RU173991U1

RU173991U1 - High Range Laser Rangefinder

Info

Publication number: RU173991U1
Application number: RU2017114189U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Абрамов; Александр Абрамович Зборовский; Юрий Александрович Старкин
Original assignee: Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-09-25

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к техническим средствам измерения расстояния до объектов на местности с использованием лазерного излучения. Лазерный дальномер с повышенным разрешением по дальности содержит передающий канал и приемный канал, расположенные параллельно друг другу, оптические оси которых расположены параллельно друг другу. Передающий канал содержит линзу передающего канала, расположенную на выходе из передающего канала, и установленные последовательно с ней импульсный полупроводниковый лазер, схему формирования импульсов тока, генератор импульсов, установленные так, что к входу импульсного полупроводникового лазера присоединен выход схемы формирования импульсов тока. Также в передающем канале установлен формирователь управляемой задержки, расположенный 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. Приемный канал содержит линзу приемного канала, расположенную на входе в приемный канал, и установленный последовательно с линзой приемного канала фотоприемник, датчик импульсов излучения, оптический вход которого связан с импульсным полупроводниковым лазером, и приемное устройство, расположенные так, что электрический выход фотоприемника присоединен к входу приемного устройства. Кроме того, в лазерном дальномере установлены схема обработки информации, счетчик импульсов, схема усреднения и дисплей. Технический результат - повышение разрешения по дальности, а также обеспечение автоматического повышения точности измерения при уменьшении дальности. 2 ил.The proposed utility model relates to technical means of measuring the distance to objects on the ground using laser radiation. The laser rangefinder with increased resolution in range contains a transmitting channel and a receiving channel located parallel to each other, the optical axes of which are parallel to each other. The transmitting channel contains a lens of the transmitting channel located at the output of the transmitting channel, and a pulsed semiconductor laser, a current pulse generating circuit, a pulse generator arranged in such a manner that the output of the current pulse generating circuit is connected to the input of the pulsed semiconductor laser. Also, a controlled delay driver is installed in the transmitting channel, located between the pulse generator and the current pulse generation circuit so that the input of the controlled delay driver is connected to the first output of the pulse generator, and the output of the controlled delay driver is connected to the input of the current pulse generation circuit. The receiving channel contains a receiving channel lens located at the entrance to the receiving channel and a photodetector arranged in series with the receiving channel lens, a radiation pulse sensor, the optical input of which is connected to a pulsed semiconductor laser, and a receiving device arranged so that the electrical output of the photodetector is connected to the input receiving device. In addition, an information processing circuit, a pulse counter, an averaging circuit, and a display are installed in the laser rangefinder. The technical result is an increase in resolution in range, as well as providing automatic increase in measurement accuracy with decreasing range. 2 ill.

Description

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.The proposed utility model relates to optical instrumentation, and specifically to technical means of measuring the distance to objects on the ground using laser radiation, and can be used in optical observation devices, rangefinder sights and other devices.

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.A device is known for measuring the distance to objects on the ground, namely a range finder based on a pulsed semiconductor laser, considered in an article by Abramov A.I., Belsky A.B., Zborovsky A.A., Ivanov B.B. titled “Development of laser rangefinder binoculars at the Krasnogorsk plant them. S.A. Zvereva ”, published in the“ Optical Journal ”, issue No. 8, 2009, v. 76, p. 18-21. The laser range finder contains transmitting and receiving optical channels, a pulsed semiconductor laser, a current pulse generation circuit, an information control and processing circuit, a radiation receiver, a pulse amplifier, a display. In the control and information processing circuit, a clock pulse generator and a pulse counter are installed, which is started by a radiation pulse from a pulsed semiconductor laser, and stopped by a pulse received from a radiation receiver. The distance to the observed object is determined by the number of counted clock pulses, the result is displayed. The frequency of clock pulses is about 150 megahertz, i.e. the pulse repetition period is approximately 6.7 nanoseconds, which, taking into account the speed of light, corresponds to a discrete change in distance of the order of 1 meter, i.e. the display shows values that are multiples of one meter, which determines the resolution of the laser rangefinder in range and, in fact, its error. The maximum distance measured with this laser range finder is about two kilometers, which is mainly due to the energy parameters of the semiconductor laser. There are laser range finders of this type, providing distance measurement of up to 10 kilometers or more.

