RU181369U1

RU181369U1 - DEVICE FOR MEASURING TIME INTERVALS FOR LASER RANGE

Info

Publication number: RU181369U1
Application number: RU2017138803U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Анциферов; Александр Прокопьевич Анциферов; Леонид Анатольевич Вдовкин; Максим Юрьевич Дерюгин; Владимир Анатольевич Изутов; Оксана Игоревна Козырева; Роман Владимирович Минеев; Александр Васильевич Сиренко; Владислав Анатольевич Юрин
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2018-07-11

Abstract

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении временных интервалов для импульсной лазерной дальнометрии. Устройство содержит измерительный блок, блок приема входных сигналов, блок вывода информации. При этом измерительный блок дополнен каналом опорного сигнала, который содержит электрически связанные между собой фотоприемник, усилитель сигнала, преобразователь уровня сигнала. В канале опорного сигнала фотоприемником служит фотодиод, обеспечивающий требуемую высокую чувствительность, использован усилитель сигнала с высокой скоростью нарастания фронта сигнала, а преобразователем уровня сигнала является компаратор. В канале обратного сигнала использованы лавинный фотодиод с внутренним трансимпедансным усилителем сигнала, интегрированные на единой подложке: в каналах опорного и обратного сигналов измерительного блока использованы высокоскоростные компараторы. В высоковольтном источнике питания использован термочувствительный датчик. В измерительный блок введен механический переключатель сигналов, обеспечивающий переключение между каналом опорного сигнала и каналом передачи электрического импульса от блока приема сигнала. В блоке приема входных сигналов устройство приема оптического излучения дополнено волоконными коннекторами, связанными с фотоприемником канала опорного сигнала и коллиматором канала обратного сигнала. Устройство приема электрических сигналов дополнено электрическим разъемом, связанным с каналом передачи электрического импульса. 2 ил.The device relates to measuring technique and can be used to measure time intervals for pulsed laser ranging. The device comprises a measuring unit, an input signal receiving unit, an information output unit. In this case, the measuring unit is supplemented by a channel of the reference signal, which contains an electrically coupled photodetector, a signal amplifier, and a signal level converter. In the channel of the reference signal, the photodetector serves as a photodetector, providing the required high sensitivity, a signal amplifier with a high slew rate of the signal front is used, and a comparator is a signal level converter. An avalanche photodiode with an internal transimpedance signal amplifier integrated on a single substrate was used in the return signal channel: high-speed comparators were used in the channels of the reference and return signals of the measuring unit. The high-voltage power supply uses a temperature-sensitive sensor. A mechanical signal switch has been introduced into the measuring unit, providing switching between the channel of the reference signal and the transmission channel of the electric pulse from the signal receiving unit. In the input signal receiving unit, the optical radiation receiving device is supplemented with fiber connectors connected to a photodetector of the reference signal channel and a return signal channel collimator. The device for receiving electrical signals is supplemented with an electrical connector connected to the transmission channel of the electrical pulse. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при измерении временных интервалов для импульсной лазерной дальнометрии.The utility model relates to measuring technique and can be used in measuring time intervals for pulsed laser ranging.

В настоящее время существует целый ряд модулей лазерных дальномеров различного направления и технической реализации. Для измерения расстояния до объектов с обеспечением пространственной селекции используют импульсные лазерные дальномеры, например, описанный в книге В.В. Молебного «Оптико-локационные системы». - М., Машиностроение, 1981, с. 52. Он содержит импульсный лазер с оптической коллимирующей системой, излучающий короткие оптические импульсы на объект, с выхода ответвляют стартовый опорный импульс на опорный фотоприемник с импульсным усилителем, который соединен со стартовым импульсом измерителя временных интервалов (ИВИ). Отраженный от объекта оптический сигнал через оптический приемный объектив попадает на фотоприемник, усиливается импульсным усилителем и подается на стоповый вход ИВИ. Измеренный временной интервал в аналоговом или цифровом виде отображает измеренное расстояние до объекта.Currently, there are a number of modules of laser rangefinders of various directions and technical implementation. To measure the distance to objects with spatial selection using pulsed laser rangefinders, for example, described in the book of V.V. Prayer "Optical location systems." - M., Mechanical Engineering, 1981, p. 52. It contains a pulsed laser with an optical collimating system that emits short optical pulses to the object; from the output, the starting reference pulse branches to a reference photodetector with a pulse amplifier, which is connected to the starting pulse of a time interval meter (IVI). The optical signal reflected from the object through the optical receiving lens enters the photodetector, is amplified by a pulse amplifier and fed to the stop input of the IVI. The measured time interval in analog or digital form displays the measured distance to the object.

Недостатком данного модуля лазерного дальномера является низкая точность измерения расстояния, возможность работы только с конкретной схемой лазерного дальномера, который работает только с лазером одной длины волны.The disadvantage of this module of the laser rangefinder is the low accuracy of distance measurement, the ability to work only with a specific laser rangefinder circuit that works only with a laser of the same wavelength.

Известно устройство для измерения временных интервалов в составе лазерного дальномера (прототип) (патент РФ №2324145, опубликован 10.05.2008), включающее в свой состав измерительный блок, блок приема входных сигналов, блок вывода информации. Измерительный блок составлен из измерительного канала обратного сигнала, который содержит последовательно электрически связанные между собой высоковольтный источник питания, фотоприемник, роль которого выполняет лавинный фотодиод, усилитель сигнала, далее за усилителем сигнала следует преобразователь уровня сигнала, в виде компаратора, а также канала передачи электрического импульса от блока приема входных сигналов, причем выходы канала обратного сигнала и канала передачи электрического импульса связаны с измерителем временных интервалов (ИВИ).A device for measuring time intervals in the composition of the laser rangefinder (prototype) (RF patent No. 2323245, published 05/10/2008), including a measuring unit, an input signal receiving unit, an information output unit. The measuring unit is composed of a measuring channel for the return signal, which contains a high-voltage power source in series, electrically connected to each other, a photodetector, the role of which is an avalanche photodiode, a signal amplifier, then the signal amplifier is followed by a signal level converter, in the form of a comparator, as well as an electric pulse transmission channel from the input signal receiving unit, the outputs of the return signal channel and the electric pulse transmission channel being connected to a time meter tervals (IVI).

