Импульсный лазерный дальномер
PULSE LASER RANGEFINDER

Изобретение относится к лазерной локации, а именно к импульсным лазерным дальномерам и локаторам.
Известны системы импульсной лазерной локации, содержащие импульсный лазер и фотоприемник, а также схему измерения задержки отраженного сигнала, предназначенные для измерения дальности до удаленных объектов [1].
Особенность таких систем широкий амплитудный диапазон сигналов, отраженных от объектов на малых и больших расстояниях. Это приводит к перегрузкам приемного тракта и снижает его помехоустойчивость в ближней зоне [2]. Защита от помех, создаваемых посторонними местными объектами и аэрозолями воздушной трассы осуществляется с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и порога (ВАРП) [2], однако эти меры неэффективны при перегрузках первых каскадов приемно-усилительного тракта, вызывающих ухудшение разрешающей способности и точности временной привязки отраженного сигнала [3]. При этом существует риск поражения фотоприемника излучением, отраженным от зеркального объекта. Известно фотоприемное устройство лазерного дальномера [4], в котором указанный недостаток устранен за счет введения перед чувствительной площадкой фотоприемника управляемого электрооптического ослабителя, однако такое решение приводит к существенному усложнению устройства и ухудшению отношения сигнал/шум.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазерный дальномер с пробным излучателем [5]. Указанное устройство содержит два излучателя разной мощности со схемами управления, фотоприемник, пороговое устройство, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное с измерителем временных интервалов и со схемой управления более мощным излучателем.
Как указано в данном источнике, излучение основного и пробного (менее мощного) излучателей формируется в параллельных пучках, образуемых независимыми оптическими каналами.
Такое построение дальномера ведет к его усложнению, снижению герметичности, увеличению габаритов (за счет конструктивного встраивания второго канала) и созданию теневой зоны канала пробного излучателя. При наличии теневой зоны [2] существование зеркального отражателя не может быть зарегистрировано в приемном канале дальномера, и при включении основного излучателя от зеркально отраженного изучения высокой мощности может разрушиться фотоприемник.
Задачей изобретения является обеспечение безопасного режима работы фотоприемника в широком диапазоне дальностей при сохранении конструктивных характеристик малогабаритного дальномера.
ц
макс
0
0
мин
Эта задача решается за счет того, что в известном импульсном лазерном дальномере, содержащем основной и пробный излучатели разной мощности, фотоприемный канал, включающий фотоприемник с объективом, пороговое устройство, включенное на выходе фотоприемника и по выходу связанное со схемой управления и измерителем временных интервалов, а схема управления подключена к основному излучателю, в состав пробного излучателя меньшей мощности введен лазерный диод и микроколлиматор, пробный излучатель установлен за объективом перед фотоприемником так, что оптическая ось пробного излучателя проходит через чувствительную площадку фотоприемника, выходной пучок излучения пробного излучателя находится в пределах светового отверстия объектива, микроколлиматор совместно с объективом обеспечивает расходимость θ пробного излучения на выходе объектива согласно условию  где D - минимальный габарит цели; Δθ - погрешность юстировки параллельности пробного излучателя; R - верхняя граница диапазона измеряемых дальностей; D - диаметр приемного объектива; Е* - энергия излучения пробного излучателя; Е - минимальная принимаемая энергия фотоприемника.
Пробный излучатель может быть установлен на общем основании с фотоприемником в фокальной плоскости объектива на расстоянии В от чувствительной площадки фотоприемника, при этом перед пробным излучателем введен дефлектор на расстоянии  от фокальной плоскости объектива, где В* - расстояние от оптической оси объектива до центра пучка пробного излучения в главной плоскости объектива. Угол поворота дефлектором пучка излучения пробного излучателя
0
проб
проб
Расстояние В между оптическими осями фотоприемника и пробного излучателя может удовлетворять условию В≤D/2-D/2, где D - диаметр пучка пробного излучения в плоскости объектива.
Дефлектор может быть выполнен в виде оптического клина.
