RU2528109C1

RU2528109C1 - Pulsed laser location system

Info

Publication number: RU2528109C1
Application number: RU2013117785/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Прович Семенков; Дмитрий Анатольевич Бондаренко; Екатерина Викторовна Семенкова
Original assignee: Виктор Прович Семенков
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-09-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: system comprises a pulsed laser, two one-dimensional scanning devices, an acoustooptical deflector, an output optical system, a computing device, an acoustooptical deflector control device, a prismatic beam splitter, a measurement channel, a photodetector array, a photodetector array lens and optical fibre bundles. At one end, the optical fibre bundles are tied to and face, through their ends, the photodetector arrays, and on the other side, fibres of each bundle are tied to straight lines which together form a straight line of fibres whose ends lie in the focal plane of the photodetector lens. The prismatic beam splitter is placed between the output of the acoustooptical deflector and the input of the output optical system. The optical input of the measurement channel is connected to the output of the prismatic beam splitter, and the output is connected to the angular error compensation input of the computing device.

EFFECT: reduced weight and size, high reliability and information value of the laser locator.

3 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, технике оптических систем обзора пространства и поиска препятствий и может быть применено, в частности, в технике оптической локации, системах построения 3D-изображений.The invention relates to instrumentation, the technique of optical systems for viewing space and searching for obstacles and can be applied, in particular, in the technique of optical location, systems for constructing 3D images.

В настоящее время существует несколько наиболее характерных способов получения изображения объектов и устройств для их реализации, основанных на подсветке объекта лазерным излучением.Currently, there are several most characteristic ways of obtaining images of objects and devices for their implementation, based on the illumination of the object by laser radiation.

По способам развертки и соотношению диаграмм направленности источника и приемника различают три варианта построения систем видения и измерения дальности [В.Е. Карасик, В.М. Орлов. Лазерные системы видения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001, с.46-53].According to the scanning methods and the ratio of the radiation patterns of the source and receiver, there are three options for constructing vision systems and ranging [V.E. Karasik, V.M. Orlov. Laser vision systems. M .: MSTU im. N.E. Bauman, 2001, p. 46-53].

В первом варианте объект сканируют зондирующим лазерным излучением с узкой диаграммой направленности, а регистрацию интенсивности излучения, отраженного от различных точек поверхности объекта, осуществляют посредством приемника с широкой диаграммой направленности.In the first embodiment, the object is scanned by probing laser radiation with a narrow radiation pattern, and the registration of the radiation intensity reflected from various points on the surface of the object is carried out by means of a receiver with a wide radiation pattern.

При реализации второго способа сканирование отсутствует, объект освещают зондирующим лазерным излучением с широкой диаграммой направленности, а регистрацию интенсивности излучения, отраженного от различных точек поверхности объекта, посредством приемника с узкой диаграммой направленности.When implementing the second method, scanning is absent, the object is illuminated by probe laser radiation with a wide radiation pattern, and the registration of the intensity of radiation reflected from various points on the surface of the object is carried out by means of a receiver with a narrow radiation pattern.

Реализация третьего способа (Патент RU №2084925, приоритет 14.04.1995 г., МПК: G01S 17/06) отличается от реализации первых двух тем, что объект сканируют зондирующим лазерным излучением с узкой диаграммой направленности, а регистрацию интенсивности излучения, отраженного от различных точек поверхности объекта, осуществляют посредством приемника с узкой диаграммой направленности, которую перемещают синхронно с лазерным пучком подсветки. Этот способ и аппаратура, его реализующая, имеют наибольшее отношение сигнал/шум при одинаковых исходных данных и имеет наибольшую помехоустойчивость от внешних факторов.The implementation of the third method (Patent RU No. 2084925, priority 04/14/1995, IPC: G01S 17/06) differs from the implementation of the first two in that the object is scanned by probing laser radiation with a narrow radiation pattern, and the registration of radiation intensity reflected from various points the surface of the object is carried out by means of a receiver with a narrow radiation pattern, which is moved synchronously with the laser beam of illumination. This method and equipment that implements it have the greatest signal-to-noise ratio with the same initial data and have the greatest noise immunity from external factors.

В качестве строчных сканирующих устройств в оптико-локационной аппаратуре в настоящее время наибольшее распространение получили вращаемые зеркальные многогранники - призмы и пирамиды, позволяющие достигать достаточно больших углов сканирования при большой частоте следования развертки во времени и формирования качественного распределения энергии. Для кадровой развертки широко используется вращаемое зеркало, угол отклонения которого задается электромеханическим приводом, реализованным, например, на шаговом двигателе.Rotary mirror polyhedra - prisms and pyramids, which make it possible to achieve sufficiently large scan angles at a high repetition rate of time sweep over time and the formation of a high-quality energy distribution, are currently most widely used as line scanning devices in optical-location equipment. A rotational mirror is widely used for personnel scanning, the deflection angle of which is set by an electromechanical drive implemented, for example, on a stepper motor.

На таких механических сканерах реализован волоконно-оптический локатор, описанный в статье "Hellas: Obstacle warning system for helicop-ters" K.R. SchuIz, S. Scherbarth, U. Fabry (Laser Radar Technology and Applications VII, Gary W. Kamerman, Editor, Proceedings of SPIE Vol.4723 (2002) 2002 SPIE-0277-786/X/02), а также волоконно-оптический сканер, описанный в (Пат. RU №2302025, приоритет 06.12.2005 г., МПК: G02B 26/10, G02B 26/08).Such mechanical scanners implement a fiber optic locator described in the article "Hellas: Obstacle warning system for helicopters" K.R. SchuIz, S. Scherbarth, U. Fabry (Laser Radar Technology and Applications VII, Gary W. Kamerman, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4723 (2002) 2002 SPIE-0277-786 / X / 02), as well as fiber optic the scanner described in (Pat. RU No. 2302025, priority 06.12.2005, IPC: G02B 26/10, G02B 26/08).

Волоконно-оптический сканер состоит из строчного сканирующего устройства, выполненного в виде двух наклонных в противоположные стороны зеркал, которые закреплены на шпинделе двигателя и синхронно вращаются. По обе стороны от наклонных зеркал на одной оптической оси расположены объективы передающего и приемного каналов, которые оптически сопряжены с торцами волоконно-оптических жгутов, вмонтированных по окружности в неподвижные коллекторы. Вторые торцы жгутов соединены в две двухрядные линейки, и они обращены в область сканирования. В центры коллекторов вмонтированы световоды. Один центральный световод передающего канала связан с лазерным излучателем, а второй центральный световод приемного канала связан с приемником излучения.The fiber-optic scanner consists of a horizontal scanning device made in the form of two mirrors tilted in opposite directions, which are mounted on the motor spindle and rotate synchronously. On both sides of the inclined mirrors on the same optical axis are the lenses of the transmitting and receiving channels, which are optically coupled to the ends of the fiber optic bundles mounted circumferentially into the fixed collectors. The second ends of the bundles are connected in two double-row rulers, and they are facing the scanning area. Optical fibers are mounted in the centers of the collectors. One central fiber of the transmitting channel is connected to the laser emitter, and a second central fiber of the receiving channel is connected to the radiation receiver.