В состав блока приема входных сигналов входит устройство приема оптического излучения и электрических сигналов, а также коллиматор, связанный с каналом обратного сигнала измерительного блока.The input signal receiving unit includes a device for receiving optical radiation and electrical signals, as well as a collimator associated with the return signal channel of the measuring unit.

Блок вывода информации представляет собой речевой синтезатор, расположенный на выходе ИВИ, а также индикатор обнаружения объекта, позволяющий быстро фиксировать положение поля зрения дальномера на объекте.The information output unit is a speech synthesizer located at the output of the IVI, as well as an object detection indicator, which allows you to quickly fix the position of the field of view of the range finder on the object.

Недостаток данной структурной схемы состоит в том, что высока погрешность измерения в связи с выбором комплектующих составляющих, обладающих недостаточными возможностями, в частности, низкими временными характеристиками при аналогичной организации структурной схемы. Также, к недостаткам относится интегрированность схемы измерения временных интервалов в общую схему дальномера, что приводит к невозможности работы этой функциональной части вне состава данной конкретной схемы дальномера и зависимости измерений от конкретного типа лазера.The disadvantage of this structural scheme is that the measurement error is high in connection with the choice of components that have insufficient capabilities, in particular, low time characteristics with a similar organization of the structural scheme. The disadvantages include the integration of the measurement scheme of time intervals in the overall circuit of the range finder, which makes it impossible to operate this functional part outside the composition of this particular rangefinder circuit and the dependence of the measurements on a particular type of laser.

Техническая проблема состоит в разработке схемного решения, позволяющего получать высокоточные временные измерения при универсальности подхода (отсутствие зависимости от характеристик используемых в дальномере типов лазеров).The technical problem is to develop a circuit solution that allows you to obtain high-precision time measurements with a universal approach (no dependence on the characteristics of the types of lasers used in the rangefinder).

Технический результат состоит в уменьшении погрешности измерения временных интервалов при обеспечении универсальности за счет модульности.The technical result consists in reducing the measurement error of time intervals while ensuring versatility due to modularity.

Данный технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного устройства для измерения временных интервалов для лазерного дальномера, включающего измерительный блок, составленный из измерительного канала обратного сигнала, который содержит последовательно электрически связанные между собой высоковольтный источник питания, фотоприемник, роль которого выполняет лавинный фотодиод, усилитель сигнала, далее за усилителем сигнала следует преобразователь уровня сигнала в виде компаратора, а также канала передачи электрического импульса от блока приема входных сигналов, причем выходы какала обратного сигнала и канала передачи электрического импульса связаны с измерителем временных интервалов (ИВИ);This technical result is achievable due to the fact that, in contrast to the known device for measuring time intervals for a laser rangefinder, including a measuring unit composed of a measuring channel of the return signal, which contains a high voltage power source in series, electrically connected to each other, a photodetector, the role of which is avalanche photodiode, signal amplifier, then the signal amplifier is followed by a signal level converter in the form of a comparator, as well as an electronic transmission channel optical pulse from the unit receiving input signals, and outputs the return signal and cocoa transmission channel electrical pulse associated with the meter slots (IVI);

блок приема входных сигналов, в состав которого входит устройство приема оптического излучения и электрических сигналов, а также коллиматор, связанный с каналом обратного сигнала измерительного блока; блок вывода информации, в предложенном устройстве измерительный блок дополнен каналом опорного сигнала, который содержит электрически связанные между собой фотоприемник, усилитель сигнала, преобразователь уровня сигнала; в канале опорного сигнала фотоприемником служит фотодиод, обеспечивающий требуемую высокую чувствительность, использован усилитель сигнала с высокой скоростью нарастания фронта сигнала, а преобразователем уровня сигнала является компаратор; в канале обратного сигнала использованы лавинный фотодиод с внутренним трансимпедансным усилителем сигнала, интегрированные на единой подложке; в опорном и обратном каналах измерительного блока использованы высокоскоростные компараторы; ИВИ выбрано с обеспечением измерения по каждому импульсу лазера с высоким временным разрешением; в высоковольтном источнике питания использован термочувствительный датчик; в измерительный блок введен механический переключатель сигналов, обеспечивающий переключение между опорным каналом и каналом передачи электрического импульса от блока приема сигнала; в блоке приема входных сигналов устройство приема оптического излучения дополнено волоконными коннекторами, связанными с фотоприемником опорного канала и коллиматором обратного канала; устройство приема электрических сигналов дополнено электрическим разъемом, связанным с каналом передачи электрического импульса; в блоке вывода информации элементы блока вывода информации связаны с блоком питания и выбраны с возможностью вывода информации в двоичном коде, причем все составляющие устройства, кроме блока вывода информации и блока питания, скомпонованы в едином модуле.an input signal receiving unit, which includes a device for receiving optical radiation and electrical signals, as well as a collimator associated with the return signal channel of the measuring unit; an information output unit, in the proposed device, the measuring unit is supplemented with a reference signal channel, which contains an electrically coupled photodetector, a signal amplifier, a signal level converter; in the channel of the reference signal, the photodetector serves as a photodetector, providing the required high sensitivity, a signal amplifier with a high slew rate of the signal front is used, and a comparator is a signal level converter; an avalanche photodiode with an internal transimpedance signal amplifier integrated on a single substrate is used in the return signal channel; in the reference and return channels of the measuring unit, high-speed comparators are used; IVI is selected to ensure measurement for each laser pulse with a high temporal resolution; a high-voltage power source uses a temperature-sensitive sensor; a mechanical signal switch is introduced into the measuring unit, providing switching between the reference channel and the electric pulse transmission channel from the signal receiving unit; in the input signal receiving unit, the optical radiation receiving device is supplemented with fiber connectors connected to a photodetector of the reference channel and a return channel collimator; the device for receiving electrical signals is supplemented with an electrical connector connected to the transmission channel of the electrical pulse; in the information output unit, the elements of the information output unit are connected to the power supply unit and are selected with the possibility of outputting information in binary code, and all components of the device, except the information output unit and the power supply unit, are arranged in a single module.