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_Σ увеличивается пропорционально числу реализаций, следовательноTo increase the range in such rangefinders, given that the radiation power is small, use a pulse sequence and apply the accumulation method, which is as follows. After the first laser pulse is emitted, the receiving system with a high temporal resolution begins to fill the memory device with instantaneous photocurrent values read from the photodiode, the so-called realization, which are a mixture of the reflected signal and noise. The amount of memory corresponds to the maximum measured distance, taking into account the time resolution. When the memory is full, the receiving system of the rangefinder is waiting for the next laser pulse, after the emission of which the summation of the next values of the photocurrent begins - the next implementation with the previous values stored in the memory and so on. If there is a target in the range of the rangefinder, the impulses reflected from it arrive at equal time intervals relative to the probe pulse, provided that the object is stationary. The amplitude of the total reflected signal U _Σ increases in proportion to the number of realizations, therefore

где U₁ - амплитуда сигнала от одного излученного лазерного импульса,where U ₁ - the amplitude of the signal from one emitted laser pulse,

N - число реализаций.N is the number of implementations.

Если полагать, что шум в каждой реализации является гауссовым с нулевым средним значением, то среднеквадратичное значение накопленного шумового процесса σ при этом равноIf we assume that the noise in each implementation is Gaussian with a zero mean value, then the rms value of the accumulated noise process σ is equal to

где σ₁ - среднеквадратичное значение шума в одной реализации.where σ ₁ is the rms noise value in one implementation.

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.)In this case, the signal-to-noise ratio increases proportionally

accordingly, the range of the rangefinder increases ("Laser devices and methods for measuring range." VB Bokshansky, DA Bondarenko, MV Vyazovykh et al .; edited by V.E. Karasik, M .: Publishing House of MSTU named after N.E.Bauman, 2012, pp. 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.To reduce the error of distance measurement using a pulsed laser range finder, that is, to increase the range resolution, which is required for a number of technical applications of the laser range finder, it is possible to increase the frequency of the clock pulses. However, the corresponding microcircuits for the electronic path of the rangefinder are much more expensive and emit more heat, which prevents the creation of a small-sized pulsed laser rangefinder with a low cost.

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.Various technical devices are aimed at solving the problem of reducing measurement errors. One of such devices is described in patent No. WO 0248738, IPC G01C 3/06, G01S 17/10, G04F 10/04, published December 15, 2000. This device contains a transmitting channel with a semiconductor laser, a receiving channel and an information processing circuit, which measures the time interval between the moment of laser radiation and the moment of arrival of radiation reflected from the target. The device reduces the equivalent distance measurement discrete due to the controlled shift of the pulse front in the current pulse generation circuit and the corresponding signal processing in the control and information processing circuit. The book (Lebedko EG, “Optical location systems.” Part 3, NRU ITMO, St. Petersburg, 2013, pp. 49-53) provides evidence that such methods allow one to obtain the magnitude of the error in measuring the range units of millimeters and even less than a millimeter. Two options are given: the first when the time shift is random and the second when the time shift is a certain part of the period of the clock pulses. Moreover, to increase the accuracy and obtain one exact reference, a sequence of pulses is already used, i.e. the possibilities of signal accumulation to increase the range are reduced.

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.As a rule, high resolution when measuring on the ground is necessary only in the range of small distances. Therefore, at large distances, the signal accumulation method can be used to increase the range, and at small distances, it is necessary to apply signal processing to reduce the measurement error.

