СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ
PULSED LASER LOCATION SYSTEM

Изобретение относится к приборостроению, технике оптических систем зондирования пространства и может быть применено, в частности, в системах лазерной локации и построения трехмерных изображений.
В настоящее время в технике оптической локации реализовано несколько способов и большое число устройств измерения положения объектов в исследуемом пространстве, основанных на подсветке объектов лазерным излучением.
В большинстве устройств исследуемое пространство сканируют по двум координатам импульсами зондирующего лазерного излучения с узкой диаграммой направленности, а регистрацию интенсивности излучения, отраженного от различных точек поверхности объектов, осуществляют посредством одиночного приемника с узким полем зрения, которое сканируют синхронно с зондирующим лазерным пучком (патент US 5528354 А, приоритет 10.07.1992 г., патент RU №2084925, приоритет 14.04.1995 г., МПК: G01S 17/06).
В качестве строчных сканирующих устройств в оптико-локационной аппаратуре наибольшее распространение получили вращаемые электромеханическим приводом зеркальные многогранники - призмы и пирамиды, позволяющие достигать достаточно больших углов сканирования при высокой частоте следования зондирующих лазерных импульсов и формирования сканирующего лазерного пучка высокого качества. Для более медленной кадровой развертки чаще всего используется качающееся зеркало, угол отклонения которого задается электромеханическим приводом.
Для систем двухкоординатного сканирования характерны аберрационные искажения кружка рассеяния регистрируемого излучения при его прохождении через объективы под углом к оптической оси (астигматизм, кома), им присущи ошибки сборки и деформации конструкции вследствие обусловленных вращением механических нагрузок, в частности, отклонения от заданных углов между зеркальными гранями и осью вращения многогранника. При сканировании в системе с разнесенными строчным и кадровым дефлектором происходит смещение луча из главной плоскости строчного дефлектора, что приводит к неравномерности скорости сканирования и снижению точности позиционирования луча в сканируемой области пространства.
Наличие аберраций ведет к необходимости увеличения размеров граней многогранника и апертур формирующей оптики. И то, и другое приводит к увеличению габаритов сканирующего устройства, при этом необходимость сохранения угловой скорости сканирования при больших габаритах зеркального многогранника приводит к увеличению динамических возмущений, а также к необходимости увеличения мощности и массы двигателя привода. Достижимая скорость строчного сканирования в этом случае ограничивается возможностями применения мощных электромеханических двигателей и обеспечения динамической прочности конструкции дефлектора. Возможности ее повышения, увеличения частоты следования кадров и увеличения числа элементов разрешения в строке крайне ограничены.
Известна также лазерная локационная система, в которой в качестве строчного дефлектора использован акустооптический дефлектор (патент RU 2528109 С1, приоритет 18.04.2013, G01S 17/02, G01S 17/06, G01S 17/93).
Применение устройства строчного сканирования на основе акустооптического дефлектора позволяет без использования движущихся масс реализовать сканирование лазерного пучка с частотами, превышающими частоты известных оптико-механических сканеров. Замена оптико-механического строчного сканера на акустооптический сканер позволяет снять ограничения на скорость строчного сканирования и соответственно повысить информативность лазерного локатора.
2
Вместе с тем, акустооптические дефлекторы обладают рядом недостатков, ограничивающих эффективность их применения в оптических локационных системах. Отклонение пучка в таких дефлекторах обусловлено явлением дифракции световой волны на создаваемой в кристалле объемной дифракционной решетке плотности. Дифракционная эффективность такой решетки (0,5…0,6), ее поперечное сечение (<10 мм), оптическое качество, определяющее угловую расходимость сканируемого пучка (m>2) и угловой диапазон сканирования (<10°), а также КПД использования мощности радиочастотных источников (<0,7), записывающих объемную решетку в акустооптическом кристалле, для реальных устройств существенно отличаются от предельных значений, что в совокупности приводит к существенным потерям в энергетической эффективности и надежности системы.