Методы импульсной лазерной дальнометрии основаны на определении расстояния до объекта по промежутку времени, в течение которого импульсный сигнал лазера проходит двойное расстояние от дальномера до объекта. Таким образом, с учетом значения скорости света в воздухе, расстояние до объекта определяется по формуле 1, исходя из значения интервала времени, измеренного импульсным лазерным дальномером, между моментом излучения зондирующего лазерного импульса («СТАРТ»-импульсом) и моментом приема лазерного излучения, отраженного от объекта («СТОП»-импульсом).Methods of pulsed laser ranging are based on determining the distance to the object from the time interval during which the laser pulse passes the double distance from the range finder to the object. Thus, taking into account the value of the speed of light in air, the distance to the object is determined by formula 1, based on the value of the time interval measured by the pulsed laser range finder, between the moment of emission of the probe laser pulse ("START" pulse) and the moment of reception of laser radiation reflected from the object ("STOP" -pulse).

где L - расстояние до объекта, с - скорость света в вакууме (2.99792*10⁸ м/с), n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение (для воздуха n≈1), t - время прохождения лазерного импульса до объекта и обратно.where L is the distance to the object, s is the speed of light in vacuum (2.99792 * 10 ⁸ m / s), n is the refractive index of the medium in which the radiation propagates (for air n≈1), t is the laser pulse propagation time to the object, and back.

Источником зондирующего излучения в импульсных лазерных дальномерах (ИЛД) является импульсный лазер (обычно твердотельный или полупроводниковый), излучение которого формируется с помощью коллиматора. Согласно обшей функциональной схеме ИЛД, при формировании лазерного импульса часть лазерного излучения отводится на фотодиод канала опорного сигнала, а отраженное от объекта излучение попадает в канал обратного сигнала, состоящий из приемного объектива (коллиматора), лавинного фотодиода и усилителя сигнала. За измерение временных интервалов между «СТАРТ» и «СТОП» - импульсами отвечает измеритель временных интервалов, который фиксирует разницу времени между моментом излучения зондирующего лазерного импульса по сигналу фотодиода (канал опорного излучения) и моментом приема отраженного от объекта излучения по сигналу лавинного фотодиода в канале обратного сигнала, выдавая цифровой код полученного результата. Блок вывода информации осуществляет интерпретацию и повышение точности полученных результатов, формирует выходной сигнал.The source of probing radiation in pulsed laser rangefinders (ILD) is a pulsed laser (usually solid-state or semiconductor), the radiation of which is generated using a collimator. According to the general functional diagram of the ILD, when a laser pulse is generated, part of the laser radiation is allocated to the photodiode of the reference signal channel, and the radiation reflected from the object enters the return signal channel, which consists of a receiving lens (collimator), an avalanche photodiode, and a signal amplifier. The time interval meter is responsible for measuring the time intervals between "START" and "STOP" pulses, which records the time difference between the moment of emission of the probe laser pulse by the signal of the photodiode (reference radiation channel) and the moment of reception of the radiation reflected from the object by the signal of the avalanche photodiode in the channel return signal, giving a digital code of the result. The information output unit interprets and improves the accuracy of the results, generates an output signal.

Основной вклад в погрешность измерения дальности до объекта вносят погрешности, возникающие при измерении временного интервала между моментами посылки и приема излучения зондирующего импульса. При разработке устройства для измерения временных интервалов для лазерного дальномера (в частности, модуля измерения временных интервалов - МИВИ) учитывались все факторы, влияющие на точность измерения интервалов времени между «СТАРТ»- и «СТОП»-импульсами.The main contribution to the error in measuring the distance to the object is made by the errors that occur when measuring the time interval between the moments of sending and receiving radiation from the probe pulse. When developing a device for measuring time intervals for a laser rangefinder (in particular, a module for measuring time intervals - MIVI), all factors affecting the accuracy of measuring time intervals between "START" and "STOP" pulses were taken into account.

Среди них можно выделить:Among them are:

- систематическую погрешность, обусловленную различным временем задержки сигнала в опорном и обратном каналах фиксации принимаемых импульсов («СТАРТ» и «СТОП». Ей можно либо минимизировать, либо, вследствие систематичности ее характера, учесть при измерении временного интервала. Минимизация данной погрешности возможна при схемной компенсации. В системах без совмещенного старта эту систематическую погрешность можно учесть с помощью многократного измерения калиброванной дистанции, которая может быть реализована в блоке вывода информации;- a systematic error caused by different signal delay times in the reference and return channels for fixing the received pulses (“START” and “STOP.” It can either be minimized, or, due to its systematic nature, be taken into account when measuring the time interval. Minimization of this error is possible with the circuit In systems without a combined start, this systematic error can be taken into account by repeatedly measuring the calibrated distance, which can be implemented in the information output unit tion;

- погрешность временной фиксации импульсов излучения. Она в основном связана с приемом отраженного от объекта лазерного импульса - мощность сигнала может изменяться на несколько порядков в зависимости от дальности до объекта и его коэффициента отражения, состояния среды, в котором распространяется излучение. Кроме того, на сигнал накладываются шумы и помехи опорного и обратного каналов. Все это приводит к искажениям формы принятого сигнала и, как следствие, к погрешности фиксации момента прихода данного импульса пороговым устройством (компаратором). Наиболее распространен метод временной привязки принятого импульса излучения путем фиксации его по уровню пороговым устройством (например, быстродействующим компаратором). В этом случае момент прихода импульса излучения фиксируется при пересечении порога срабатывания и зависит как от длительности фронта импульса, так и от всех параметров (отражающих свойств объекта, состояния атмосферы и т.д.), искажающих форму принятого сигнала. При сохранении формы зондирующего импульса с течением времени разброс момента фиксации «СТАРТ»- и «СТОП»-импульсов зависит от длительности фронта импульса лазера - чем короче длительность фронта лазерного импульса (время возрастания амплитуды лазерного импульса от 0.1 до 0.9 от ее максимального значения), тем точнее фиксируются моменты времени «СТАРТ»- и «СТОП»-импульсов и точнее определяется значение расстояния до объекта. Поэтому при разработке устройства для измерения временных интервалов для лазерного дальномера (МИВИ) необходимо использовать фотоприемник (лавинный фотодиод) с малым фронтом нарастания сигнала.- error of temporary fixation of radiation pulses. It is mainly associated with the reception of a laser pulse reflected from the object - the signal power can vary by several orders of magnitude depending on the distance to the object and its reflection coefficient, the state of the medium in which the radiation propagates. In addition, noise and interference from the reference and return channels are superimposed on the signal. All this leads to distortions in the shape of the received signal and, as a result, to an error in fixing the moment of arrival of a given pulse by a threshold device (comparator). The most common method is the temporal reference of the received radiation pulse by fixing it by the level of the threshold device (for example, a high-speed comparator). In this case, the moment of arrival of the radiation pulse is fixed when the threshold is crossed and depends both on the duration of the pulse front and on all parameters (reflecting properties of the object, atmosphere, etc.) that distort the shape of the received signal. While maintaining the shape of the probe pulse over time, the spread in the moment of fixation of the "START" and "STOP" pulses depends on the duration of the laser pulse front - the shorter the duration of the laser pulse front (the time of the increase in the amplitude of the laser pulse from 0.1 to 0.9 from its maximum value), the more accurately the “START” and “STOP” pulses are recorded and the more precisely the distance to the object is determined. Therefore, when developing a device for measuring time intervals for a laser rangefinder (MIVI), it is necessary to use a photodetector (avalanche photodiode) with a small front of rise of the signal.