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.The closest analogue to the claimed technical solution is the device described in the patent for utility model RU No. 107276, IPC G01C 3/00, published December 27, 2016. This device combines a pulsed laser range finder operating in the accumulation mode at long distances and a phase laser range finder, which allows to obtain high accuracy at short distances, using some common functional units. This increased range resolution laser range finder contains a transmitting channel, at the output of which a transmitting channel lens is installed, consisting of a pulsed semiconductor laser installed in series with the transmitting channel lens, a current pulse generating circuit, and a pulse generator. In this case, the output of the current pulse generation circuit is connected to the input of a pulsed semiconductor laser. It also contains a receiving channel, at the input of which a receiving channel lens is installed, consisting of a photodetector installed in series with the receiving channel lens, a radiation pulse sensor, the optical input of which is connected to a pulsed semiconductor laser, and a receiving device. In addition, the device has an information processing circuit and a display arranged so that the electrical output of the photodetector is connected to the input of the receiving device, the first output of which is connected to the first input of the information processing circuit, and the second input of the information processing circuit is connected to the electrical output of the radiation pulse sensor. The device also includes a phase channel in which the phase channel lens is mounted, a frequency semiconductor laser mounted in series with the phase channel lens, a modulation frequency generator, a frequency signal amplifier, and a phase measurement circuit are installed so that the input of the frequency semiconductor laser is connected to the first output of the generator modulation frequencies, the second output of the modulation frequency generator is connected to the first input of the phase measurement circuit, the output of which is connected to the third input of the control circuit Ia and processing information frequency signals amplifier input connected to the output of the photodiode, and the frequency signal amplifier output is connected to a second input of the phase measure circuit.

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.This technical solution allows for the measurement of large distances to the target through the use of the method of accumulation of pulsed signals and the measurement of small distances with high accuracy due to the use of the phase method of measuring the time delay of a continuous signal reflected from the target relative to the probing signal. However, the equipment contains two transmitting channels with two different lasers and two signal processing channels - pulse and continuous, so it is difficult and costly to use. In addition, the choice of the far zone when the pulse method is used, or the near zone when the phase method is used, is selected by the operator and manually entered into the device.

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.The proposed utility model solves the technical problem of significantly simplifying the design and design of the laser rangefinder, while achieving the technical result of creating a cheaper laser rangefinder with increased resolution in range with reduced dimensions, which will automatically increase the accuracy of measurement with decreasing range.

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.This is achieved by the fact that in the laser range finder with an increased range resolution containing a transmitting channel, at the output of which there is a transmitting channel lens, consisting of a pulsed semiconductor laser arranged in series with the transmitting channel lens, a current pulse generating circuit, and a pulse generator set so that the output of the current pulse generation circuit is connected to the input of a pulsed semiconductor laser, as well as the receiving channel, at the input of which a receiving channel lens is installed a la consisting of a photodetector installed in series with the lens of the receiving channel, a radiation pulse sensor, the optical input of which is connected to a pulsed semiconductor laser, a receiving device, as well as an information processing circuit and a display arranged so that the electrical output of the photodetector is connected to the input of the receiving device, the first output of which is connected to the first input of the information processing circuit, and the second input of the information processing circuit is connected to the electrical output of the radiation pulse sensor, unlike the known, a controlled delay driver is additionally installed, which is installed in the transmitting channel between the pulse generator and the current pulse generating circuit so that the input of the controlled delay driver is connected to the first output of the pulse generator, and the output of the controlled delay driver is connected to the input of the current pulse generating circuit, a pulse counter and an averaging circuit are introduced, arranged so that the first input of the pulse counter is connected to the second output of the pulse generator , the second input of the pulse counter is connected to the second output of the receiving device, the first output of the pulse counter is connected to the input of the pulse generator, the averaging circuit is set so that the first input of the averaging circuit is connected to the output of the information processing circuit, the second input of the averaging circuit is connected to the second output of the pulse counter, and the output of the averaging circuit is connected to the input of the display.

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).The problem is solved due to the fact that in the pulsed laser rangefinder circuit the signal accumulation method is used to ensure long range when the signal is small, and at short range when the signal is large and there is no need to use a large number of pulses for accumulation, methods are used to increase accuracy by temporal shift of laser radiation pulses with subsequent statistical processing (averaging).

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.In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed laser rangefinder with high resolution in range. In FIG. 2 is a diagram of one of the possible embodiments of the controlled delay driver.