Известна также, являющаяся прототипом заявляемой системы, лазерная локационная система (патент RU 2612874, приоритет 12.11.2015), в которой для радикального уменьшения времени обзора пространства, повышения информативности лазерного локатора, уменьшения габаритно-массовых характеристик, повышения надежности устройства без снижения целевых характеристик системы, используется однокоординатное устройство сканирования.
х
у
х
у
х
x
При этом в системе импульсной лазерной локации использована выходная оптическая система передающего канала, формирующая астигматический лазерный пучок сплошного сечения с отношением угловых расходимостей по ортогональным координатам ϕ:ϕ=1:К, которая в каждом импульсе лазера обеспечивает зондирование прямоугольной области пространства. Угловая ширина этой области согласована с требуемым разрешением локационной системы ϕ, угловая высота согласована с угловым полем зрения системы ϕ=Кϕ по координате, перпендикулярно которой производится одномерное сканирование линейной диаграммы направленности. Кроме того, массив фотоприемных устройств включает К фотоприемников и волоконно-оптический жгут, содержащий К волокон, которые с одной стороны обращены торцами к соответствующим фотоприемникам массива фотоприемных устройств, а с другой стороны волокна жгута смонтированы в однорядную линейку из К волокон, торцы которой обращены к выходу оптического объектива фотоприемного устройства и расположены в его фокальной плоскости. Диаметр оптоволокна в жгуте d и фокальное расстояние объектива F выбираются из условия d/F=ϕ.
К недостаткам лазерной локационной системы-прототипа следует отнести:
- сложность формирования астигматического пучка с равномерным по сечению распределением энергии при больших значениях К. При больших отношениях поля зрения локационной системы и ее разрешения (на практике К≥100) необходимо на выходе оптической системы передающего канала сформировать сильно астигматический зондирующий пучок с соотношением размеров по главным осям, равным или превышающим К. Известные методы формирования астигматичных пучков, основанные на использовании цилиндрической оптики, не обеспечивают равномерности распределения плотности потока мощности лазерного излучения по сечению сильно астигматичного пучка. В результате локационное изображение оказывается неравномерным по полю зрения, а погрешность измерения дистанции до объектов на краю поля зрения существенно увеличивается;
2
- потери энергии зондирующего лазерного пучка, обусловленные использованием для регистрации отраженного лазерного сигнала линейного массива торцов оптических волокон круглого сечения. Волокна круглого сечения не полностью перекрывают в плоскости изображения прямоугольное пятно засветки лазерным пучком. Кроме того, на приемник попадает лишь часть сечения падающего на торец волокна пучка, которая соответствует площади сечения центральной жилы сердцевины (ядра) волокна. Лазерное излучение, падающее на кольцевую зону оболочки волокна, на приемник не попадает. Если d1, d2 - диаметры ядра и оболочки волокна, то апертурные потери энергии сигнала составят П=1-π(d1/d2)/4. При d1=0,4 мм, d2=0,43 мм, П=0,32;
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения дистанции за счет устранения обусловленной использованием цилиндрической оптики неравномерности распределения энергии зондирующего пучка по координате, перпендикулярно которой производится сканирование, и снижение потерь энергии, обусловленных апертурными потерями энергии сигнала при регистрации отраженного лазерного сигнала линейным массивом круглых торцов оптических волокон.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в предлагаемой системе импульсной лазерной локации выходная оптическая система передающего канала, формирует не сплошной астигматический зондирующий лазерный пучок, а веер из К лежащих в одной плоскости осесимметричных лазерных пучков с расходимостью ϕ, с угловым расстоянием между соседними пучками Ω≥ϕ и суммарным углом раскрыва веера, равным Ω(К-1)+ϕ. При этом в каждом импульсе лазера обеспечивается зондирование К лазерными пучками прямоугольной области пространства с угловыми размерами [Ω(К-1)+ϕ]×ϕ.