Но данная конструкция имеет аберрационные искажения (астигматизм, кома) при изменении направления излучения через объективы под углом к оптической оси, что приводит к виньетированию излучения и, следовательно, к потерям энергии излучения как на выходном, так и входном каналах устройства, и требуется высокая точность изготовления коллекторов как по шагу расположения оптических волокон, так и по диаметру их расположения для обеспечения согласования входных и выходных каналов коллекторов. Вне зависимости от степени точности изготовления зеркал, им присущи некоторые ошибки сборки, в частности отклонения от заданных углов между зеркальными гранями и осью вращения многогранника. Все это ведет к необходимости увеличения размеров граней многогранника или увеличения апертуры формирующей оптики, и то, и другое приводит к увеличению габаритов сканирующего устройства, а необходимость большой скорости сканирования требует увеличения скорости вращения зеркального многоугольника, что при больших габаритах зеркального многогранника технически невыполнимо. Также при повороте зеркальной поверхности происходит линейное геометрическое смещение луча в пространстве, что приводит к неравномерности скорости сканирования и снижению точности позиционирования луча в области сканируемого пространства.But this design has aberration distortions (astigmatism, coma) when the radiation direction through the lenses changes at an angle to the optical axis, which leads to radiation vignetting and, consequently, to radiation radiation losses both at the output and input channels of the device, and high accuracy is required production of collectors both in terms of the location of the optical fibers and the diameter of their location to ensure matching of the input and output channels of the collectors. Regardless of the degree of accuracy of the manufacture of mirrors, they are inherent in some assembly errors, in particular deviations from the given angles between the mirror faces and the axis of rotation of the polyhedron. All this leads to the need to increase the size of the faces of the polyhedron or to increase the aperture of the forming optics, both of which lead to an increase in the dimensions of the scanning device, and the need for a high scanning speed requires an increase in the rotation speed of the mirror polygon, which is technically impossible with large dimensions of the mirror polyhedron. Also, when the mirror surface is rotated, a linear geometric displacement of the beam in space occurs, which leads to uneven scanning speed and a decrease in the accuracy of beam positioning in the area of the scanned space.

Большим недостатком лазерных локаторов с механическим сканированием угловых диаграмм направленности передающего и приемного каналов является ограниченная информативность и значительные габаритно-весовые характеристики. Скорость строчного сканирования определяется возможностями механических сканеров (двигателей) и изменить ее (увеличить или уменьшить) при изменении условий применения, например, при изменении погодных условий - ухудшении видимости, практически невозможно. Увеличить скорость сканирования, чтобы увеличить частоту обновления кадров и повысить число элементов в строке изображения, также практически невозможно. Надежность механических сканеров, особенно в широком температурном диапазоне использования (в ряде случаев лазерный локатор находится снаружи устройства) является недостаточной.A big drawback of laser locators with mechanical scanning of the angular radiation patterns of the transmitting and receiving channels is the limited information content and significant overall weight characteristics. The speed of line scanning is determined by the capabilities of mechanical scanners (engines) and changing it (increasing or decreasing) when changing application conditions, for example, when changing weather conditions - deteriorating visibility, is almost impossible. It is also almost impossible to increase the scanning speed to increase the frame refresh rate and increase the number of elements in the image line. The reliability of mechanical scanners, especially in a wide temperature range of use (in some cases, a laser locator is located outside the device) is insufficient.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности лазерного локатора, уменьшение габаритно-весовых характеристик, а также повышение надежности.The technical result of the invention is to increase the information content of the laser locator, reduce overall weight and weight characteristics, as well as increase reliability.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что в систему импульсной лазерной локации, содержащую импульсный лазер, однокоординатное сканирующее устройство, включающее последовательно соединенные с лазером акустооптический дефлектор и выходную оптическую систему передающего канала, оптический объектив фотоприемного устройства, однокоординатное сканирующее устройство по второй координате, ортогональной первой координате, фотоприемное устройство, вычислительное устройство, а также блок управления акустооптическим дефлектором, вход управления которого подключен к выходу управления дефлектором вычислительного устройства, а выход подключен к входу управления дефлектора, причем вход синхронизации лазера подключен к выходу синхронизации вычислительного устройства, введены призменный светоделитель, измерительный канал, массив фотоприемных устройств, включающий К фотоприемников, выходы которых подключены к измерительным входам дальности вычислительного устройства, а также К волоконно-оптических жгутов, содержащих М волокон, которые с одной стороны смонтированы вместе и обращены торцами к соответствующим фотоприемникам, а с другой стороны волокна каждого жгута смонтированы в однорядные линейки, которые суммарно образуют однорядную линейку из МК волокон, торцы которой обращены к выходу оптического объектива фотоприемного устройства и расположены в его фокальной плоскости, призменный светоделитель размещен между выходом акустооптического дефлектора и входом выходной оптической системы передающего канала, причем оптический вход измерительного канала соединен со вторым выходом призменного светоделителя, а выход соединен с входом компенсации угловых ошибок вычислительного устройства.The technical result in the present invention is achieved by the fact that in a pulsed laser location system containing a pulsed laser, a single-axis scanning device, including an acousto-optical deflector and an output optical system of a transmitting channel, an optical lens of a photodetector, a single-axis scanning device in a second coordinate, orthogonal first coordinate, photodetector, computing device, as well as acoustoopt control unit a deflector, the control input of which is connected to the control output of the deflector of the computing device, and the output is connected to the control input of the deflector, the laser synchronization input being connected to the synchronization output of the computing device, a prismatic beam splitter, a measuring channel, an array of photodetectors including K photodetectors, the outputs of which connected to the measuring inputs of the range of the computing device, as well as To fiber optic bundles containing M fibers, which with one the first side are mounted together and facing the respective photodetectors, and on the other hand, the fibers of each bundle are mounted in single-line rulers, which together form a single-line ruler of MK fibers, the ends of which are facing the output of the optical lens of the photodetector and are located in its focal plane, a prism beam splitter placed between the output of the acousto-optical deflector and the input of the output optical system of the transmitting channel, the optical input of the measuring channel being connected to the second m output prismatic beam splitter, and the output is connected to the input of the compensation of angular errors of the computing device.

Введение массива фотоприемных устройств, включающего К фотоприемников, а также К волоконно-оптических жгутов, содержащих М волокон, которые с одной стороны смонтированы вместе и обращены торцами к соответствующим фотоприемникам, а с другой стороны волокна каждого жгута смонтированы в однорядные линейки, которые суммарно образуют однорядную линейку из МК волокон, торцы которой обращены к выходу оптического объектива фотоприемного устройства, что позволило уменьшить габаритно-весовые характеристики, повысить надежность за счет устранения оптико-механического строчного сканера, а также снять ограничения на скорость строчного сканирования и соответственно повысить информативность лазерного локатора.The introduction of an array of photodetectors, including K photodetectors, as well as K fiber optic bundles containing M fibers, which are mounted together on one side and facing the respective photodetectors, and on the other hand, the fibers of each bundle are mounted in single-line rulers that form a single-line a line of MK fibers, the ends of which are facing the output of the optical lens of the photodetector, which made it possible to reduce overall weight and weight characteristics, to increase reliability by eliminating Nia optomechanical horizontal scanner, and remove the restriction on the speed of horizontal scanning and correspondingly increase information content laser locator.

