Лазерный дальномер
Владельцы патента RU 2655003:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит передающий канал, включающий лазерный излучатель с передающим объективом и схемой запуска, и приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом. Причем фотоприемное устройство содержит фоточувствительный элемент и схему первичной обработки, выход которой является выходом фотоприемного устройства, а также содержит блок обработки информации, связанный со схемой запуска лазерного излучателя, и шторку с приводом. Фотоприемное устройство заключено в герметичный корпус с оптическим окном, а шторка установлена внутри корпуса фотоприемного устройства в непосредственной близости от фоточувствительного элемента и выполнена полупрозрачной на рабочей длине волны лазерного излучателя с коэффициентом пропускания τ, обеспечивающим ослабление поступающих лазерных излучений до безопасного уровня, причем первый управляющий выход блока обработки информации связан со схемой запуска лазерного излучателя, а второй - с приводом шторки, при этом коэффициент пропускания шторки τ находится в пределах:
где Eфпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Eц - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Emax - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на чувствительную площадку фотоприемного устройства. Технический результат изобретения состоит в обеспечении полной защиты лазерного дальномера в условиях лазерного противодействия активными и пассивными средствами при минимальных габаритах устройства и его максимальном быстродействии и надежности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный дальномер, содержащий передающий канал, включающий лазерный излучатель с передающим объективом, приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, и визир, состоящий из объектива, оборачивающей системы и окуляра [1]. Известен также дальномер с бинокулярным визиром, имеющий аналогичную структуру [2]. В составе этих приборов не предусмотрена защита от встречного лазерного излучения, что ограничивает их применение. Дальномер LP-4 (Simrad, Норвегия) содержит узкополосный фильтр в окуляре, пропускающий видимое излучение и отсекающий излучение на длинах волн существующих лазеров, предотвращая повреждение глаз оператора от лазерного излучения.
Эти дальномеры, однако, не обеспечивают защиту фотоприемного устройства от мощных лазерных засветок, поступающих от внешних источников.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазерный дальномер, описанный в [3]. Этот лазерный дальномер содержит передающий канал, включающий лазерный излучатель с передающим объективом, приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, и визир, состоящий из объектива, оборачивающей системы и окуляра. Для уменьшения вероятности повреждения фоточувствительного элемента фотоприемного устройства лазерным излучением в состав дальномера введена шторка с приводом, например электромагнитом, установленная перед фотоприемным устройством. Шторка открывается только на время измерения дистанции до цели и представляет собой непрозрачную пластину, которая перемещается с помощью электромагнита по команде электронной системы управления лазерным дальномером в соответствии с циклограммой ее работы.
Такое построение лазерного дальномера не обеспечивает защиту фотоприемного устройства от собственного лазерного излучения, отраженного от зеркально отражающих объектов, в том числе от ретрорефлекторов, специально устанавливаемых на цели для противодействия лазерным средствам разведки, поскольку лучевая стойкость существующих фоточувствительных элементов на несколько порядков ниже энергии зеркально отраженного излучения, поступающего на чувствительную площадку.
Задачей изобретения является обеспечение полной защиты лазерного дальномера в условиях лазерного противодействия активными и пассивными средствами при минимальных габаритах устройства и его максимальном быстродействии и надежности.
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем передающий канал, включающий лазерный излучатель с передающим объективом и схемой запуска, и приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, причем фотоприемное устройство содержит фоточувствительный элемент и схему первичной обработки, выход которой является выходом фотоприемного устройства, а также содержащем блок обработки информации, связанный со схемой запуска лазерного излучателя, и шторку с приводом, фотоприемное устройство заключено в герметичный корпус с оптическим окном, а шторка установлена внутри корпуса фотоприемного устройства в непосредственной близости от фоточувствительного элемента и выполнена полупрозрачной на рабочей длине волны лазерного излучателя с коэффициентом пропускания τ, обеспечивающим ослабление поступающих лазерных излучений до безопасного уровня, причем первый управляющий выход блока обработки информации связан со схемой запуска лазерного излучателя, а второй - с приводом шторки, при этом коэффициент пропускания шторки τ находится в пределах:
где Eфпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Ец - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Еmax - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на чувствительную площадку фотоприемного устройства.
Шторка может быть выполнена в виде прозрачной пластины с нанесенным на ее поверхность полупрозрачным покрытием.
В состав фотоприемного устройства может быть введена отрицательная линза, установленная между оптическим окном и шторкой.
В состав фотоприемного устройства перед фоточувствительным элементом может быть введена положительная линза так, что один из ее фокусов расположен в плоскости фоточувствительного элемента, а второй совпадает с плоскостью, в которой установлена шторка.
