ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным лазерным дальномерам.
Известен лазерный дальномер [1], содержащий 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.
Недостатком этого технического решения является необходимость введения внешнего защитного корпуса, а также наличие ошибки временной фиксации момента излучения.
Эти недостатки устранены в известном лазерном дальномере [2], который является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению. Указанный лазерный дальномер содержит излучающий канал, включающий лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов, устройство их включения и питания и модулятор добротности, приемный канал, включающий приемный объектив, схему измерения дальности с измерителем временных интервалов, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, при этом измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства.
3+
Недостатком этого лазерного дальномера является недостаточная стабильность и надежность при его использовании в качестве лазерного целеуказателя-дальномера с длиной волны излучения 1,06 мкм. на материале активного элемента излучателя из алюмоиттриевого граната, легированного ионами неодима AИГ:Nd. Спектр поглощения последнего содержит широкую, но сильно неоднородную по коэффициенту поглощения область (785-825) нм [3], и в силу зависимости длины волны лазерного излучения полупроводниковой накачки от температуры (0,25-0,3 нм/°С) [3] возникает определенная неравномерная температурная зависимость поглощенной мощности накачки и, соответственно, энергии выходного излучения от температуры, что приводит к снижению потенциала лазерного дальномера и, соответственно, стабильности и надежности его работы в широком температурном диапазоне (от минус 40°С до плюс 50°С) и при измерении дальности на ближних дистанциях, что связано с влиянием помехи обратного рассеяния (ПОР) [4], приводящей к перегрузке канала большого усиления и не позволяющей измерять дальность на ближних дистанциях (до 200 м) в условиях замутненной атмосферы при снижении метрологической дальности видимости (МДВ).
Задачей полезной модели 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.
Поставленная задача решается за счет того, что известный лазерный дальномер, содержащий излучающий канал, включающий лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов, устройство их включения и питания и модулятор добротности, приемный канал, включающий приемный объектив, схему измерения дальности с измерителем временных интервалов, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости приемного объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, при этом измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства, снабжен датчиком температуры, расположенным в зоне размещения решеток лазерных диодов, в схему измерения дальности введена схема управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью, подключенная к датчику температуры и устройству включения и питания решеток лазерных диодов, основное фотоприемное устройство выполнено двухканальным большого и малого усиления, а измеритель временных интервалов схемы измерения дальности выполнен с дополнительным измерительным входом, предназначенным для формирования отсчетов дальности на ближних дистанциях, причем выход дополнительного канала малого усиления основного фотоприемного устройства подключен к дополнительному измерительному входу измерителя временных интервалов схемы измерения дальности.
3+
Введение схемы управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью и датчика температуры позволило повысить стойкость лазерного дальномера к воздействию внешних климатических факторов, к которым относятся погодные климатические условия, влияющие на температуру окружающей среды и состояние атмосферы, за счет влияния на температурную зависимость поглощенной мощности продольной накачки решетками лазерных диодов и обеспечения требуемой энергии импульса лазерного излучения в диапазоне температур, а также расширить функциональные возможности дальномера за счет использования в лазерном излучателе активного элемента из AИГ:Nd с длиной волны лазерного излучения 1,06 мкм, что позволяет применять лазерный дальномер в качестве лазерного целеуказателя-дальномера [5].
Выполнение основного фотоприемного устройства двухканальным большого и малого усиления обеспечило устранение отрицательного влияния помехи обратного рассеяния, приводящей к перегрузке канала большого усиления и не позволяющей измерять дальность на ближних дистанциях (до 200 м) в условиях замутненной атмосферы (МДВ порядка 1 км). Использование дополнительно введенного канала малого усиления (с коэффициентом усиления, меньшим в 30-40 раз по сравнению с коэффициентом усиления основного каскада) позволило парировать влияние помехи обратного рассеяния и обеспечить устойчивое измерение расстояний в зоне ближних дистанций при любых метеоусловиях, что повышает стойкость лазерного дальномера к погодным климатическим условиям и одновременно расширяет его функциональные возможности в части расширения диапазона измеряемых дальностей.
На чертеже представлена схема лазерного дальномера.