Введение призменного светоделителя, размещеного между выходом акустооптического дефлектора и входом выходной оптической системы передающего канала, и измерительного канала, оптический вход которого соединен со вторым выходом призменного светоделителя, а выход соединен с входом компенсации угловых ошибок вычислительного устройства позволило повысить надежность локатора при работе в диапазоне температур за счет стабилизации углового положения сканирующего лазерного пучка.The introduction of a prism beam splitter located between the output of the acousto-optical deflector and the input of the output optical system of the transmitting channel, and the measuring channel, the optical input of which is connected to the second output of the prism beam splitter, and the output is connected to the input of the compensation of angular errors of the computing device, made it possible to increase the reliability of the locator when operating in the temperature range due to stabilization of the angular position of the scanning laser beam.

Заявителем и авторами не обнаружено в патентной и научно-технической литературе систем импульсной лазерной локации, выполненных подобным образом.The applicant and the authors have not found in the patent and scientific literature of pulsed laser ranging systems made in this way.

На фиг.1 приведена структурная схема системы импульсной лазерной локации.Figure 1 shows the structural diagram of a pulsed laser location system.

На фиг.2 для одной строки условно представлены варианты положения лазерных пучков и полей зрения для каждого волокна в картинной плоскости исследуемого пространства для случая дискретного изменения частоты управления дефлектором (фиг.2а), для случая ЛЧМ сигнала управления дефлектором (фиг.2б) и для случая облучения лазерным пучком полей зрения волокон с пропуском облучения для соседнего волокна (фиг.2в).Figure 2 for one line conditionally presents options for the position of the laser beams and fields of view for each fiber in the picture plane of the space under study for the case of discrete changes in the frequency of control of the deflector (figa), for the case of LFM signal control deflector (fig.2b) and for the case of irradiation with a laser beam of the field of view of the fibers with a pass of irradiation for the adjacent fiber (pigv).

На фиг.3 приведен вид торца волоконно-оптических жгутов, содержащих М=19 волокон (фиг.2а) и содержащих М=37 волокон (фиг.2б), которые с этой стороны смонтированы вместе и обращены торцами к соответствующему фотоприемнику.Figure 3 shows the end view of the fiber optic bundles containing M = 19 fibers (figa) and containing M = 37 fibers (fig.2b), which are mounted on this side together and facing the ends to the corresponding photodetector.

Система импульсной лазерной локации (фиг.1) содержит импульсный лазер 1, однокоординатное сканирующее устройство 2, акустооптический дефлектор 3, призменный светоделитель 4, выходную оптическую систему передающего канала 5, блок управления акустооптическим дефлектором 6, измерительный канал 7, оптический объектив фотоприемного устройства 8, волоконно-оптические жгуты 9₁-9_К, массив фотоприемных устройств 10₁-10_К, вычислительное устройство 11 и однокоординатное сканирующее устройство 12. Жгуты 9₁-9_К содержат КМ волокон 13₁-13_КМ.The pulsed laser location system (Fig. 1) contains a pulsed laser 1, a single-axis scanning device 2, an acousto-optical deflector 3, a prism beam splitter 4, an output optical system of the transmitting channel 5, an acousto-optical deflector 6 control unit, a measuring channel 7, an optical lens of the photodetector 8, fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K , an array of photodetectors 10 ₁ -10 _K , a computing device 11 and a single-axis scanning device 12. The bundles 9 ₁ -9 _K contain KM fibers 13 ₁ -13 _KM .

Выход лазера 1 через акустооптический дефлектор 3 и первый оптический выход призменного светоделителя 4 соединен с входом выходной оптической системы передающего канала 5. Второй оптический выход призменного светоделителя 4 соединен с входом измерительного канала 7. Выход измерительного канала 7 соединен с входом компенсации угловых ошибок вычислительного устройства 11. Выход блока управления дефлектором 6 соединен с входом управления акустооптического дефлектора 3. Вход блока управления дефлектором 6 соединен с выходом управления дефлектором вычислительного устройства 11. Вход синхронизации лазера 1 подключен к выходу синхронизации вычислительного устройства 11.The output of the laser 1 through an acousto-optical deflector 3 and the first optical output of the prismatic beam splitter 4 is connected to the input of the output optical system of the transmitting channel 5. The second optical output of the prismatic beam splitter 4 is connected to the input of the measuring channel 7. The output of the measuring channel 7 is connected to the input of the compensation of angular errors of computing device 11 The output of the deflector control unit 6 is connected to the control input of the acousto-optical deflector 3. The input of the deflector control unit 6 is connected to the control output of the deflector torus calculation unit 11. Sign laser timing 1 is connected to the output of the synchronization of the computing device 11.

Выход оптического объектива фотоприемного устройства 8 через волоконно-оптические жгуты 9₁-9_К соединен с массивом фотоприемных устройств 10₁-10_К. Выходы фотоприемных устройств 10₁-10_К соединены с измерительными входами дальности вычислительного устройства 11.The output of the optical lens of the photodetector 8 through fiber optic bundles 9 ₁ -9 _{K is} connected to the array of photodetectors 10 ₁ -10 _K. The outputs of the photodetectors 10 ₁ -10 _{K are} connected to the measuring inputs of the range of the computing device 11.

Входы/выходы управления сканером вычислительного устройства 11 соединены с соответствующими входами/выходами однокоординатного сканирующего устройство 12.The inputs / outputs of the scanner control of the computing device 11 are connected to the corresponding inputs / outputs of the single-axis scanning device 12.

Работа системы импульсной лазерной локации происходит следующим образом. Вычислительное устройство 11 формирует коды положения лазерного пучка по строке, которые поступают на вход блока управления дефлектором 6, и, с временной задержкой τ, которая зависит от инерционности акустооптического дефлектора, синхроимпульсы, подаваемые на вход синхронизации лазера 1. Блок управления дефлектором 6, являющийся синтезатором частот, формирует высокочастотный сигнал f_С, частота которого пропорциональна величине поступившего кода положения лазерного пучка по строке. Высокочастотный сигнал f_С, поданный на акустооптический дефлектор 3, возбуждает в дефлекторе акустические волны, на которых происходит дифракции падающего на дефлектор лазерного пучка.The operation of the pulsed laser location system is as follows. The computing device 11 generates codes of the position of the laser beam along the line, which are fed to the input of the deflector control unit 6, and, with a time delay τ, which depends on the inertia of the acousto-optical deflector, the clock pulses supplied to the laser synchronization input 1. The deflector control unit 6, which is a synthesizer frequency, generates a high-frequency signal f _C , the frequency of which is proportional to the value of the received code of the position of the laser beam along the line. The high-frequency signal f _C applied to the acousto-optical deflector 3 excites acoustic waves in the deflector, in which diffraction of the laser beam incident on the deflector occurs.