В связи с необходимостью реализации устройства, способного работать в существующих установках, которые имеют в своем составе действующие лазерные системы, потребовалось создать универсальный компактный модуль дальномера, который имеет возможность применения (совместим) в разных системах реального времени, а также с разными типами лазеров. Это требует предложенного усовершенствования прототипа.Due to the need to implement a device capable of operating in existing installations that have operating laser systems, it was necessary to create a universal compact rangefinder module that can be used (compatible) in different real-time systems, as well as with different types of lasers. This requires a proposed improvement of the prototype.

Таким образом, измерительный блок дополнен каналом опорного сигнала, который содержит электрически связанные между собой фотоприемник, усилитель сигнала, преобразователь уровня сигнала; в канале опорного сигнала фотоприемником служит фотодиод, обеспечивающий требуемую высокую чувствительность, использован усилитель сигнала с высокой скоростью нарастания фронта сигнала, а преобразователем уровня сигнала является компаратор.Thus, the measuring unit is supplemented by a channel of the reference signal, which contains an electrically coupled photodetector, a signal amplifier, a signal level converter; In the channel of the reference signal, the photodetector serves as a photodetector, providing the required high sensitivity, a signal amplifier with a high slew rate of the signal front is used, and a comparator is a signal level converter.

Данная компоновка канала опорного сигнала позволяет минимизировать количество электронных компонентов, что позволяет уменьшить погрешность фронта получаемого импульса опорного сигнала. Использование фотодиода с высокой чувствительностью позволяет получить форму сигнала лазерного импульса, близкую к исходной.This arrangement of the channel of the reference signal allows you to minimize the number of electronic components, which reduces the error of the front of the received pulse of the reference signal. The use of a photodiode with high sensitivity makes it possible to obtain a laser pulse waveform close to the original one.

Применение в канале обратного сигнала лавинного фотодиода с внутренним трансимпедансным усилителем сигнала, интегрированных на единой подложке, позволяет принимать отраженный от объекта сигнал низкого уровня и преобразовывать его в напряжение для последующего усиления сигнала дифференциальным усилителем.The use of an avalanche photodiode with an internal transimpedance signal amplifier integrated in a single substrate in the return channel allows receiving a low-level signal reflected from the object and converting it to voltage for subsequent signal amplification by a differential amplifier.

В каналах опорного и обратного сигнала измерительного блока использованы высокоскоростные компараторы, позволяющие преобразовывать сигналы с уровней в несколько мВ до 3.3 В при низком значении их искажения.High-speed comparators were used in the channels of the reference and return signals of the measuring unit, which made it possible to convert signals from levels of several mV to 3.3 V with a low value of their distortion.

ИВИ выбрано с обеспечением измерения по каждому импульсу лазера с высоким временным разрешением, что позволяем в отличие от прототипа, измерять расстояние до быстро движущихся объектов с высокой частотой получения данных, что также связано с точностью измерений.The IVI was selected to provide measurements for each laser pulse with a high temporal resolution, which, unlike the prototype, allows us to measure the distance to fast moving objects with a high frequency of data acquisition, which is also associated with the accuracy of the measurements.

В высоковольтном источнике питания использован термочувствительный датчик, который позволяет регулировать напряжение смешения в зависимости от температуры корпуса, необходимое для стабильной работы чувствительного к внешней температуре лавинного фотодиода, что связано с уменьшением погрешности измерения временных интервалов.The high-voltage power supply uses a temperature-sensitive sensor, which allows you to adjust the mixing voltage depending on the temperature of the housing, which is necessary for the stable operation of the avalanche photodiode sensitive to external temperature, which is associated with a decrease in the measurement error of time intervals.

В измерительный блок введен механический переключатель сигналов, обеспечивающий переключение между опорным каналом и каналом передачи электрического импульса от блока приема сигнала, позволяющий работать с лазерными системами разных типов, что в совокупности с другими признаками приводит к достижению технического результата.A mechanical signal switch has been introduced into the measuring unit, which provides switching between the reference channel and the electric pulse transmission channel from the signal receiving unit, which makes it possible to work with laser systems of various types, which, together with other features, leads to the achievement of a technical result.

В блоке приема входных сигналов устройство приема оптического излучения дополнено волоконными коннекторами, связанными с фотоприемником опорного канала и коллиматором обратного канала; устройство приема электрических сигналов дополнено электрическим разъемом, связанным с каналом передачи электрических импульсов, получаемых от лазерной системы при генерации лазерных импульсов. Это позволяет встраивать модуль ИВИ в существующие лазерные системы без использования дополнительных устройств, что обеспечивает универсальность модуля.In the input signal receiving unit, the optical radiation receiving device is supplemented with fiber connectors connected to a photodetector of the reference channel and a return channel collimator; The device for receiving electrical signals is supplemented with an electrical connector connected to the transmission channel of electrical pulses received from the laser system when generating laser pulses. This allows you to embed the IVI module in existing laser systems without the use of additional devices, which ensures the universality of the module.

В блоке вывода информации элементы блока вывода информации связаны с блоком питания и выбраны с возможностью вывода информации в двоичном коде. Это позволяет применять модуль ИВИ с различными средствами разработки программного обеспечения, используя ТТЛ/КМОП совместимые протоколы передачи данных, что обеспечивает универсальность модуля.In the information output unit, the elements of the information output unit are connected to the power unit and are selected with the possibility of outputting information in binary code. This allows you to use the IVI module with various software development tools using TTL / CMOS compatible data transfer protocols, which ensures the universality of the module.