Для формирования веера лучей в составе выходной оптической системы передающего канала, в отличие от системы импульсной лазерной локации по патенту RU 2612874, приоритет 12.11.2015, вместо цилиндрической линзы использован дифракционный оптический элемент, например, проходная одномерная решетка Дамманна, формирующий веер лазерных пучков круглого сечения с угловой расходимостью каждого из пучков ϕ, причем угол между соседними пучками в веере равен Ω, а энергия в каждом из пучков одинакова (см., например, Z. Kuang, et al., Ultrafast laser parallel microprocessing using high uniformity binary Dammann grating generated beam array, Appl. Surf. Sci. (2013), http://dx.doi.Org/10.1016/j.apsusc.2013.01.195). Плоскость, в которой формируется веер лучей, перпендикулярна штрихам решетки Дамманна и параллельна оси вращения зеркала однокоординатного сканирующего устройства и ориентации линейки из К оптоволокон в фокальной плоскости объектива фотоприемного устройства. При этом расстояние между центрами торцов оптоволокон в линейке равно Δ=ΩF, где F- фокусное расстояние объектива фотоприемного устройства, а диаметр ядра каждого из волокон Δ≥d1≥ϕF.
Структурная схема заявляемой системы импульсной лазерной локации приведена на Фиг. 1.
В систему входит импульсный лазер 1. Выход лазера 1 оптически соединен с входом выходной оптической системы передающего канала 2. Выходная оптическая система передающего канала через промежуточное зеркало 3 оптически связана с однокоординатным сканирующим устройством 4, с которого лазерный пучок направляется в зону наблюдения. На вход фотоприемного устройства регистрации момента излучения лазерного импульса 5 поступает излучение, рассеянное поверхностями элементов оптической системы передающего канала 2, выход фотоприемного устройства 5 электрически соединен с входом блока обработки старт-сигналов вычислительного устройства 6.
Вход оптического объектива фотоприемного устройства 7 оптически связан с однокоординатным сканирующим устройством 4, с которого на объектив поступает излучение, рассеянное объектами в зоне наблюдения. Выход объектива фотоприемного устройства 7 оптически соединен с однорядной линейкой волокон 8 на входе оптического жгута, волокна на выходе оптического жгута оптически соединены с входами массива фотоприемных устройств 9, выходы фотоприемных устройств массива 9 электрически соединены со входами блока обработки сигналов вычислительного устройства 6.
Однокоординатное сканирующее устройство 4 снабжено приводом 10 и датчиком угла поворота 11. Выход датчика угла поворота электрически соединен с входом обратной связи блока управления приводом сканирующего устройства 12, выход блока управления привода сканирующего устройства 12 соединен с управляющим входом привода однокоординатного сканирующего устройства 10.
Для синхронизации работы узлов и электронных блоков системы оптической локации служит процессор вычислительного устройства 13, логические входы процессора электрически соединены с логическими выходами блока управления приводом сканирующего устройства 12 и блока обработки сигналов 6, выходы управления процессора электрически соединены со входами управления блока управления приводом сканирующего устройства, блока обработки сигналов 6 и блока питания импульсного лазера 14.
Система работает следующим образом (см. Фиг. 1). Вычислительное устройство, состоящее из блоков обработки сигналов вычислительного устройства 6, процессора вычислительного устройства 13 и блока управления приводом сканирующего устройства 12, считывает показания датчика угла поворота однокоординатного сканирующего устройства 11 и устанавливает сканирующее устройство в начальную позицию.
Подается команда на начало сканирования, процессор вычислительного устройства 13 формирует синхроимпульсы, подаваемые на вход синхронизации блока питания лазера 14, и производится включение лазера 1 в режиме генерации последовательности коротких импульсов с заданной частотой, соответствующей угловому повороту лазерного луча за промежуток времени между импульсами на заданный угол, согласованный с углом расходимости пучка по координате сканирования ϕ.
Момент излучения каждого импульса регистрируется фотоприемным устройством регистрации лазерного импульса 5 и сохраняется в оперативной памяти блока обработки сигналов вычислительного устройства 6.