Синхроимпульс, поданный на вход синхронизации лазера 1, вызывает генерацию короткого лазерного импульса, который, проходя акустооптический дефлектор 3, отклоняется на угол, величина которого пропорциональна величине высокочастотного сигнала f_С.Далее отклоненный (дифрагированный) лазерный пучок проходит выходную оптическую систему передающего канала 5 и увеличивает угол отклонения пропорционально угловому увеличению выходной оптической системы передающего канала 5. Далее лазерный пучок отражается от зеркала однокоординатного сканирующего устройства 12 и излучается в пространство обзора.The sync pulse applied to the synchronization input of laser 1 causes a short laser pulse to be generated, which, passing through the acousto-optical deflector 3, is deflected by an angle proportional to the value of the high-frequency signal f_FROM.Next, the deflected (diffracted) laser beam passes the output optical system of the transmitting channel 5 and increases the deflection angle in proportion to the angular increase in the output optical system of the transmitting channel 5. Next, the laser beam is reflected from the mirror of the single-axis scanning device 12 and is radiated into the viewing space.

Часть лазерного пучка, отклоненного дефлектором 3, отводится призменным светоделителем на второй выход и далее он поступает в измерительный канал 7. В измерительном канале 7 определяется текущее угловое положение отклоненного лазерного пучка при заданном (опорном) коде положения. Вычисляется величина углового отклонения текущего углового положения отклоненного лазерного пучка от ожидаемого углового положения для заданного кода положения и эта величина поступает в вычислительное устройство 11 для коррекции кодов положения с целью компенсации угловой ошибки сканирования, обусловленной влияниями температуры окружающей среды.A part of the laser beam deflected by the deflector 3 is diverted by the prism beam splitter to the second output and then it enters the measuring channel 7. In the measuring channel 7, the current angular position of the deflected laser beam is determined for a given (reference) position code. The value of the angular deviation of the current angular position of the deflected laser beam from the expected angular position for the given position code is calculated and this value is supplied to the computing device 11 for correcting the position codes in order to compensate for the angular scanning error due to the influence of the ambient temperature.

Коды положения, которые формирует вычислительное устройство 11, последовательно изменяются от наименьшего до наибольшего значения с заданной дискретностью, определяя тем самым диапазон изменения величин высокочастотного сигнала и, следовательно, угловой диапазон сканирования лазерного пучка по строке. Диапазон изменения величин высокочастотного сигнала f_С равен величине Δf=f_max-f_min, где f_max и f_{min -} наибольшая и наименьшая частоты управления дефлектором 3. Крайние угловые азимутальные положения дифрагированного лазерного пучка представлены на фиг.1. Они соответствуют частотам f_max и f_min. При последовательном дискретном изменении частоты управления дефлектором 3 в этом диапазоне дифрагированный лазерный пучок в пространстве образует горизонтальную строку, содержащую N_S точек, где N_D - число кодов положения в последовательности кодов строки. Дискрет изменения частоты ΔF_Муправления дефлектором 3 при переключении соседних точек в этом случае равен величине ΔF_М=Δf/N_S. Положение этой горизонтальной лазерной строки по углу места определяется угловым положением зеркала однокоординатного сканирующего устройства 12. По углу места (в кадре) за счет отклонения сканирующего устройства 12 может быть сформировано N_К дискретных положений лазерных строк.The position codes generated by the computing device 11 sequentially change from the smallest to the largest value with a given discreteness, thereby determining the range of variation of the magnitude of the high-frequency signal and, therefore, the angular scanning range of the laser beam along the line. The range of variation of the values of the high-frequency signal f _С is equal to Δf = f _max- f _min , where f _max and f _{min are the} highest and lowest frequencies of the deflector control 3. The extreme angular azimuthal positions of the diffracted laser beam are shown in Fig. 1. They correspond to the frequencies f _max and f _min . With a sequential discrete change in the frequency of control of the deflector 3 in this range, the diffracted laser beam in space forms a horizontal line containing N _S points, where N _D is the number of position codes in the sequence of line codes. The discrete change in the frequency ΔF _M control of the deflector 3 when switching neighboring points in this case is equal to the value ΔF _M = Δf / N _S. The position of this horizontal laser line in elevation is determined by the angular position of the mirror of the single-axis scanning device 12. According to the elevation angle (in the frame) due to the deflection of the scanning device 12, N _K discrete positions of the laser lines can be formed.

Объектив фотоприемного устройства 8, волокна 13₁-13_КМ, волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К и массив фотоприемных устройств 10₁-10_Кимеют мгновенное поле зрения для каждого фотоприемного устройства 10₁-10_К, сопряженное с угловым положением лазерного пучка, вышедшего из однокоординатного сканирующего устройства 2 в требуемом направлении по первой координате, как представлено на фиг.2а. Таким образом, для каждого кода положения лазерного импульса в строке известен номер волокна из набора волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К, на который должен быть сфокусирован отраженный от удаленного объекта лазерный импульс, а также известен номер фотоприемного устройства из массива фотоприемных устройств 10₁-10_К, на который придет отраженный сигнал.The lens of the photodetector 8, fiber 13 ₁ -13 _K _, fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K and the array of photodetector 10 ₁ -10 _K have an instantaneous field of view for each photodetector 10 ₁ -10 _K , coupled with the angular position of the laser beam coming out of the single-coordinate scanning device 2 in the desired direction in the first coordinate, as shown in figa. Thus, for each laser pulse position code in the line, the fiber number from the set of fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K is known, on which the laser pulse reflected from the distant object should be focused, and the number of the photodetector from the array of photodetectors 10 ₁ is also known -10 _K , to which the reflected signal will come.

Отраженный от удаленного объекта лазерный импульс принимается объективом фотоприемного устройства 8 и, в зависимости от угла прихода, фокусируется им на одно из волокон волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К. Принятый лазерный поток по волокну направляется на одно фотоприемное устройство из массива фотоприемных устройств 10₁-10_К и преобразуется в электрический импульс, задержанный на время τ_З=2L/c относительно времени излучения, где L - дальность до удаленного объекта, с - скорость света.The laser pulse reflected from the distant object is received by the lens of the photodetector 8 and, depending on the angle of arrival, it focuses on one of the fibers of the fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K. The received laser stream through the fiber is directed to a single photodetector from an array of photodetectors 10 ₁ -10 _K and converted into an electric pulse, delayed by time τ _З = 2L / c relative to the radiation time, where L is the distance to a distant object, s is the speed of light .

Вычислительное устройство 11 измеряет величину временной задержки принятого лазерного импульса относительно синхроимпуса (или, как вариант, относительно излученного лазером светового импульса) и вычисляет текущую дальность по данному направлению до отражающей поверхности. Выходными данными вычислительного устройства 11 являются текущий код направления по строке (азимут), текущий код направления по кадру (угол места, снимаемый с датчика углового положения зеркала) и дальность. Текущий набор этих данных за один кадр позволяет построить трехмерное изображение исследуемого пространства.Computing device 11 measures the time delay of the received laser pulse relative to the sync pulse (or, alternatively, relative to the light pulse emitted by the laser) and calculates the current distance in this direction to the reflective surface. The output of the computing device 11 is the current direction code for the line (azimuth), the current direction code for the frame (elevation angle taken from the sensor of the angular position of the mirror) and range. The current set of these data for one frame allows you to build a three-dimensional image of the space under study.