макс пробного
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема лазерного дальномера. Фиг 2 иллюстрирует ход лучей при отражении излучения от зеркального отражателя (ход лучей условно развернут). На фиг. 3 приведена оптическая схема дальномера при независимом положении пробного излучателя относительно фотоприемника. На фиг 4 показаны варианты оптической схемы при размещении пробного излучателя в фокальной плоскости объектива; фиг. 4а) - при произвольном расстоянии В пробного излучателя от фотоприемника; фиг. 4б) при максимальном расстоянии В излучателя от фотоприемника
пр
отр
пр
В состав лазерного дальномера входят (фиг. 1) основной излучатель 1, пробный излучатель 2 с входом «пуск*», фотоприемный канал 3, на выходе которого включено пороговое устройство 4. Выход порогового устройства связан с измерителем временных интервалов (ИВИ) 5 и схемой управления 6, выход которой подключен ко входу «пуск» основного излучателя. Фотоприемный канал содержит фотоприемник 7 с объективом 8 (фиг. 3, 4) Пробный излучатель содержит лазерный диод 9 и микроколлиматор 10. В приемный канал между микроколлиматором пробного излучателя и объективом может быть введен дефлектор 11 (фиг. 4а) и б). На чертежах приняты следующие обозначения. D - световой диаметр объектива; D=D/2 - эффективный диаметр зеркального отражателя (фиг. 2); R - дальность до зеркального отражателя; Н - главная плоскость объектива (фиг. 4); F - фокусное расстояние объектива; F* - Расстояние от фокальной плоскости объектива до дефлектора; В - расстояние между рабочими площадками фотоприемника и пробного излучателя (база пробного излучателя); В* - расстояние между оптической осью объектива и оптической осью пучка пробного излучения в главной плоскости объектива (параллакс пробного излучателя); β - параллактический угол между оптической осью объектива и виртуальной осью пробного излучателя.
Устройство работает следующим образом.
мин
мин
мин
и
и
Команда на измерение подается на пробный излучатель 2 сигналом «пуск* » (фиг. 1). В исходном состоянии основной излучатель 1 заблокирован. При подаче команды «пуск*» срабатывает пробный излучатель 2, направляя на выбранный объект импульс пробного зондирующего излучения. Момент излучения to фиксируется измерителем временных интервалов 5, фотоприемник 7 принимает отраженный объектом импульс. Порог срабатывания порогового устройства 4, соответствует минимальной пороговой энергии принятого сигнала Е (мощности сигнала Р=E/t, где t -длительность импульса). Эти параметры определяются шумами фотоприемника и вероятностями ложного срабатывания и правильного обнаружения [1, 2, 7].
мин
1
1
0
Если в створе зондирующего излучения присутствует зеркальный отражатель (зеркало, световозвращатель, ретрорефлектор, триппель-призма) с эффективной отражающей поверхностью, достаточной для формирования на фотоприемнике энергии, превышающей уровень Е, то пороговое устройство 4 срабатывает и формирует импульс, временное положение которого t регистрируется измерителем временных интервалов 5, вычисляющим интервал времени Т=t-t. Дальность R до зеркально отражающего объекта определяют по формуле R=сТ/2, где с - скорость света [1].
Если в створе зондирующего луча нет зеркального отражателя, то пороговое устройство не срабатывает, и схема управления формирует сигнал «Пуск» на запуск основного излучателя 1. Далее процедура измерения дальности осуществляется в том же порядке, что и при пробном зондировании.
Благодаря описанному порядку работы, определяемому структурой устройства, обеспечивается безопасный уровень засветки фотоприемника отраженными импульсами излучения.
мин
0
пду
При современном уровне чувствительности фотоприемников Е, близком к теоретически предельному, и массогабаритных ограничениях, предъявляемых к оптике дальномеров, для обеспечения максимальной измеряемой дальности 5-25 км энергия зондирующего излучения Е должна быть не менее 10-20 мДж [2]. Известные дальномеры имеют именно такую выходную энергию лазерного излучения [6]. При данных энергетических соотношениях зеркальный отражатель, перекрывающий пучок излучения (фиг. 2) приводит к облучению фотоприемника энергией, значительно превышающей предельно допустимый уровень Е.
отр
пр.