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.The laser rangefinder with increased range resolution (Fig. 1) contains a pulse generator 1, a controlled delay driver 2, a current pulse generating circuit 3, a pulsed semiconductor laser 4, a transmission channel lens 5, a pulse counter 6, a radiation pulse sensor 7, an information processing circuit 8, the receiving device 9, the photodetector 10, the lens of the receiving channel 11, the averaging circuit 12 and the display 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.The optical axis of the transmitting and receiving channels of the laser rangefinder with increased resolution in range are parallel to each other. The generator 1 is installed in the transmitting channel of the laser rangefinder, the controlled delay driver 2 is installed in series with the generator 1 so that the output of the generator 1 is connected to the input of the controlled delay driver 2. The current pulse generating circuit 3 is installed in series with the controlled delay driver 2 so that the output of the controlled driver delay 2 is connected to the input of the current pulse generating circuit 3. The pulsed semiconductor laser 4 is installed in series with the current pulse generating circuit 3 t k, that the output of the current pulse generating circuit 3 is connected to the input of the semiconductor laser 4. The lens of the transmitting channel 5 is installed in series with the semiconductor laser 4. The pulse counter 6 is installed in the laser rangefinder so that the first output of the pulse counter 6 is connected to the input of the pulse generator 1, and the first input of the pulse counter 6 is connected to the second output of the pulse generator 1. The radiation pulse sensor 7 is installed in the receiving channel of the laser rangefinder, optically connected to a semiconductor laser 4. Processing circuit inf formations 8, the receiving device 9, the photodetector 10 and the lens of the receiving channel 11 are mounted sequentially with each other in the receiving channel of the laser rangefinder so that the first input of the information processing circuitry is connected to the first output of the receiving device 9, the input of the receiving device 9 is connected to the output of the photodetector 10, the output of the radiation pulse sensor 7 is connected to the second input of the information processing circuit 8, and the second output of the receiving device 9 is connected to the second input of the pulse counter 6. The averaging circuit 12 is installed in the laser range Here, the output of the information processing circuit 8 is connected to the first input of the averaging circuit 12, and the second output of the pulse counter 6 is connected to the second input of the averaging circuit 12. The display 13 is installed in the laser rangefinder in series with the averaging circuit 12, while the output of the averaging circuit 12 is connected with display input 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.The controlled delay driver 2 (Fig. 2) may consist of a stand-by sawtooth oscillator 14, a comparator 15, a noise generator 16, an adder 17 and a reference signal shaper 18, set in such a way that the output of the sawtooth voltage generator 14 is connected to the first input of the comparator 15 , the output of the noise generator 16 is connected to the first input of the adder 17, the output of the adder 17 is connected to the second input of the comparator, and the output of the driver voltage reference 18 is connected to the second input of the adder 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.Laser rangefinder with high resolution in range works as follows. When the signal “measurement” is applied to the pulse generator 1, it generates a sequence of pulses arriving at the controlled delay driver 2, from the output of which the signal goes to the current pulse generating circuit 3 and then to the pulsed semiconductor laser 4. In addition, the pulses from the second output of the pulse generator 1 are fed to the first input of the pulse counter 6. The pulsed radiation of a pulsed semiconductor laser 2 is sent to the object to which the distance is measured using the lens of the transmitting channel 5. At the same time, a small part of the laser radiation enters the radiation pulse sensor 7, the electric signals from which are fed to the first input of the information processing circuit 8. A part of the laser channel 11 reflected from the laser object is focused on the sensitive area of the photodetector 10, the output signals of which are fed to the input of the receiving devices 9. In the receiving device 9, the signal is amplified, analog-to-digital conversion, multi-channel digital accumulation (summation) of the signal and comparison of the sum we are at a threshold level. When the sum exceeds the threshold level, the receiving device 9 is activated and the signal from the second output of the receiving device 9 is fed to the second input of the pulse counter 6, and from the first output of the receiving device 9 the signal is fed to the second input of the information processing circuit 8, where the time gap At between the signals is measured from the radiation pulse sensor 7 and from the receiving device 9, and the measured distance L. is found

Величина измеряемого расстояния L определяется по формулеThe value of the measured distance L is determined by the formula

L=0,5c Δt,L = 0.5c Δt,

где с - скорость света.where c is the speed of light.

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.After that, the measurement cycle starts anew and so on, until the total number of pulses generated by the generator 1, fixed by the pulse counter 6, reaches a certain value n, after which the signal from the output of the counter goes to the second input of the pulse generator 1 and the generation stops . The pulse counter 6 also counts the number of operations m of the receiving device 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.Information about this number from the second output of pulse counter 6 is fed to the second input of the averaging circuit 12, the first input of which receives distance samples from the output of the information processing circuit 8. In the averaging circuit 12, m samples of the range are added and divided by m, i.e. calculation of the average value. Information from the output of the averaging circuit 12 is supplied to the display 13, which displays the result of the distance measurement.