На фиг.2 для одной строки условно представлены варианты положения лазерных пучков и полей зрения для каждого волокна из набора волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К, на который должен быть сфокусирован отраженный от удаленного объекта лазерный импульс, в картинной плоскости исследуемого пространства. На фиг.2а в строке уложено М×К=N_S лазерных пучков, имеющих угловую расходимость $ϕ_{Л}^{У М} \times ϕ_{Л}^{А З}$

соответственно, по углу места и по азимуту. Дискрет изменения частоты управления дефлектором 3 в этом случае равен величине ΔF_М. Мгновенные угловые поля зрения фотоприемных устройств, с учетом каждого волокна из набора волоконно-оптических жгутов, равны φ_ПУ. Мгновенные угловые поля зрения, с учетом диаметра светопроводящего центра волокна, представлены на фиг.2 черными кругами. Круги с пунктирными линиями соответствуют угловым полям с учетом наружного диаметра волокон. Их число также равно М×К=N_S.Figure 2 for one line conditionally presents options for the position of the laser beams and fields of view for each fiber from a set of fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K , which should be focused on the laser pulse reflected from a distant object in the picture plane of the space under study. On figa in the line laid M × K = N _S laser beams having angular divergence

ϕ_{L}^{At M} \times ϕ_{L}^{BUT 3}

respectively, in elevation and azimuth. The discrete change in the frequency of control of the deflector 3 in this case is equal to the value ΔF _M. The instantaneous angular fields of view of the photodetectors, taking into account each fiber from the set of fiber optic bundles, are equal to φ _PU . Instant angular fields of view, taking into account the diameter of the fiber-conducting center of the fiber, are shown in Fig. 2 in black circles. Circles with dashed lines correspond to angular fields, taking into account the outer diameter of the fibers. Their number is also equal to M × K = N _S.

Современные конструкции акустооптических дефлекторов за счет закоса входных и выходных граней реализованы таким образом, что падающий лазерный пучок и дифрагированный на центральной рабочей частоте f₀ лазерный пучок соосны. Центру угла сканирования соответствует частота управления дефлектора f₀=(f_max+f_min)/2. Диапазон частот управления дефлекторов Δf=f_max-f_min определяет угловой размер растра $ϕ_{С К} = \frac{λ}{υ} Δ f$

, где λ - длина волны лазерного излучения, υ - скорость акустических волн в дефлекторах. При дифракции лазерного пучка в акустооптическом дефлекторе число разрешимых положений пучка на выходе дефлектора N_d по критерию Релея равно N_d=Δf×τ, где Δf - полоса рабочих частот, τ - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения: τ=d₀/υ, где d₀ - световая апертура дефлекторов, d - скорость акустических волн в дефлекторе. Полный угол сканирования лазерного пучка φ_СК на выходе дефлектора равен величине φ_СК=N_d×φ_пад, где φпад - угловая расходимость падающего лазерного пучка.Modern designs of acousto-optical deflectors due to the skewing of the input and output faces are implemented in such a way that the incident laser beam and the laser beam diffracted at the central operating frequency f _{0 are} aligned. The center of the scanning angle corresponds to the control frequency of the deflector f ₀ = (f _max + f _min ) / 2. The frequency range of control of the deflectors Δf = f _max -f _min determines the angular size of the raster

ϕ_{FROM TO} = \frac{λ}{υ} Δ f

where λ is the wavelength of laser radiation, υ is the speed of acoustic waves in the deflectors. When a laser beam is diffracted in an acousto-optical deflector, the number of resolvable beam positions at the deflector output N _d according to the Rayleigh criterion is N _d = Δf × τ, where Δf is the operating frequency band, τ is the deflector time constant calculated from the relation: τ = d ₀ / υ where d ₀ is the light aperture of the deflectors, d is the speed of acoustic waves in the deflector. The total scanning angle of the laser beam φ _SK at the output of the deflector is equal to φ _SK = N _d × φ _pad , where φpad is the angular divergence of the incident laser beam.

При линейном изменении частот управления дефлектором (сигнал с линейной частотной модуляцией - ЛЧМ сигнал) происходит угловое уширение дифрагированного лазерного пучка вдоль направления сканирования (Бондаренко Д.А., Карасик В.Е., Семенков В.П. Исследование режима дифракции лазерного пучка на линейно частотно-модулированной акустической волне в анизотропном акустооптическом дефлекторе//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Спец. выпуск «Современные проблемы оптотехники». 2011. С.31-41). Если за время τ перед подачей синхроимпульса, вызывающего появление лазерного импульса, на дефлектор 3 подать ЛЧМ сигнал с девиацией частоты ΔF_Б, то дифрагированный лазерный пучок будет иметь угловой размер $ϕ_{Б} = \frac{λ}{υ} Δ f_{Б}$

и будет засвечивать по азимуту несколько полей зрения фотоприемных устройств, как представлено на фиг.2б. В этом случае одновременно измеряется дальность до объекта по нескольким направлениям. Лазерная строка в этом случае будет содержать R лазерных полосок (фиг.2б), число которых равно R=Δf/ΔF_Б. Закон изменения частоты высокочастотного сигнала управления дефлектором во времени для каждой лазерной полоски 1…R может быть представлен в виде

f_{С} (t) = f_{\min} + k \frac{Δ F_{Б}}{τ} t

, где k=1…R, t - текущее время. Очевидно, что девиация частоты ΔF_Б не должна превышать величины ΔF_Б _мах≤Δf/К, иначе от одного лазерного импульса на одном фотоприемном устройстве от двух волокон соседних жгутов будут приняты отраженные сигнала из двух направлений.When the deflector control frequencies are linearly changed (a linear frequency modulation signal is a LFM signal), the diffracted laser beam angularly broadens along the scanning direction (Bondarenko D.A., Karasik V.E., Semenkov V.P. Study of the mode of laser beam diffraction on a linear frequency-modulated acoustic wave in an anisotropic acousto-optic deflector // Bulletin of MSTU named after NE Bauman. Special issue "Modern problems of optical engineering. 2011. P.31-41). If, during the time τ, before applying a sync pulse causing the appearance of a laser pulse, a chirp signal with a frequency deviation ΔF _{B is} applied to the deflector 3, then the diffracted laser beam will have an angular size

ϕ_{B} = \frac{λ}{υ} Δ f_{B}

and it will illuminate in azimuth several fields of view of photodetectors, as shown in figb. In this case, the distance to the object is measured simultaneously in several directions. The laser line in this case will contain R laser strips (fig.2b), the number of which is equal to R = Δf / ΔF _B. The law of change in the frequency of the high-frequency deflector control signal in time for each laser strip 1 ... R can be represented as

f_{FROM} (t) = f_{\min} + k \frac{Δ F_{B}}{τ} t

, where k = 1 ... R, t is the current time. Obviously, the frequency deviation ΔF _B should not exceed ΔF _B _max ≤ Δf / K, otherwise, reflected signals from two directions will be received from two fibers of adjacent bundles from a single laser pulse on a single photodetector.

Для повышения частоты обновления кадров возможно формировать строчную развертку не только за счет последовательной засветки соседних мгновенных полей формирующего приемного устройства, а пропуская одну, две или несколько позиций засветки, как представлено на фиг.2в. Для ряда приложений все вышеописанные варианты формирования строчной развертки могут быть применены для оптимизации получаемого изображения картинной плоскости.To increase the refresh rate of frames, it is possible to form a horizontal scan not only by sequentially illuminating adjacent instantaneous fields of the forming receiving device, but by skipping one, two, or several illumination positions, as shown in Fig. 2c. For a number of applications, all of the above options for the formation of horizontal scanning can be applied to optimize the resulting image of the picture plane.