Как видно из фиг. 2, действующий максимальный диаметр зеркального отражателя D вдвое меньше диаметра приемного объектива D При этом можно определить энергию засветки фотоприемника зеркально отраженным излучением основного лазера с учетом локационного уравнения [1, 2].
где θ - угол расходимости пучка зондирующего излучения;
- угол расходимости зондирующего пучка, стягиваемый отражателем;
R - расстояние до отражателя.
Пример 1.
пр
0
мин
-3
D=40 мм; θ=10 рад; Е=0,01 Дж; R=R=100 м - минимальное расстояние до отражателя, при котором засветка фотоприемника максимальна.
отр
пр
D=D/2=20 мм.
При этих данных в соответствии с (1)
пду
-10
Предельно допустимый уровень энергии Е=10 Дж приведен для серийного фотоприемного устройства на базе кремниевого лавинного фотодиода [7].
Из неравенства (2) видно, что в условиях примера 1 и на более высоких дальностях R в пределах заданного диапазона измерений до 20000 м и более фотоприемник будет выведен из строя при наличии на трассе зондирования зеркального отражателя.
Формула (1) справедлива и для оценки уровня засветки зеркально отраженным излучением пробного излучателя.
Из нее следует условие достаточности параметров пробного канала для обнаружения зеркального отражателя в пределах всего диапазона измеряемых дальностей
0
откуда расходимость θ* излучения пробного излучателя с выходной энергией Е*
мин
где Е - чувствительность приемника (минимальная принимаемая энергия)
-7
-7
-6
Известен миниатюрный полупроводниковый лазерный излучатель с микроцилиндрической линзой [8]. Параметры этого излучателя: выходная мощность излучения 60 Вт; расходимость пучка излучения 10°×10°; длительность импульса 10 с; энергия импульса 60⋅10=6⋅10 Дж; габариты лазера ∅5,8×4,6; габариты излучающей площадки, а=0,2 мм; b=0,1 мм.
Пример 2.
0
0
макс
мин
-7
-16
D=40 мм; Е*=6⋅10 Дж; R=R=20000 м - максимальное расстояние до отражателя; минимальная принимаемая энергия [7] Е=6⋅10 Дж.
Тогда, согласно (3), для пробного излучателя θ*≤0,0316 рад (1,81°).
Такая расходимость обеспечивается при фокусном расстоянии микроколлиматора
мк
F=а/θ*=0,2/0,0316=6,3 мм.
пр
мин
пду
-16
-10
Таким образом, в условиях примера 2 при работе пробного излучателя принимаемый сигнал Е* составляет величину  превышающую минимальную принимаемую энергию Е=6⋅10 Дж [7] и не превосходящую предельно допустимого уровня Е=10 Дж.
Пробный излучатель может быть встроен в корпус объектива независимо от положения фотоприемника (фиг. 3). В этом случае его оптическая ось и все выходные лучи должны исходить из точки, совпадающей с чувствительной площадкой, а выходной пучок лучей должен быть в пределах светового отверстия объектива.
Пробный излучатель может быть размещен на общем основании с фотоприемником (фиг. 4). Это более конструктивно и технологично. Однако в этом случае для сведения оси пробного излучателя с осью фотоприемника в выходной пучок пробного излучателя должен быть введен дефлектор (например, оптический клин). Два варианта такого размещения приведены на фиг. 4а) и фиг. 4б).
В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец лазерного дальномера.
Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований во всех заданных условиях эксплуатации.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает безопасный режим работы фотоприемника в широком диапазоне дальностей при сохранении конструктивных характеристик малогабаритного дальномера.
Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - с. 213.
2. В.Г. Вильнер и др. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. М.: Фотоника. 2013, №3. - С. 42-60.
3. В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. М.: Мир измерений. 2010, №7. - С. 17-21.
4. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.
5. Laser measurement system. US pat. No 4,657,382. - прототип.
6. Jane's Electro-Optic Systems 2003-2004, p. 355.
7. Фотоприемное устройство одноэлементное ФУО-119-01 ОС2.003.030ТУ.
8. В.Г. Вильнер и др. Новые методы повышения энергии зондирующего излучения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров. Казань: КГЭУ, Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. Электроэнергетика. №11-12, 2013. - С. 33-37.