На фиг. 1 представлена оптическая схема лазерного дальномера. На фиг. 2 показаны варианты оптической схемы с отрицательной линзой (фиг. 2а) и с положительной линзой (фиг. 2б). Фиг. 3 иллюстрирует схему обратной засветки от зеркального отражателя. На фиг. 4 показаны поперечные сечения локационной трассы - на границе теневой и ближней зон (фиг. 4а) и на границе ближней и дальней зон (фиг. 4б). На фиг. 5 представлено взаимное положение полей зрения приемного и передающего каналов - на границе теневой и ближней зон (фиг. 5а) и на границе ближней и дальней зон (фиг. 5б).
Передающий канал лазерного дальномера (фиг. 1) содержит лазерный излучатель 1 со схемой запуска 2 и телескоп, состоящий из отрицательного 3 и положительного 4 компонентов. Приемный канал содержит объектив 5 и фотоприемное устройство 6, включающее герметичный корпус 7 с оптическим окном 8, фоточувствительный элемент 9, усилитель 10 и схему временной фиксации 11. С помощью светоделителя 12 приемный канал сопряжен с визирным каналом, включающим объектив 5, оборачивающую систему 13, сетку 14 и окуляр 15. Управление работой дальномера, обработку и выдачу информации осуществляет блок обработки информации 16, один из выходов которого связан с управляющим входом схемы запуска 2 излучателя. В состав фотоприемного устройства 6 перед фоточувствительным элементом 9 введена полупрозрачная шторка 17 с приводом 18, вход которого связан со вторым выходом блока обработки информации 16. Кроме того в состав фотоприемного устройства может быть введена отрицательная 19 или положительная 20 линза.
Устройство работает следующим образом.
С помощью визира 5, 12, 13, 14, 15 оптические оси передающего и приемного каналов лазерного дальномера направляют на цель. В исходном положении шторка 17 расположена перед фоточувствительным элементом 9. При подаче с блока обработки информации 16 команды на схему запуска 2 последняя приводит в действие лазерный излучатель 1, посылающий в сторону цели зондирующий лазерный импульс. Если в створе лазерного излучения находится ретрорефлектор (обратный отражатель, световозвращатель) [4], то зеркально отраженный от него сигнал имеет величину, достаточную для срабатывания фотоприемного устройства 6, но благодаря ослаблению шторкой 17 не приводит к разрушению фоточувствительного элемента 9. По задержке tз отраженного сигнала относительно зондирующего сигнала блок обработки информации 16 вычисляет дальность до цели R по известной зависимости 
где с - скорость света. В отсутствие ретрорефлектора уровень диффузно отраженного целью и ослабленного шторкой сигнала недостаточен для срабатывания фотоприемного устройства, и при отсутствии сигнала на выходе схемы временной фиксации 11 блок обработки информации 16 подает на привод 18 шторки 17 управляющий сигнал, которым привод выводит шторку из поля зрения фоточувствительного элемента 9. Одновременно блок обработки информации подает управляющий сигнал на схему запуска 2 излучателя 1, вызывая его повторное излучение. При выведенной шторке величина сигнала, отраженного целью, достаточна для срабатывания фотоприемного устройства и определения дальности до цели по указанному выше алгоритму. После измерения дальности блок обработки информации 16 подает на привод шторки команду на установку шторки в исходное положение. При этом фоточувствительный элемент защищается не только от зеркально отраженного собственного зондирующего излучения, но и от внешнего лазерного излучения, направленного в приемный канал. При многократном измерении дальности до одной цели блок обработки информации поддерживает на приводе шторки сигнал, обеспечивающий постоянное открытие или закрытие шторки в зависимости от результата первого зондирования.
Шторка 17 должна быть расположена как можно ближе к фоточувствительному элементу. Благодаря этому она перекрывает апертурный угол приемного объектива 5 в меньшей линейной апертуре, что позволяет минимизировать ее габариты и ход перемещения при введении-выведении. Соответственно минимизируются габариты и упрощается конструкция привода 18, а также повышается предельная частота циклов введения и выведения шторки, что особенно важно для лазерных дальномеров, работающих в частотном режиме. Если шторка не может быть расположена непосредственно перед фоточувствительным элементом, то перекрываемая ей апертура может быть уменьшена введением отрицательной линзы 19 (фиг. 2а) или положительной линзы 20 (фиг. 2б). В последнем случае перекрываемая апертура может быть даже меньше габаритов фоточувствительного элемента, если передний и задний фокальные отрезки линзы 20 выбраны соответствующим образом [4].
Коэффициент пропускания τ шторки можно определить, используя следующую методику.
При зеркальном отражении зондирующего излучения энергией Е0 отражателем, размеры которого превышают диаметр зондирующего пучка (фиг. 3), величина сигнала Ец, отраженного такой целью, на рабочей площадке фоточувствительного элемента в ближней и средней зоне дальномера [5, 6] определяется уравнением локации [5]:
где ψ≥ϕ - расходимость пучка зондирующего излучения;
ϕ - угловое поле зрения приемного канала;
R - текущая дальность;
D - диаметр приемного объектива;
Ка=0 при R≤R0; Kа=1 при R≥R1 - коэффициент перекрытия апертур передающего и приемного каналов (фиг. 4);
Kf=0 при R≤R2; Kf=1 при R≥R3 - коэффициент перекрытия полей передающего и приемного каналов (фиг. 5);
τа - коэффициент пропускания атмосферы на трассе зондирования;
τo - коэффициент пропускания оптики передающего и приемного каналов.