Все составляющие устройства, кроме блока питания и блока вывода информации, скомпонованы в едином модуле. Для работы устройства необходим внешний блок питания с рабочим напряжением 24 В.All components of the device, except the power supply and information output unit, are arranged in a single module. An external power supply unit with an operating voltage of 24 V is required for the device to operate.

Таким образом, сравнение с прототипом показывает следующее. В прототипе отсутствует канал опорного сигнала, следствием чего является невозможность работы с лазерами, у которых отсутствуют выходные импульсы напряжения при генерации лазерных импульсов. В модуле ИВИ уменьшена погрешность в канале обратного сигнала из-за использования лавинного фотодиода с высокой предельной частотой и более низким временем нарастания сигнала, чем у прототипа; дифференциального усилителя с более высокой скоростью нарастания фронта, чем у прототипа; более высокоскоростной компаратор; а также ИВИ с более высоким разрешением и диапазоном измерений времени, а соответственно и измеряемых расстояний.Thus, a comparison with the prototype shows the following. The prototype does not have a reference signal channel, which results in the inability to work with lasers that do not have voltage output pulses when generating laser pulses. In the IVI module, the error in the return signal channel is reduced due to the use of an avalanche photodiode with a high limiting frequency and lower signal rise time than the prototype; differential amplifier with a higher slew rate than the prototype; higher speed comparator; as well as IVI with a higher resolution and a range of time measurements, and, accordingly, measured distances.

То есть, техническим результатом заявленного технического решения является выбор составляющих комплектующих и организация связей между ними в части схемы дальномера, касающейся обработки входных сигналов и измерения временных интервалов между ними, позволяющая добиться высокой точности измерений при обеспечении ее независимости от общей схемы дальномера и применяемых лазеров.That is, the technical result of the claimed technical solution is the selection of component parts and the organization of connections between them in terms of the rangefinder circuit, concerning the processing of input signals and measuring the time intervals between them, which allows to achieve high accuracy of measurements while ensuring its independence from the general circuit of the range finder and the lasers used.

На фиг. 1 изображена структурная схема разработанного устройства измерения временных интервалов для лазерного дальномера - модуль измерения временных интервалов (МИВИ), где 1 - времяцифровой преобразователь (ИВИ), 2 - канал опорного сигнала, 3 - канал обратного сигнала, 4 - высоковольтный источник питания, 5 - механический переключатель сигналов, 6 - преобразователь (компаратор) канала опорного сигнала, 7 - усилитель канала опорного сигнала, 8 - фотоприемник (фотодиод) канала опорного сигнала, 9 - преобразователь (компаратор) канала обратного сигнала, 10 - усилитель канала обратного сигнала, 11 - лавинный фотодиод канала обратного сигнала, 12 - блок питания модуля, 13 - интерфейсный блок модуля, 14 - реконфигурируемая система реального времени CompactRIO, (13, 14 образуют блок вывода информации); 15, 17 - волоконные коннекторы SMA, соответственно каната опорного сигнала и канат обратного сигнала, 16 - коллиматор, 18 - разъем МСХ, (15, 16, 17, 18 образуют блок приема входных сигналов). На фиг. 2 приведено изображение внешнего вида МИВИ и его электронной платы.In FIG. 1 shows a block diagram of a developed device for measuring time intervals for a laser rangefinder - a module for measuring time intervals (MIVI), where 1 is a digital clock converter (IVI), 2 is a channel of a reference signal, 3 is a channel of a return signal, 4 is a high-voltage power supply, 5 is mechanical signal switch, 6 - converter (comparator) of the reference signal channel, 7 - amplifier of the reference signal channel, 8 - photodetector (photodiode) of the reference signal channel, 9 - converter (comparator) of the return signal channel, 10 - amplifier reverse channel lighter, 11 — avalanche photodiode of the return signal channel, 12 — module power supply unit, 13 — module interface unit, 14 — compactRIO reconfigurable real-time system, (13, 14 form an information output unit); 15, 17 - fiber connectors SMA, respectively, the cable of the reference signal and the cable of the return signal, 16 - the collimator, 18 - the connector of the Ministry of Agriculture, (15, 16, 17, 18 form a block for receiving input signals). In FIG. 2 shows an image of the appearance of MIVI and its electronic board.

Заявляемое устройство реализовано в модуле. Разработано устройство измерения временных интервалов для лазерного дальномера - модуль измерения временных интервалов (МИВИ) для импульсной лазерной дальнометрии, впервые выполненный в форм-факторе модуля NI CompactRIO - промышленной, реконфигурируемой, встраиваемой системы, содержащей три компонента: контроллер реального времени, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и промышленные модули ввода-вывода. Реконфигурируемые каналы ввода-вывода ПЛИС напрямую подключены к модулям ввода-вывода, что обеспечивает высокопроизводительный доступ к цепям ввода-вывода каждого модуля и практически неограниченную гибкость синхронизации.The inventive device is implemented in the module. A time interval measurement device for a laser rangefinder is developed - a time interval measurement module (MIVI) for pulsed laser ranging, first implemented in the form factor of the NI CompactRIO module - an industrial, reconfigurable, embedded system containing three components: a real-time controller, a programmable logic integrated circuit (FPGA) and industrial input / output modules. The reconfigurable FPGA I / O channels are directly connected to the I / O modules, which provides high-performance access to the I / O circuits of each module and virtually unlimited synchronization flexibility.

Измерительный блок (фиг. 1) состоит из измерителя временных интервалов (ИВИ), в качестве которого использован времяцифровой преобразователь 1 (ВЦП) и двух аналоговых измерительных каналов - опорного сигнала 2 и обратного сигнала 3. Канал опорного сигнала 2, образованный фотодиодом 8, усилителем 7, компаратором 6, фиксирует «СТАРТ»-сигнал (момент выхода лазерного зондирующего излучения), а канал обратного сигнала 3, образованный лавинным фотодиодом 11, усилителем 10, компаратором 9, фиксирует «СТОП»-сигнал (момент регистрации отраженного от объекта лазерного излучения).The measuring unit (Fig. 1) consists of a time interval meter (IVI), which is used as a time-digital converter 1 (VCP) and two analog measuring channels - a reference signal 2 and a return signal 3. The channel of the reference signal 2, formed by a photodiode 8, an amplifier 7, the comparator 6, fixes the "START" signal (the moment of the output of the laser probe radiation), and the return signal channel 3 formed by the avalanche photodiode 11, the amplifier 10, the comparator 9, fixes the "STOP" signal (the moment of registration reflected from the object laser radiation).