Выходная оптическая система передающего канала 2 формирует веер из К лежащих в одной плоскости лазерных пучков круглого сечения с расходимостью ϕ, угловым расстоянием между соседними пучками Ω и углом раскрыва веера, равным Ω(К-1)+ϕ. С помощью промежуточного зеркала 3 веер лучей направляется на сканирующее зеркало однокоординатного сканирующего устройства 4 и далее в исследуемую зону пространства предметов. В результате в каждом импульсе веер лазерных лучей с расходимостью ϕ≤Ω зондирует внутри поля зрения локационной системы строку с угловыми размерами [Ω(К-1)+ϕ]×ϕ.
Положение лазерной строки в наблюдаемом пространстве определяется угловым положением зеркала однокоординатного сканирующего устройства 4 в момент импульса. Угловой интервал между строками может варьироваться за счет изменения частоты следования лазерных импульсов и/или угловой скорости сканирования зеркала 4.
2
Если в пределах лазерной строки имеется объект, рассеивающий излучение зондирующего лазера, объектив фотоприемного устройства 7 построит в фокальной плоскости изображение совокупности пятен, соответствующей зондирующим пучкам, попавшим на рассеивающий объект. Так как в плоскости, перпендикулярной плоскости раскрыва веера зондирующих лазерных пучков, направление излучаемого лазерного импульса и направление оси визирования объектива в каждый момент времени совпадают, изображение освещенной лазерным импульсом области объекта будет построено в центральном сечении плоскости изображения объектива, и при показанной на Фиг. 1 ориентации координатных осей, попадет на однорядную линейку волокон 8, размещенную в этом сечении. При выборе расстояния между центрами волокон равным Δ=ΩF, диаметра ядра волокна в диапазоне Δ≥d≥Fϕ, и числа волокон в линейке, равного К=Ψ/Ω+1, где Ψ - угловое поле зрения локационной системы вдоль строки, на линейке волокон будут построены изображения тех пучков из веера зондирующих лазерных пучков, которые попадают на наблюдаемый объект. Последовательность из К импульсов позволит зафиксировать все объекты в угловом поле зрения системы (К-1)Ωθ с разрешением Ω в плоскости раскрыва веера зондирующих пучков и с разрешением θ в перпендикулярной плоскости.
З
Принятый каждым волокном лазерный импульс направляется на одно из фотоприемных устройств из массива фотоприемных устройств 9 и преобразуется в электрический импульс, задержанный на время t=2L/c относительно времени излучения, где L - дальность до наблюдаемой точки объекта, с - скорость света.
Блок обработки сигналов вычислительного устройства 6 измеряет величину временной задержки принятого лазерного импульса относительно излученного лазером светового импульса и вычисляет текущую дальность по данному направлению до отражающего объекта. Выходными данными блока обработки являются текущий код направления по строке, текущий код направления по кадру и дистанция до объекта по данному направлению. Точечный массив этих данных, получаемый за один кадр сканирования, позволяет построить трехмерное изображение исследуемого пространства.
Текущий код направления по кадровой координате определяет угловые координаты точечных объектов в направлении сканирования с помощью датчика угла поворота 11 сканирующего устройства. Код направления по строке определяется номером волокна в линейке волокон.
i
2
В результате за каждый цикл сканирования (кадр) вычислительное устройство регистрирует 3 массива данных измерений, из которых первый массив из К данных - это угловые положения линейной диаграммы направленности лазера в зоне наблюдения, отсчитанные в плоскости сканирования по показаниям датчика угла поворота сканирующего устройства с поправкой на величину скоростной аберрации в случае больших дистанций и высоких скоростей сканирования, второй массив из К данных - это угловые координаты осей полей зрения фотоприемных апертур волокон, формирующих однорядную линейку. Если i ∈ (-K/2…-1,1…K/2), то без учета возможной коррекции технологических ошибок при формировании линейки волокон, элемент этого массива может быть записан в виде ϕ=arctg(i*Δ/F). Наконец, третий массив данных, содержащий К элементов, - это привязанный к массивам угловых направлений массив дальностей до точек пересечения зондирующих лазерных пучков с поверхностями обнаруженных в зоне наблюдения объектов.