Лазер 1, работающий в импульсном режиме, может быть реализован на активном элементе из граната с неодимом и накачкой полупроводниковыми лазерными диодами. Внутри резонатора может быть установлен акустооптический модулятор, например, серийно выпускаемый МЗ-321М, имеющий частоту сигнала управления 80 МГц. Вариант выполнения такого лазера изложен в книге (В.В. Безотосный и др. Высокоэффективный компактный Nd³⁺:YAG - лазер на длине волны 1,064 мкм, работающий в непрерывном и импульсном режимах, с диодной накачкой и модуляцией добротности акустооптическим затвором. Квантовая электроника, т.35, №6 (2005), 507-510). Такой лазер обеспечивает на выходе дифракционную расходимость лазерного излучения, а в импульсном режиме частота повторения импульсов достигает 200 кГц. При выходной апертуре лазера 4,5 мм угловая расходимость лазерного излучения составит величину около 0,3 мрад.Laser 1 operating in a pulsed mode can be implemented on an active element made of garnet with neodymium and pumped by semiconductor laser diodes. An acousto-optical modulator, for example, a commercially available MZ-321M having a control signal frequency of 80 MHz, can be installed inside the resonator. An embodiment of such a laser is described in the book (V.V. Bezotosny et al. Highly efficient compact Nd ³⁺ : YAG - a laser at a wavelength of 1.064 μm, operating in continuous and pulsed modes, with diode pumping and Q-switching by an acousto-optic gate. Quantum electronics, t. 35, No. 6 (2005), 507-510). Such a laser provides a diffraction divergence of the laser radiation at the output, and in the pulsed mode the pulse repetition rate reaches 200 kHz. With a laser exit aperture of 4.5 mm, the angular divergence of the laser radiation will be about 0.3 mrad.

При построении системы импульсной лазерной локации с другими длинами волн в качестве лазера может быть использован лазер на активном элементе из граната с неодимом и накачкой полупроводниковыми лазерными диодами и внутрирезонаторным нелинейным преобразованием излучения во вторую гармонику (λ=0,53 мкм) или с параметрическим внутрирезонаторным преобразованием в безопасную для глаз длину волны (λ=1,57 мкм). Возможно использование волоконных лазеров с безопасной для глаз длиной волны λ=1,54 мкм.When constructing a pulsed laser location system with other wavelengths, a laser based on an active element made of garnet with neodymium and pumped by semiconductor laser diodes and intracavity nonlinear conversion of radiation into second harmonic (λ = 0.53 μm) or with parametric intracavity conversion can be used as a laser in a wavelength safe for eyes (λ = 1,57 microns). It is possible to use fiber lasers with an eye-safe wavelength of λ = 1.54 μm.

В качестве дефлектора 3 системы импульсной лазерной локации могут быть использованы акустооптические дефлекторы со светозвукопроводом из парателлурита (ТеO₂). Такие дефлекторы могут сканировать лазерное излучение в видимой области (например, 0,53 мкм) и ближней ИК-области спектра (например, 1,064 мкм), в том числе в безопасной для зрения спектральной области ~1,5 мкм. При реализации конструкции дефлектора с углом Брюстера (Патент RU №2462739, приоритет 08.07.2011 г., МПК: G02F 1/33) для лазерного излучения с длиной волны 1,064 мкм и диапазона частот управления дефлектора λf=32 МГц можно реализовать полный угол сканирования 6,6 градуса. Центральная рабочая частота f0 равна при этом 80 МГц. Для световой апертуры дефлектора 9 мм постоянная времени дефлектора τ~14 мкс, а число разрешимых состояний дефлектора по критерию Релея равно Nd~450. Диаметр лазерного пучка на входе такого дефлектора составляет величину около 4,5 мм.As a deflector 3 of a pulsed laser location system, acousto-optic deflectors with a light and sound pipe from paratellurite (TeO ₂ ) can be used. Such deflectors can scan laser radiation in the visible region (for example, 0.53 μm) and the near infrared region of the spectrum (for example, 1.064 μm), including in the spectrally safe region of ~ 1.5 μm. When implementing the design of the deflector with the Brewster angle (Patent RU No. 2462739, priority 08/08/2011, IPC: G02F 1/33) for laser radiation with a wavelength of 1.064 μm and a frequency range of control of the deflector λf = 32 MHz, a full scan angle of 6 , 6 degrees. The central operating frequency f0 is equal to 80 MHz. For the light aperture of the deflector 9 mm, the deflector time constant is τ ~ 14 μs, and the number of resolved states of the deflector by the Rayleigh criterion is Nd ~ 450. The diameter of the laser beam at the input of such a deflector is about 4.5 mm.

При использовании дефлектора 3 с вышеприведенными параметрами и выходной оптической системы передающего канала 5, имеющей увеличение 5, на выходе системы импульсной лазерной локации обеспечивается сканирование лазерного пучка в пределах 33 градуса. Выходную оптическую систему передающего канала 5 целесообразно реализовать цилиндрической. Угловая расходимость лазерного излучения на выходе системы импульсной лазерной локации составит в этом случае величину около 0,3 мрад×1,5 мрад, причем большая угловая расходимость лазерного пучка соответствует направлению сканирования лазерного пучка (фиг.2а).When using the deflector 3 with the above parameters and the output optical system of the transmitting channel 5, having a magnification of 5, a laser beam scan of 33 degrees is provided at the output of the pulsed laser location system. The output optical system of the transmitting channel 5, it is advisable to implement a cylindrical. In this case, the angular divergence of the laser radiation at the output of the pulsed laser ranging system will be about 0.3 mrad × 1.5 mrad, and the large angular divergence of the laser beam corresponds to the scanning direction of the laser beam (Fig. 2a).

Блок управления дефлектором 6 может быть реализован на стандартной микросхеме синтезатора частот, например, AD9954YSVB, имеющей встроенную схему быстрого сканирования по частоте, выход которой подключен к широкополосному усилителю мощности, реализованному, например, на стандартной микросхеме RA07H0608V. При использовании лазера с длиной волны 1,064 мкм выходная мощность высокочастотного сигнала блока управления дефлектором 6 в диапазоне частот управления дефлектором Δf=f_max-f_min=96 МГц…64 МГц=32 МГц должна составлять около 5 Вт. Современные синтезаторы частот имеют двухбайтный код установки частоты, что позволяет очень точно позиционировать угловое положение лазерного пучка при сканировании. Например, задав диапазон кода положения лазерного пучка по строке, равным 8192±4096, чтобы обеспечить вышеуказанный диапазон частот управления дефлектором 80±16 МГц, реально получить 8192 угловых дискрета позиционирования лазерного пучка по строке.The deflector control unit 6 can be implemented on a standard frequency synthesizer chip, for example, AD9954YSVB, which has a built-in fast frequency scanning circuit, the output of which is connected to a broadband power amplifier, implemented, for example, on a standard RA07H0608V chip. When using a laser with a wavelength of 1.064 μm, the output power of the high-frequency signal of the deflector control unit 6 in the deflector control frequency range Δf = f _max -f _min = 96 MHz ... 64 MHz = 32 MHz should be about 5 W. Modern frequency synthesizers have a two-byte frequency setting code, which allows you to very accurately position the angular position of the laser beam during scanning. For example, setting the range code of the position of the laser beam along the line equal to 8192 ± 4096, in order to provide the above frequency range for controlling the deflector 80 ± 16 MHz, it is realistic to obtain 8192 angular discretes for positioning the laser beam along the line.