Роль ВЦП выполняет микросхема TDC-GP21 со следующими характеристиками:The role of the VCP is performed by the TDC-GP21 chip with the following characteristics:

- четырехпроводной SPI интерфейс;- four-wire SPI interface; - максимальная скорость данных в постоянном потоке- maximum data rate in a constant stream 1 МГц;1 MHz; - напряжение I/O- voltage I / O от 2.5 В до 3.6 В:2.5 V to 3.6 V: - разрешение- permission 22 пс;22 ps; - диапазон измерения- measurement range от 3.5 не до 4 мс;from 3.5 not up to 4 ms; - ток потребления в режиме измерения времени- current consumption in time measurement mode <4 mA.<4 mA.

Данная микросхема по значению временного разрешения (22 пс) соответствует разрешению измерения дальности в 0.33 см. При этом, использование данной микросхемы ВЦП, при значении диапазона измерения t=4 мс и при использовании лазера с соответствующими характеристиками, позволяет достичь измерения расстояния до 600 км, с погрешностью не хуже 5 см.According to the value of time resolution (22 ps), this microcircuit corresponds to a resolution of measuring a range of 0.33 cm. Moreover, using this microcircuit with a measurement range of t = 4 ms and using a laser with the corresponding characteristics allows measuring distances up to 600 km, with an error not worse than 5 cm.

Кроме выбора ВЦП с необходимыми характеристиками, решался вопрос о создании оптического и электрического трактов МИВИ, удовлетворяющих соответствующим техническим требованиям. Для решения широкого спектра научно-технических задач необходим импульсный лазерный дальномер, работающий в широком диапазоне расстояний (от нескольких метров до сотен километров) с малой погрешностью (не более 5 см). Для обеспечения точности определения расстояния до объекта с данной погрешностью в необходимом диапазоне дальности предъявляют требования минимальной длительности фронта лазерного импульса. Поэтому при разработке МИВИ для вышеописанного типа импульсных лазерных дальномеров учитывалось, что полоса пропускания аналоговых функциональных узлов, входящих в его состав, должна быть не менее ~1 ГГц. Фотоприемные устройства (ФПУ) с таким быстродействием, обычно, имеют малую площадь активной поверхности (<0.5 мм²). Это приводит к необходимости выполнять точную юстировку коллиматора для максимального перехвата энергии отраженного от объекта лазерного излучения. Вместе с тем, для определения расстояния до движущихся объектов с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР не более 0.01 м²) в оптическом диапазоне длин волн требуется, чтобы нижняя граница количества квантов в единичном отраженном импульсе, попадающих на приемную площадку фотодетектора, составляла несколько десятков тысяч. По результатам экспериментов для лазера с длиной волны излучения 532 нм эта граница составила ~10000 шт. Исходя из данного значения количества квантов, в качестве фотоприемника 11 каната обратного сигнала 3 измерительного блока МИВИ был выбран лавинный фотодиод с интегрированным на единой подложке траисимпедансным усилителем, сочетающим высокое быстродействие, большой коэффициент усиления и высокую эффективность при обнаружении слабых сигналов. Вместе с тем, при разработке МИВИ, учитывались недостатки, свойственные лавинному фотодиоду: высокий уровень шумов, необходимость жесткой стабилизации напряжения смешения и контроля температуры фотодиода, а также необходимость наличия источника высокого напряжения 4 с минимальными пульсациями и шумами.In addition to choosing a VCP with the necessary characteristics, the issue of creating the optical and electrical paths of the MIVI, satisfying the relevant technical requirements, was decided. To solve a wide range of scientific and technical problems, a pulsed laser range finder is needed, operating in a wide range of distances (from several meters to hundreds of kilometers) with a small error (not more than 5 cm). To ensure the accuracy of determining the distance to the object with a given error in the required range, requirements are made for the minimum duration of the laser pulse front. Therefore, when developing MIVI for the type of pulsed laser range finders described above, it was taken into account that the bandwidth of the analog functional units included in its composition should be at least ~ 1 GHz. Photoreceiving devices (FPUs) with such a speed usually have a small active surface area (<0.5 mm ² ). This leads to the need to perform accurate alignment of the collimator to maximize energy capture of the laser radiation reflected from the object. At the same time, to determine the distance to moving objects with a small effective scattering area (EPR of not more than 0.01 m ² ) in the optical wavelength range, it is required that the lower limit of the number of quanta in a single reflected pulse reaching the photodetector receiving area be several tens of thousands . According to the results of experiments for a laser with a radiation wavelength of 532 nm, this boundary was ~ 10,000 pcs. Based on this value of the number of quanta, an avalanche photodiode with a traisimpedance amplifier integrated on a single substrate, combining high speed, high gain, and high efficiency for detecting weak signals, was chosen as a photodetector 11 of the return signal cable 3 of the MIVI measuring unit. At the same time, during the development of MIVI, the disadvantages inherent in the avalanche photodiode were taken into account: a high noise level, the need for strict stabilization of the mixing voltage and temperature control of the photodiode, and the need for a high voltage source 4 with minimal ripple and noise.

Характеристики используемого в канале обратного сигнала фотодиода приведены ниже. Позиции лавинного фотодиода AD500-1.3G-TO5, сочетающего в одном корпусе на единой подложке предварительный усилитель и лавинный фотодиод AD230-8, следующие:The characteristics of the photodiode feedback signal used in the channel are given below. The positions of the AD500-1.3G-TO5 avalanche photodiode, combining the preamplifier and the AD230-8 avalanche photodiode in one housing on a single substrate, are as follows:

- площадь активной поверхности- active surface area 0.2 мм²;0.2 mm ² ; - чувствительность на длине волны λ=532 нм- sensitivity at a wavelength of λ = 532 nm 0.15 А/Вт;0.15 A / W; - коэффициент лавинного умножения- avalanche multiplication coefficient >1000:> 1000: - предельная частота- limit frequency 1.3 ГГц;1.3 GHz; - время нарастания- rise time 350 пс;350 ps; - порог чувствительности в единичной полосе- sensitivity threshold in a single band 2*10^-14 Вт/Гц^½.2 * 10 ^-14 W / Hz ^½ . - фильтр верхних частот- high pass filter 30 кГц;30 kHz; - встроенный трансимпедансный резистор- built-in transimpedance resistor 2.5 кОм;2.5 kOhm; - импеданс дифференциального парафазного выхода- impedance of differential paraphase output 50 Ом.50 ohms.