Полученные данные измерений позволяют для каждого кадра построить 3-мерную картину расположения объектов в пространстве, а сравнение последовательных кадров -измерить характеристики движения этих объектов.
Лазер 1, работающий в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов в десятки кГц и генерирующий импульсы наносекундной длительности, может быть реализован на активном элементе из граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм) или кристалле ИЛФ с неодимом (длина волны 1,053 мкм) с использованием оптической накачки полупроводниковыми лазерными диодами. Перспективным является также использование волоконных лазеров с легированием иттербием (длина волны 1,07 мкм) или эрбием (длина волны 1,55 мкм). Волоконные лазеры обеспечивают КПД на уровне 25% и частоты генерации до единиц МГц. Для подводной локации и локации в условиях космоса могут быть использованы сине-зеленые (длина волны 0,4…0,55 мкм) импульсные диодные лазеры или лазеры на основе легированных неодимом сред с нелинейным удвоителем частоты. При построении системы импульсной лазерной локации, безопасной для зрения, кроме эрбиевого волоконного лазера может быть использован лазер на активном элементе из граната с неодимом с параметрическим внутрирезонаторным преобразованием в безопасную для глаз длину волны (длина волны 1,57 мкм). Для макетирования системы лазерной локации был использован серийно выпускаемый твердотельный лазер ТЕСН-1053 (http://www.laser-compact.ru/prod/1053.html).
Выходная оптическая система передающего канала 2, формирующая веер зондирующих лазерных пучков, представляет собой дифракционный оптический элемент - например, проходную одномерную решетку Дамманна, формирующую веер лазерных пучков круглого сечения с угловой расходимостью ϕ, причем угол между соседними пучками в веере равен Ω≥ϕ, а энергия в каждом из пучков одинакова. Для макетирования заявляемой системы лазерной локации была использована решетка Дамманна, изготовленная Институтом автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск (http://www.iae.nsk.su).
Однокоординатное сканирующее устройство 4 может быть реализовано на основе сканирующего зеркала с шаговым или бесколлекторным вентильным двигателем и датчиком углового положения зеркала. В устройстве были использованы моментный двигатель 6ДБМ40-0,04-5-3 и энкодер ЛИР-219Б. В качестве объектива фотоприемного устройства 7 может быть использован как специально разработанный объектив с просветлением и интерференционным фильтром на лазерную длину волны, так и стандартный объектив видимого диапазона с интерференционным фильтром на лазерную длину волны на входе. При реализации системы был использован фотографический объектив «Волна-3» с интерференционным фильтром на длину волны 1,053 мкм вместо штатного светофильтра.
В качестве фотоприемных устройств может использоваться набор одиночных лавинных или pin-фотодиодов, геометрические размеры фоточувствительных площадок которых обеспечат прием лазерного излучения с выхода одиночного волокна оптического жгута. Диаметр фоточувствительных площадок лавинных фотодиодов должен превышать диаметр волокон на 10…40 процентов. При введении оптических элементов для фокусировки лазерного излучения с выхода волокон, диаметр площадок может быть уменьшен.
Блок обработки сигналов вычислительного устройства 6 и процессор вычислительного устройства 13 могут быть реализованы, например, на микросхеме FPGA Spartan-6, имеющей высокую тактовую частоту и достаточное число каналов параллельной обработки данных. Блок управления приводом сканирующего устройства поставляется изготовителем привода.
Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности лазерной локационной системы, сокращении времени обзора, уменьшении габаритно-массовых характеристик, повышении надежности и информативности лазерного локатора за счет оптимального согласования диаграмм направленности зондирующих лазерных пучков и полей зрения оптоволоконных приемных апертур, использования сканирования по одной координате и одноимпульсного сбора данных по другой.
Технический результат заключается также в обеспечении возможности реализовать без потерь энергии зондирующего излучения угловой шаг сканирования, превышающий угловой размер сканируемого пучка.