
Информация об этом числе со второго выхода счетчика импульсов 6 поступает на второй вход схемы усреднения 12, на первый вход которой поступают отсчеты дальности с выхода схемы обработки информации 8. В схеме усреднения 12 осуществляется суммирование m отсчетов дальности и деление на m, т.е. вычисление среднего значения. Информация с выхода схемы усреднения 12 подается на дисплей 13, на котором отображается результат измерения расстояния.
При большом расстоянии до объекта наблюдения сигнал на выходе фотоприемника 10 мал, для достижения порогового уровня приходится накапливать большое количество импульсов, соответственно число срабатываний m приемного устройства 9 мало. При максимальных расстояниях число m равно единице, поэтому усреднение не происходит. При малом расстоянии сигнал велик, пороговый уровень достигается с одного или нескольких импульсов, число m, по которому производится усреднение, стремится к общему числу импульсов в последовательности, усреднение эффективно и точность измерения дальности автоматически повышается.
Формирователь управляемой задержки 2 для варианта случайной задержки может быть построен, например, по схеме, приведенной на фиг. 2. При поступлении сигнала от генератора импульсов 1 (фиг. 1) на вход ждущего генератора пилообразного напряжения 14 (фиг. 2) на его выходе формируется пилообразный импульс, т.е. импульс, в котором мгновенное значение напряжения на выходе линейно зависит от времени, который подается на первый вход компаратора 15. На второй вход компаратора 15 подается напряжение с выхода сумматора 17, на первый вход которого подается напряжение с выхода генератора шума 16, а на второй вход сумматора 17 подается сигнал с выхода формирователя опорного напряжения 18. С выхода компаратора 15 сигнал подается на схему формирования импульсов тока 3 (фиг. 1). Компаратор 15 срабатывает в тот момент, когда напряжение на его первом входе, т.е. на выходе генератора пилообразного напряжения 14, становится равным напряжению на втором входе, т.е. напряжению на выходе сумматора 17. Поскольку напряжение на выходе сумматора 17, представляющее собой сумму постоянного напряжения, сформированного формирователем опорного напряжения 18, и шумового процесса с выхода генератора шума 16, является случайной величиной, момент уравнивания напряжения на выходе генератора пилообразного напряжения 14 с этой случайной величиной, а следовательно и момент срабатывания компаратора 15, также случаен. Т.е. рассматриваемая схема представляет собой схему случайной задержки.
Для варианта детерминированной задержки формирователь управляемой задержки может быть построен, например, так, как это предлагается в патенте № WO 0248738 или в книге Лебедько Е.Г. Системы оптической локации. Часть 3, НИУ ИТМО, С.-Петербург, 2013 г., стр. 51-53.
Все основные элементы предлагаемого устройства известны. В качестве генератора импульсов 1, схемы формирования импульсов тока 3, импульсного полупроводникового лазера 4, датчика импульсов излучения 7, приемного устройства 9 и фотоприемника 10 можно использовать типовые узлы импульсного лазерного дальномера. В качестве линзы передающего канала 5, линзы приемного канала 11 могут быть использованы объективы, состоящие из нескольких линз. Для формирования схемы обработки информации 8, счетчика импульсов 6 и схемы усреднения 12 может быть применен программируемый микропроцессор. Дисплей 13 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 меньших габаритов с существенно упрощенной схемой и конструкцией и, следовательно, более дешевый, но обеспечивающий автоматическое повышение точности измерения при уменьшении дальности.