Для задания напряжения смещения на фотодетекторе используется источник высокого напряжения dBC-220-3S с управляемым выходным напряжением до 220 В.To set the bias voltage at the photodetector, a dBC-220-3S high voltage source with a controlled output voltage of up to 220 V is used.

Чтобы достичь постоянного усиления входного сигнала фотоприемника во всем температурном диапазоне, непосредственно под корпусом лавинного фотодиода AD500-1.3G установлен кремневый малогабаритный диод в качестве термочувствительного датчика, который позволяет автоматически регулировать напряжение смещения на выходе высоковольтного источника питания dBC-220-3S, в зависимости от нагрева корпуса.To achieve constant amplification of the input signal of the photodetector over the entire temperature range, a silicon small-sized diode is installed directly under the casing of the avalanche photodiode AD500-1.3G as a heat-sensitive sensor, which allows you to automatically adjust the bias voltage at the output of the dBC-220-3S high-voltage power supply, depending on heating the case.

Учитывая, что количество квантов в единичном отраженном импульсе ~10000 для длины волны 532 нм, при длительности импульса 10 нс, а также характеристики лавинного фотодиода, минимальный уровень выходного сигнала фотоприемника составляет ~15 мВ. По результатам проведенных экспериментов, данная величина незначительно превышает уровень шумов данного фотодетектора. Поэтому для надежного преобразования выходного сигнала в цифровую форму он должен быть усилен. Для усиления сигнала с выхода фотодетектора используется двухкаскадный дифференциальный усилитель 10 с коэффициентом усиления 36, на базе двух микросхем ADL5565ACP, со следующими характеристиками:Given that the number of quanta in a single reflected pulse is ~ 10,000 for a wavelength of 532 nm, with a pulse duration of 10 ns, as well as the characteristics of an avalanche photodiode, the minimum output level of the photodetector is ~ 15 mV. According to the results of experiments, this value slightly exceeds the noise level of this photodetector. Therefore, to reliably convert the output signal to digital form, it must be amplified. To amplify the signal from the photodetector output, a two-stage differential amplifier 10 with a gain of 36 is used, based on two ADL5565ACP microcircuits, with the following characteristics:

- коэффициент усиления- gain 15.5 дБ;15.5 dB - диапазон частот (-3 дБ)- frequency range (-3 dB) 6250 МГц;6250 MHz; - погрешность усиления- gain error ±1 дБ;± 1 dB; - скорость нарастания фронта- front rise rate 11 В/нс.11 V / ns.

Фотоприемник 8 опорного канала 2 блока измерения МИВИ выполнен на базе кремневого PIN-фотодиода S5973 со следующими характеристиками:The photodetector 8 of the reference channel 2 of the MIWI measurement unit is based on a silicon PIN-photodiode S5973 with the following characteristics:

- площадь активной поверхности- active surface area 0.4 мм²;0.4 mm ² ; - чувствительность на длине волны λ=532 нм- sensitivity at a wavelength of λ = 532 nm 0.4 А/Вт;0.4 A / W; - предельная частота- limit frequency 1 ГГц.1 GHz.

В качестве усилителя 7 сигнала на выходе PIN-фотодиода опорного канала установлен ADL5565ACP с коэффициентом усиления 6.As an amplifier 7 of the signal at the output of the PIN photodiode of the reference channel, ADL5565ACP with a gain of 6 is installed.

Преобразователями 6, 9 входных аналоговых сигналов в цифровую форму являются высокоскоростные компараторы МАХ9111, со следующими характеристиками:Converters 6, 9 of the input analog signals into digital form are high-speed comparators MAX9111, with the following characteristics:

- время нарастания импульса- pulse rise time 350 пс;350 ps; - рассеиваемая мощность- power dissipation 30 мВт;30 mW; - скорость передачи данных- data rate 500 Мбит/с.500 Mbps.

Стоит отметить, что применение таких эффективных методов увеличения отношения «сигнал/шум», как многократное накопление полезного сигнала с последующим усреднением - невозможно, так как для движущихся объектов требуется определение расстояния по каждому импульсу лазерного излучения.It is worth noting that the use of such effective methods of increasing the signal-to-noise ratio as repeated accumulation of the useful signal with subsequent averaging is impossible, since for moving objects, it is necessary to determine the distance from each laser pulse.

Интерфейсный блок 13, входящий в блок вывода информации предназначен для гальванической изоляции между шасси CompactRIO и блоками питания 12 и измерения. Также в данном блоке, в микросхеме EEPROM, хранится информация, необходимая для функционирования МИВИ и калибровочные таблицы.The interface unit 13 included in the information output unit is intended for galvanic isolation between the CompactRIO chassis and power supply units 12 and measurement. Also in this block, in the EEPROM chip, information is stored necessary for the functioning of the MIWI and calibration tables.

Блок питания 12 реализован на базе гальванически изолированного DC/DC конвертера, преобразующего внешнее напряжение питания 24 В. Для устранения импульсных помех, вызванных работой гальванически изолированного источника питания, применяются малошумящие стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения.The power supply 12 is implemented on the basis of a galvanically isolated DC / DC converter that converts an external 24 V supply voltage. To eliminate impulse noise caused by the operation of a galvanically isolated power source, low-noise voltage stabilizers and reference voltage sources are used.

Таким образом, разработанный МИВИ определяет длительность интервалов времени между поступающими на вход импульсами от оптических датчиков (кремневого PIN-фотодиод и лавинного фотодиода), установленных непосредственно на плате модуля, либо от внешнего ТТЛ-импульса синхронизации. При этом характеристики фотоприемников позволяют использовать в качестве источника лазерного излучения любой импульсно-периодический лазер с длиной волны 900-500 нм и длительностью импульса не менее ~1 нс, а так же с мощностью, соответствующей измеряемому расстоянию и ЭПР объекта.Thus, the developed MIVI determines the duration of time intervals between pulses arriving at the input from optical sensors (silicon PIN photodiode and avalanche photodiode) installed directly on the module board, or from an external TTL synchronization pulse. Moreover, the characteristics of the photodetectors allow using any pulse-periodic laser with a wavelength of 900-500 nm and a pulse duration of at least ~ 1 ns as a source of laser radiation, as well as with a power corresponding to the measured distance and the EPR of the object.