В измерительном канале 7 определяется текущее угловое положение отклоненного лазерного пучка при определенном коде положения, например, равном 8192, соответствующему центральной частоте диапазона частот управления дефлектором f₀=80 МГц. Дифрагированный лазерный пучок частично отражается призменным светоделителем 4 на второй выход и далее поступает в измерительный канал 7. Измерительный канал представляет собой длиннофокусный объектив, в фокальной плоскости которого находится фотоприемное устройство, например ПЗС-линейка, содержащая 256 элементов. На ПЗС-линейке строится изображение лазерного пучка. Фокус объектива и размеры ПЗС-линейки выбираются таким образом, чтобы изображение лазерного пучка накрывало два-три десятка элементов линейки и в нормальных условиях находилось примерно в центре линейки. Центр лазерного пучка определяется как среднее значение номеров освещенных элементов линейки. При изменении температуры окружающей среды положение изображения лазерного пучка на элементах ПЗС-линейки будет изменяться из-за изменения угла дифракции лазерного пучка в дефлекторе и, вычисляя в вычислительном устройстве 11 новое среднее значение номеров освещенных элементов линейки, нетрудно определить величину компенсации температурных уходов дефлектора. Такая операция занимает по времени доли мс и может выполняться как перед началом работы системы импульсной лазерной локации, так и в процессе работы.In the measuring channel 7, the current angular position of the deflected laser beam is determined at a certain position code, for example, equal to 8192, corresponding to the center frequency of the deflector control frequency range f ₀ = 80 MHz. The diffracted laser beam is partially reflected by the prism beam splitter 4 to the second output and then goes to the measuring channel 7. The measuring channel is a telephoto lens with a photodetector in its focal plane, for example, a CCD array containing 256 elements. An image of a laser beam is built on a CCD line. The focus of the lens and the dimensions of the CCD line are selected so that the image of the laser beam covers two to three dozen elements of the line and under normal conditions is approximately in the center of the line. The center of the laser beam is defined as the average value of the numbers of the illuminated elements of the line. When the ambient temperature changes, the position of the image of the laser beam on the elements of the CCD line will change due to a change in the diffraction angle of the laser beam in the deflector and, calculating in the computing device 11 a new average value of the numbers of the illuminated elements of the line, it is easy to determine the amount of compensation for the temperature drift of the deflector. Such an operation takes fractions of a ms in time and can be performed both before the operation of the pulsed laser location system and during operation.

Конструкция объектива фотоприемного устройства 8 может быть аналогичной известным волоконно-оптическим локаторам.The design of the lens of the photodetector 8 may be similar to the known fiber optic locators.

Волокна волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К (фиг.1) с одной стороны, обращенной к фотоприемному устройству, уложены в круг. Пример укладки для 19 и 37 волокон показан на фиг.3а и на фиг.3б соответственно. Диаметр укладки волокон d_В для вышеуказанных случаев равен 5d_В и 7d_В, где d_В - внешний диаметр волокна. Волокна волоконно-оптических жгутов 9₁-9_К с другой стороны, обращенной к объективу фотоприемного устройства 8, уложены в линейку, как представлено на фиг.1: в начале линейки уложены первые волокна всех жгутов, далее вторые волокна всех жгутов и т.д. Волоконно-оптические жгуты 9₁-9_К могут быть выполнены из оптических волокон, например, с внешним диаметром d_В=200 мкм и диаметром центральной светопроводящей части d_С=160 мкм. Диаметр укладки волокон db для вышеуказанных случаев равен 1,0 мм и 1,4 мм.The fibers of the optical fiber bundles 9 ₁ -9 _K (Fig. 1) on one side facing the photodetector are arranged in a circle. An example of laying for 19 and 37 fibers is shown in figa and figb respectively. The fiber laying diameter d _B for the above cases is 5d _B and 7d _B , where d _B is the outer diameter of the fiber. The fibers of the optical fiber bundles 9 ₁ -9 _K, on the other hand, facing the lens of the photodetector 8, are laid out in a ruler, as shown in Fig. 1: at the beginning of the ruler, the first fibers of all bundles are stacked, then the second fibers of all bundles, etc. . Fiber optic bundles 9 ₁ -9 _K can be made of optical fibers, for example, with an external diameter d _B = 200 μm and a diameter of the central light guide part d _C = 160 μm. The stacking diameter db for the above cases is 1.0 mm and 1.4 mm.

В качестве фотоприемных устройств могут использоваться как набор одиночных лавинных фотодиодов, так и линейка лавинных фотодиодов, геометрические размеры фоточувствительных площадок которых обеспечат прием лазерного излучения с выхода волоконно-оптического жгута. Диаметр фоточувствительных площадок D_Ф лавинных фотодиодов должен превышать диаметр укладки волокон d_В на 10-40 процентов и для вышеуказанных случаев можно использовать лавинные фотодиоды с диаметром площадок 1,5 мм и 2,0 мм. При введении специальной оптической системы для фокусировки лазерного излучения с выхода волоконно-оптического жгута диаметр площадок может быть уменьшен.As a photodetector, a set of single avalanche photodiodes can be used, as well as a line of avalanche photodiodes, the geometric dimensions of the photosensitive areas of which will provide laser radiation from the output of a fiber optic bundle. The diameter of the photosensitive pads D _{Ф of} avalanche photodiodes should exceed the fiber stacking diameter d _B by 10-40 percent and for the above cases, avalanche photodiodes with pads with a diameter of 1.5 mm and 2.0 mm can be used. With the introduction of a special optical system for focusing laser radiation from the output of a fiber optic bundle, the diameter of the pads can be reduced.

Число К используемых фотоприемных устройств в локаторах с большим угловым полем зрения целесообразно выбрать равным 8 или 10 шт. В зависимости от решаемой задачи число их может быть и иным.The number K of the used photodetectors in locators with a large angular field of view is advisable to choose equal to 8 or 10 pcs. Depending on the problem being solved, their number may be different.

При К=8, числе волокон в жгуте М=37 и внешнем диаметре волокон 200 мкм линейные размеры d_F волокон, обращенных к объективу фотоприемного устройства 8 и уложенных в линейку, равны d_F=59,2 мм. Число волокон и, следовательно, число угловых разрешимых элементов в строке равно при этом N_S=296.When K = 8, the number of fibers in the bundle M = 37 and the outer diameter of the fibers is 200 μm, the linear dimensions d _{F of the} fibers facing the lens of the photodetector 8 and laid in a line are d _F = 59.2 mm. The number of fibers and, therefore, the number of angular solvable elements in the row is equal to N _S = 296.