Лазерный дальномер включает корпус 1 с отсеками излучающего 2 и приемного 3 каналов. Излучающий канал 2 содержит лазерный излучатель на основе активного элемента 4 с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов 5 и 6, установленных у противоположных торцов активного элемента 4 и устройство их включения и питания 7. На оптической оси активного элемента 4 установлены зеркала 8 и 9, между которыми расположен модулятор добротности 10, образующие резонатор излучателя. За выходным зеркалом 8 резонатора расположена оптическая система 11 формирования выходного пучка лазерного излучения. Приемный канал 3 содержит приемный объектив 12, отклоняющее зеркало 13, фотоприемное устройство 14, чувствительная площадка 15 которого расположена в фокальной плоскости приемного объектива 12 и схему измерения дальности 16, состоящую из измерителя временных интервалов 17 и схемы управления длительностью импульса тока накачки 18. Фотоприемное устройство 14 выполнено двухканальным большого и малого усиления, при этом канал большого усиления подключен к основному измерительному входу 19, а канал малого усиления - к дополнительному измерительному входу 20 измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16. В перегородке между отсеком излучающего канала 2 и отсеком приемного канала 3 установлено оптическое окно 21, через которое в отсек приемного канала 3 может проникать рассеянное лазерное излучение излучателя. В отсеке приемного канала 3 напротив окна 21 установлено дополнительное фотоприемное устройство 22, выход которого подключен к входу 23 запуска измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16. В отсеке излучающего канала 2 в зоне установки решеток лазерных диодов 5 и 6 размещен датчик температуры 24, который подключен к схеме управления длительностью импульса тока накачки 18, а последняя подключена к устройству включения и питания 7 решеток лазерных диодов 5 и 6. Схема управления длительностью импульса тока накачки 18 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.
Rmi
min
min
При включении питания датчик температуры 24 измеряет температуру в зоне размещения решеток лазерных диодов (РЛД) 5 и 6 и выдает информацию в схему управления длительностью импульса тока накачки 18. После подачи питания на РЛД 5 и 6 от устройства их включения и питания 7 в виде импульса тока длительностью, задаваемой от схемы управления 18, происходит возбуждение активного элемента 4 излучением РЛД 5 и 6, а при достижении необходимого уровня возбуждения включается модулятор добротности 10 и в резонаторе 8,9 развивается лазерный процесс. Лазерное излучение выходит из резонатора через его полупрозрачное зеркало 8 и после прохода через оптическую систему 11 направляется на удаленный объект, до которого измеряется дальность. Часть лазерного излучения, отраженного оптическими элементами излучающего канала, вторично рассеивается стенками отсека 2 и через окно 21 поступает на вход дополнительного фотоприемного устройства 22, выходным сигналом которого запускается измеритель временных интервалов 17 в схеме измерения дальности 16. Отраженное удаленным объектом лазерное излучение фокусируется приемным объективом 12 приемного канала 3 на чувствительную площадку 15 фотоприемного устройства 14, предварительно отразившись от зеркала 13, имеющего узкополосное отражающее покрытие для защиты фотоприемного устройства от фонового излучения. С выходов каналов большого и малого усиления фотоприемного устройства 14 сигнал поступает, соответственно, на основной измерительный вход 19 и дополнительный измерительный вход 20 измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16, который останавливает отсчет временного интервала Т по сигналу с дополнительного измерительного входа 20, удовлетворяющего условию T≤2n/c, или останавливает отсчет временного интервала Т по сигналу с основного измерительного входа 19, удовлетворяющего условию T>2R/c, где с - скорость света, R - установленная протяженность зоны ближних дистанций (например, 200 м), для измерения которых используется канал малого усиления фотоприемного устройства 14. По величине интервала Т схема измерения дальности вычисляет дальность R по формуле R=cT/2.
Благодаря описанному техническому решению решается задача расширения функциональных возможностей за счет использования лазерного дальномера в режиме целеуказателя-дальномера с повышением стабильности и надежности его работы при воздействии внешних климатических факторов.
Данные выводы подтверждены положительными результатами изготовления и испытаний опытного образца лазерного дальномера.
Источники информации
1. Получение и обработка информации в импульсных лазерных дальномерах/ Б.А. Ермаков, М.В. Возницкий // Оптический журнал - 1993. - №10. - С. 17
2. Патент РФ 166686. Лазерный дальномер/ В.Н. Быков, В.Г. Вильнер, В.А. Прядеин, А.Г. Садовой, А.И. Текутов, В.О. Трубин // Бюл. - 2016. - №34 - прототип.
3+
3. Влияние спектрального состава лазерной диодной накачки YAG:Nd лазеров на снижение ее эффективности при температурном смещении спектра до 25-30 нм/ А.В. Левошкин // Оптический журнал-2018. - том 85, №10. - С. 22-25
4. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. Москва: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2001. - 351 с.
5. "Compact laser sources for laser designators, ranging and active imaging", Proc. of SPIE, Vol.6552, 65520G, 2007.