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.With a large distance to the object of observation, the signal at the output of the photodetector 10 is small, in order to reach the threshold level, a large number of pulses must be accumulated, respectively, the number of operations m of the receiver 9 is small. At maximum distances, the number m is equal to unity; therefore, averaging does not occur. At a small distance, the signal is large, the threshold level is reached with one or several pulses, the number m, over which the averaging is performed, tends to the total number of pulses in the sequence, the averaging is effective and the accuracy of the range measurement is automatically increased.

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.The controlled delay driver 2 for the random delay variant can be constructed, for example, according to the circuit shown in FIG. 2. Upon receipt of a signal from the pulse generator 1 (Fig. 1) to the input of the waiting sawtooth voltage generator 14 (Fig. 2), a sawtooth pulse is formed at its output, i.e. a pulse in which the instantaneous value of the voltage at the output linearly depends on the time that is supplied to the first input of the comparator 15. The second input of the comparator 15 is supplied with voltage from the output of the adder 17, the first input of which is supplied with voltage from the output of the noise generator 16, and the second input the adder 17 is fed a signal from the output of the driver of the reference voltage 18. From the output of the comparator 15, the signal is fed to the circuit for generating current pulses 3 (Fig. 1). The comparator 15 is triggered at the moment when the voltage at its first input, i.e. at the output of the sawtooth voltage generator 14, becomes equal to the voltage at the second input, i.e. the voltage at the output of the adder 17. Since the voltage at the output of the adder 17, which is the sum of the constant voltage generated by the driver of the reference voltage 18, and the noise process from the output of the noise generator 16, is a random variable, the time of equalizing the voltage at the output of the sawtooth generator 14 with this random magnitude, and therefore the moment of operation of the comparator 15, is also random. Those. the considered circuit is a random delay circuit.

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.For the variant of deterministic delay, the controlled delay driver can be constructed, for example, as proposed in patent No. WO 0248738 or in the book of E. Lebedko. Optical location systems. Part 3, NRU ITMO, St. Petersburg, 2013, pp. 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.All the main elements of the proposed device are known. Typical components of a pulsed laser range finder can be used as a pulse generator 1, a current pulse generating circuit 3, a pulsed semiconductor laser 4, a radiation pulse sensor 7, a receiving device 9, and a photodetector 10. As the lens of the transmitting channel 5, the lens of the receiving channel 11 can be used lenses consisting of several lenses. For the formation of the information processing circuit 8, the pulse counter 6 and the averaging circuit 12, a programmable microprocessor can be applied. The display 13 may be either liquid crystal or LED.

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.Thus, as a result of the proposed solution, a technical result is obtained: a laser rangefinder with an increased resolution in the range of smaller dimensions with a significantly simplified design and structure, and therefore cheaper, but providing an automatic increase in measurement accuracy with decreasing range, is created.

Claims

A laser range finder with an increased range resolution, comprising a transmitting channel, at the output of which a transmitting channel lens is installed, consisting of a pulsed semiconductor laser arranged in series with the transmitting channel lens, a current pulse generating circuit, and a pulse generator installed so that to the input of the pulsed semiconductor laser the output of the current pulse generation circuit is connected, as well as the receiving channel, at the input of which a receiving channel lens consisting of a photodetector is installed a nickel installed in series with the lens of the receiving channel, a radiation pulse sensor, the optical input of which is connected to a pulsed semiconductor laser, a receiving device, as well as an information processing circuit and a display arranged so that the electrical output of the photodetector is connected to the input of the receiving device, the first output of which is connected with the first input of the information processing circuit, and the second input of the information processing circuit connected to the electrical output of the radiation pulse sensor, characterized in that a controlled delay driver is installed, which is installed in the transmitting channel between the pulse generator and the current pulse generation circuit so that the input of the controlled delay driver is connected to the first output of the pulse generator, and the output of the controlled delay driver is connected to the input of the current pulse generation circuit, and a pulse counter averaging circuit arranged so that the first input of the pulse counter is connected to the second output of the pulse generator, the second input of the pulse counter the ow is connected to the second output of the receiving device, the first output of the pulse counter is connected to the input of the pulse generator, the averaging circuit is set so that the first input of the averaging circuit is connected to the output of the information processing circuit, the second input of the averaging circuit is connected to the second output of the pulse counter, and the output of the averaging circuit connected to the display input.