При угловом поле зрения системы импульсной лазерной локации по строке, равноым 2φ_F, фокусное расстояние F_ПУ объектива фотоприемного устройства 8 должно быть равным $F_{П У} = \frac{d_{F}}{2 t g ϕ_{F}}$

. Для φ_F=15 градусов и вышеприведенных данных F_ПУ=110,0 мм. Мгновенное угловое поле зрения φ_В системы импульсной лазерной локации зависит от диаметра волокна, фокусного расстояния объектива фотоприемного устройства и определяется выражением φ_В=d_С/F_ПУ. Для вышеприведенного примера φ_В=1,45 мрад.With the angular field of view of the pulsed laser ranging system along a line equal to 2φ _F , the focal length F of the _{PU of the} objective of the photodetector 8 should be equal

F_{P At} = \frac{d_{F}}{2 t g ϕ_{F}}

. For φ _F = 15 degrees and the above data, F _PU = 110.0 mm. The instantaneous angular field of view φ _V of a pulsed laser location system depends on the fiber diameter, the focal length of the objective of the photodetector and is determined by the expression φ _B = d _C / F _PU . For the above example, φ _B = 1.45 mrad.

Вычислительное устройство 11 может быть реализовано, например, на управляющем микроконтроллере STM 32F407, имеющем высокую тактовую частоту, значительное количество периферийных блоков - ЦАП и АЦП, внешние интерфейсы различных типов, а также большие ОЗУ и ПЗУ.Computing device 11 can be implemented, for example, on the control microcontroller STM 32F407, which has a high clock frequency, a significant number of peripheral units - DACs and ADCs, external interfaces of various types, as well as large RAM and ROM.

Однокоординатное сканирующее устройство по второй координате 12, как и в известных волоконно-оптических сканерах, может быть реализовано на основе сканирующего зеркала с шаговым двигателем и датчиком углового положения зеркала.A single-coordinate scanning device at the second coordinate 12, as in the known fiber-optic scanners, can be implemented on the basis of a scanning mirror with a stepper motor and a sensor for the angular position of the mirror.

Сравним предложенную систему импульсной лазерной локации и известные волоконно-оптические сканеры.Compare the proposed pulsed laser location system and the well-known fiber-optic scanners.

В известных волоконно-оптических сканерах формирующее устройство для образования потока импульсного лазерного излучения в требуемом направлении по первой координате (объектив передатчика) практически соответствует формирующему приемному устройству, обеспечивающему передачу отраженного от объекта импульсного лазерного излучения к фотоприемному устройству (объективу приемника), так как они оптически согласованы с оптическими волокнами, по которым передается и принимается лазерное излучение. Эти объективы имеют достаточно большие веса и габариты. Световая апертура такого объектива не менее 50 мм. В предлагаемой системе присутствует лишь один объектив (приемный). Передающая часть оснащена малогабаритной оптической системой с апертурой 10-15 мм, что уменьшает габаритно - весовые характеристики.In known fiber-optic scanners, the forming device for generating a flow of pulsed laser radiation in the desired direction along the first coordinate (transmitter lens) practically corresponds to the forming receiving device, which ensures the transmission of pulsed laser radiation reflected from the object to the photodetector (receiver lens), since they are optically matched with optical fibers through which laser radiation is transmitted and received. These lenses are quite large in weight and size. The light aperture of such a lens is at least 50 mm. In the proposed system there is only one lens (receiving). The transmitting part is equipped with a small-sized optical system with an aperture of 10-15 mm, which reduces the overall weight characteristics.

Выполнение скоростного сканирующего строчного устройства на основе акустооптического дефлектора повысило надежность системы за счет устранения механического сканера, имеющего зависимость параметров в широком температурном диапазоне использования. В частности, замерзание смазки сканера при низких температурах сложно устранить электронным способом.The implementation of a high-speed scanning line device based on an acousto-optical deflector increased the reliability of the system by eliminating a mechanical scanner having a dependence of parameters in a wide temperature range of use. In particular, freezing of the grease of the scanner at low temperatures is difficult to eliminate electronically.

В известных волоконно-оптических сканерах частота обновления информации составляет не более 3 Гц и изменить ее практически невозможно. Она определяется частотой повторения лазера, которая в аналогах равна 60 кГц, числом волокон в строчном сканирующем устройстве, равном 100-120, и числом строк при выполнении каровой развертки однокоординатным сканирующим устройством. Число строк в кадре при этом примерно равно 200.In known fiber-optic scanners, the frequency of updating information is not more than 3 Hz and it is practically impossible to change it. It is determined by the laser repetition rate, which is 60 kHz in analogs, the number of fibers in a horizontal scanning device, equal to 100-120, and the number of lines when performing a single-scan scanning with a single-axis scanning device. The number of lines in the frame is approximately 200.

В предложенной системе импульсной лазерной локации акустооптический дефлектор позволяет изменять угловую расходимость лазерного излучения по направлению сканирования при использовании линейно частотно-модулированного сигнала управления дефлектором. При этом возможно одновременно принимать отраженные лазерные импульсы с нескольких мгновенных полей зрения. В предложенном примере реализации это дает повышение частоты обновления информации до 8 раз или, при меньшей частоте обновления информации, позволяет повысить информативность кадра за счет повышения разрешения по строкам.In the proposed system of pulsed laser location, an acousto-optical deflector allows you to change the angular divergence of the laser radiation in the scanning direction using a linearly frequency-modulated deflector control signal. In this case, it is possible to simultaneously receive reflected laser pulses from several instantaneous fields of view. In the proposed implementation example, this gives an increase in the frequency of updating information up to 8 times, or, at a lower frequency of updating information, allows to increase the information content of the frame by increasing the resolution in rows.

Отметим также, что акустооптический дефлектор позволяет формировать лазерную строку не только за счет последовательной засветки соседних мгновенных полей формирующего приемного устройства, а иным способом, например, пропуская одну или две позиции соседней засветки в строке, формируя разную структуру соседних строк, но повышая при этом частоту обновления кадров, т.е. информативность системы.We also note that the acousto-optical deflector allows you to generate a laser line not only by sequentially illuminating adjacent instantaneous fields of the forming receiving device, but in another way, for example, by skipping one or two positions of the neighboring illumination in a row, forming a different structure of neighboring rows, but increasing the frequency frame updates, i.e. informational content of the system.

Claims

A pulsed laser location system comprising a pulsed laser, a single-axis scanning device including an acousto-optical deflector and an output optical system of a transmitting channel, an optical lens of a photodetector, a single-coordinate scanning device in a second coordinate, orthogonal to the first coordinate, a photodetector, a computing device, and also an acousto-optical deflector control unit, the control input of which is connected to the control output deflector of the computing device, and the output is connected to the control input of the deflector, and the laser synchronization input is connected to the synchronization output of the computing device, characterized in that a prismatic beam splitter, a measuring channel, an array of photodetectors, including K photodetectors, the outputs of which are connected to the measuring inputs, are introduced into it the range of the computing device, as well as K fiber optic bundles containing M fibers, which are mounted on one side and facing end to the respective photodetector, and on the other hand, the fibers of each bundle are mounted in single-line rulers, which in total form a single-line ruler of MK fibers, the ends of which face the output of the optical lens of the photodetector and are located in its focal plane, the prism beam splitter is placed between the output of the acousto-optical deflector and the output output optical system of the transmitting channel, and the optical input of the measuring channel is connected to the second output of the prism beam splitter, and the output is connected nen with the input of compensation of angular errors of the computing device.