Из построений фиг. 3-5 следует:
Пример 1. В=50 мм; D=25 мм; ϕ=0,5⋅10-3 рад; ψ=10-3 рад.
При этих данных R0=37,5 м; R1=62,5 м; R2=33,3 м; R3=100 м.
На дальности R=100 м Kа=1 и Kf=1, следовательно, величина зеркально отраженного сигнала:
Пример 2. Е0=0,01 Дж; τа=1; τo=0,7; ψ=10-3 рад; D=25 мм.
Тогда Ец~1⋅10-3 Дж.
Если предельно допустимый уровень засветки фоточувствительного элемента
Eпду=10-8 Дж, то коэффициент пропускания шторки должен быть не более τ=Eпду/Ец=10-8/10-3=10-5.
При таком ослаблении максимальная измеряемая до ретрорефлектора дальность определяется уравнением дальности [5] (в вышеуказанных обозначениях):
Пример 3. Минимально принимаемая фотоприемным устройством энергия:
Ефпу=10-15Дж. Тогда при τа=0,2, τo=0,7 и τ=10-5 Rmax=46 км.
При отсутствии зеркального отражателя и выведенной шторке дальность действия лазерного дальномера зависит от характера цели и для стандартных целей при тех же исходных данных составляет 5-10 км.
Таким образом, предлагаемый лазерный дальномер имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- Защита фотоприемного устройства от встречных лазерных излучений.
- Защита фотоприемного устройства от зеркально отраженного собственного зондирующего излучения.
- Оперативное управление миниатюрной шторкой, обеспечивающей более высокое быстродействие по сравнению с известными аналогами, то есть меньшее время открытия шторки и тем самым более высокую степень защиты от встречного излучения.
- Благодаря высокому быстродействию обеспечивается возможность работы в частотном режиме.
- Более высокая надежность и долговечность шторки благодаря ее размещению в герметичном объеме фотоприемного устройства.
- Минимальные габариты и масса шторки с приводом, позволяющие использовать данное техническое решение в портативных дальномерах.
Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: обеспечение полной защиты лазерного дальномера в условиях лазерного противодействия активными и пассивными средствами при минимальных габаритах устройства и его максимальном быстродействии и надежности
Данный вывод подтвержден положительными результатами изготовления и испытаний экспериментального образца. После корректировки документации по результатам испытаний лазерный дальномер будет запущен в производство.
Источники информации
1. Б.А. Ермаков и др. Импульсная дальнометрия с оптическими квантовыми генераторами // Сб. статей. - Л.: Машиностроение, 1973.
2. В.Г. Вильнер и др. Лазерный бинокль-дальномер. Патент РФ №2381445.
3. В.В. Батюшков и др. Лазерный дальномер. Патент РФ №2299402 - прототип.
4. Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1973.
5. В.Г. Вильнер и др. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. М.: Фотоника, №3, 2013.
6. В.Г. Вильнер и др. Усовершенствование импульсных полупроводниковых лазерных дальномеров для измерений в ближней зоне. М.: МЭИ, Вестник МЭИ. Радиоэлектроника, №3, 2014.
1. Лазерный дальномер, содержащий передающий канал, включающий лазерный излучатель с передающим объективом и схемой запуска, и приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, причем фотоприемное устройство содержит фоточувствительный элемент и схему первичной обработки, выход которой является выходом фотоприемного устройства, а также содержащий блок обработки информации, связанный со схемой запуска лазерного излучателя, и шторку с приводом, отличающийся тем, что фотоприемное устройство заключено в герметичный корпус с оптическим окном, а шторка установлена внутри корпуса фотоприемного устройства в непосредственной близости от фоточувствительного элемента и выполнена полупрозрачной на рабочей длине волны лазерного излучателя с коэффициентом пропускания τ, обеспечивающим ослабление поступающих лазерных излучений до безопасного уровня, причем первый управляющий выход блока обработки информации связан со схемой запуска лазерного излучателя, а второй - с приводом шторки, при этом коэффициент пропускания шторки τ находится в пределах:
,
где Ефпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Ец - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Еmax - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на чувствительную площадку фотоприемного устройства.
2. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что шторка выполнена в виде прозрачной пластины с нанесенным на ее поверхность полупрозрачным покрытием.
3. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что в состав фотоприемного устройства введена отрицательная линза, установленная между оптическим окном и шторкой.
4. Лазерный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что в состав фотоприемного устройства перед фоточувствительным элементом введена положительная линза так, что один из ее фокусов расположен в плоскости фоточувствительного элемента, а второй совпадает с плоскостью, в которой установлена шторка.