Основные характеристики созданного МИВИ для импульсного лазерного дальномера следующие:The main characteristics of the created MIVI for a pulsed laser rangefinder are as follows:

- форм-фактор NI- form factor NI CompactRIOCompactRIO - принцип действия- operating principle времяпролетный;time of flight; - диапазон длин волн чувствительности ФПУ- FPU sensitivity wavelength range 500…900 нм;500 ... 900 nm; - чувствительность фотоприемника обратного канала- sensitivity of the reverse channel photodetector 0,15 А/Вт (532 нм);0.15 A / W (532 nm); - диапазоны измерений расстояний- ranges of measurements of distances от 1 м до 600 км;from 1 m to 600 km; - абсолютная погрешность измерения- absolute measurement error 5 см: 5 cm: - электропитание - power supply 24 В, 0.5 А;24 V, 0.5 A; - рабочий диапазон температур - operating temperature range 0…60°C:0 ... 60 ° C: - температура хранения- storage temperature -40…85°C.-40 ... 85 ° C.

Согласно структурной схеме МИВИ, через устройство приема оптического излучения блока приема входных сигналов, образованного волоконными коннекторами 15, 17 и оптической системой линз коллиматора 16 луч лазера попадает на фотоприемник (лазерный фотодиод) И канала обратного сигнала 3. Усиленный и преобразованный сигнал поступает на вход ВЦП 1, который непосредственно измеряет интервал времени между «СТАРТ»- и «СТОП»-импульсами. Стоит отметить, что с помощью механического переключателя сигналов 5 организуется возможность выбора источника опорного сигнала: со встроенного фотоприемника 11 или с внешнего изолированного канала синхронизации (ТТЛ-уровень 3.3 В), через разъем МСХ 18 (устройство приема электрических сигналов блока приема входных сигналов). Это обеспечивает значительную гибкость в построении систем и комплексов с использованием МИВИ.According to the MIVI structural diagram, through the optical radiation receiving device of the input signal receiving unit formed by the fiber connectors 15, 17 and the optical system of the collimator lenses 16, the laser beam enters the photodetector (laser photodiode) And the return signal channel 3. The amplified and converted signal is fed to the input of the digital converter 1, which directly measures the time interval between "START" and "STOP" pulses. It should be noted that with the help of a mechanical signal switch 5, it is possible to select the source of the reference signal: from the built-in photodetector 11 or from an external isolated synchronization channel (TTL level 3.3 V), through the MCX 18 connector (electrical signal receiving device for the input signal receiving unit). This provides significant flexibility in the construction of systems and complexes using MIVI.

Также, стоит отметить, что МИВИ является прибором для встраивания пользователем в системы и комплексы, построенные с применением платформы CompactRIO 14. МИВИ сопровождается программным кодом для внедрения в ПО пользователя.It is also worth noting that MIVI is a device for user integration into systems and complexes built using the CompactRIO 14 platform. MIVI is accompanied by program code for implementation in user software.

Реализация МИВИ в форм-факторе NI CompactRIO, с сочетанием вышеперечисленных оптимальных ключевых его компонентов позволила по сравнению с прототипом, уменьшить погрешность при обеспечении компактности и универсальности за счет модульности.The implementation of MIVI in the NI CompactRIO form factor, with a combination of the above optimal key components, made it possible, in comparison with the prototype, to reduce the error while ensuring compactness and versatility due to modularity.

Разработанный модуль лазерного импульсного дальномера прошел натурные испытания, показавшие на расстоянии до 5 км успешный результат по определению дальности до движущегося объекта с погрешностью 5 см, что ниже погрешности прототипа.The developed laser pulse range finder module passed field tests, which showed a successful result at a distance of up to 5 km in determining the distance to a moving object with an error of 5 cm, which is lower than the error of the prototype.

Определена возможность дальнейшего совершенствования программного обеспечения и конструкции фотодетектора для возможности измерения расстояний до 600 км с малой погрешностью, а также возможность использования данного модуля с различными лазерами и платформами.The possibility of further improving the software and design of the photodetector for the possibility of measuring distances up to 600 km with a small error, as well as the possibility of using this module with various lasers and platforms, is determined.

МИВИ может быть применен в качестве встраиваемого модуля для систем, решающих широкий круг задач.MIWI can be used as an embedded module for systems that solve a wide range of problems.

Claims

A device for measuring time intervals for a laser rangefinder, including a measuring unit composed of a measuring channel for the return signal, which contains a high-voltage power supply, a photodetector in series, interconnected by an avalanche photodiode, a signal amplifier, then a signal level converter in the form of a comparator, as well as a channel for transmitting an electrical impulse from the input signal receiving unit, and the outputs of the return channel and chased transmission channel electrical pulse associated with the meter slots (IVI); an input signal receiving unit, which includes a device for receiving optical radiation and electrical signals, as well as a collimator associated with the return signal channel of the measuring unit; communication with the information output unit is provided, characterized in that the measuring unit is supplemented with a reference signal channel, which contains a photodetector electrically connected to each other, a signal amplifier, a signal level converter, a photodetector in the channel of the reference signal that provides the required high sensitivity, a signal amplifier is used with high rise rate of the signal front, and the comparator is a signal level converter; an avalanche photodiode with an internal transimpedance signal amplifier integrated on a single substrate is used in the return signal channel; high-speed comparators were used in the channels of the reference and return signals of the measuring unit; IVI is selected to ensure measurement for each laser pulse with a high temporal resolution; a high-voltage power source uses a temperature-sensitive sensor; a mechanical signal switch is introduced into the measuring unit, providing switching between the reference channel and the electric pulse transmission channel from the signal receiving unit; in the input signal receiving unit, the optical radiation receiving device is supplemented with fiber connectors connected to a photodetector of the reference signal channel and a feedback signal channel collimator, the electrical signal receiving device is supplemented with an electrical connector connected to the electric pulse transmission channel; moreover, all components of the device are made in a single module with the ability to connect to the information output unit and the power supply.