RU199219U1

RU199219U1 - LASER RANGEFINDER

Info

Publication number: RU199219U1
Application number: RU2020111735U
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Белов; Владимир Николаевич Быков; Владимир Николаевич Кутурин; Владислав Андреевич Прядеин; Андрей Георгиевич Садовой; Александр Ефремович Сафутин; Владимир Александрович Ступников; Виктор Олегович Трубин
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-08-24

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным лазерным дальномерам. Лазерный дальномер содержит излучающий канал, включающий лазерный излучатель, в резонаторе которого установлен активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов, устройство их включения и питания и модулятор добротности, приемный канал, включающий приемный объектив, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости приемного объектива, дополнительное фотоприемное устройство и схему измерения дальности, состоящую из измерителя временных интервалов с двумя измерительными входами и схемы управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью. Основное фотоприемное устройство выполнено двухканальным большого и малого усиления, при этом канал большого усиления подключен к основному измерительному входу, а канал малого усиления - к дополнительному измерительному входу измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, а дополнительное фотоприемное устройство установлено с возможностью регистрации рассеянного лазерным излучателем излучения и подключено к входу запуска измерителя временных интервалов. При этом в лазерный дальномер введен датчик температуры, расположенный в зоне размещения решеток лазерных диодов, который подключен к схеме управления длительностью импульса тока накачки, а последняя подключена к устройству включения и питания решеток лазерных диодов.Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет использования лазерного дальномера в режиме целеуказателя-дальномера с повышением стабильности и надежности его работы при воздействии внешних климатических факторов.The utility model relates to laser technology, namely to pulsed laser rangefinders. The laser rangefinder contains an emitting channel, which includes a laser emitter, in the resonator of which an active element with longitudinal optical pumping in the form of arrays of laser diodes is installed, a device for switching on and supplying them and a Q-switch, a receiving channel that includes a receiving lens, a photodetector, the sensitive area of which is located in focal plane of the receiving lens, an additional photodetector and a range measurement circuit consisting of a time interval meter with two measuring inputs and a pump current pulse duration control circuit with programmable memory. The main photodetector is made with two-channel high and low gain, while the high-gain channel is connected to the main measuring input, and the low-gain channel is connected to the additional measuring input of the time interval meter of the range measurement circuit, and the additional photodetector is installed with the ability to register radiation scattered by the laser emitter and connected to the trigger input of the time interval meter. At the same time, a temperature sensor is introduced into the laser rangefinder, located in the area of the laser diode arrays, which is connected to the pump current pulse duration control circuit, and the latter is connected to the device for switching on and supplying the laser diode arrays. The technical result is the expansion of functionality due to the use of the laser rangefinder. in the target designator-rangefinder mode with an increase in the stability and reliability of its operation under the influence of external climatic factors.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, а именно к импульсным лазерным дальномерам.The utility model relates to laser technology, namely to pulsed laser rangefinders.

Известен лазерный дальномер [1], содержащий излучающий и приемный каналы, в которых измерение дальности происходит путем измерения времени Т между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного целью сигнала с последующим определением дальности R по формуле R=cT/2, где с - скорость света в атмосфере.Known laser rangefinder [1], containing emitting and receiving channels, in which the measurement of the range occurs by measuring the time T between the moments of the laser pulse emission and the reception of the signal reflected by the target, followed by determining the range R by the formula R = cT / 2, where c is the speed of light in the atmosphere.

Недостатком этого технического решения является необходимость введения внешнего защитного корпуса, а также наличие ошибки временной фиксации момента излучения.The disadvantage of this technical solution is the need to introduce an external protective case, as well as the presence of an error in the time fixation of the radiation moment.

Эти недостатки устранены в известном лазерном дальномере [2], который является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению. Указанный лазерный дальномер содержит излучающий канал, включающий лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов, устройство их включения и питания и модулятор добротности, приемный канал, включающий приемный объектив, схему измерения дальности с измерителем временных интервалов, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, при этом измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства.These disadvantages are eliminated in the known laser rangefinder [2], which is the closest in technical essence to the proposed technical solution. The specified laser rangefinder contains an emitting channel, including a laser emitter, in the resonator of which an active element with longitudinal optical pumping in the form of arrays of laser diodes, a device for their switching on and power supply and a Q-switch, a receiving channel including a receiving lens, a range measurement circuit with a time interval meter are installed , a photodetector device, the sensitive area of which is located in the focal plane of the lens, an additional photodetector device installed with the ability to register the scattered laser radiation of the emitter and connected to the trigger input of the time interval meter of the range measurement circuit, while the measuring input of the latter is connected to the output of the main photodetector device.

Недостатком этого лазерного дальномера является недостаточная стабильность и надежность при его использовании в качестве лазерного целеуказателя-дальномера с длиной волны излучения 1,06 мкм. на материале активного элемента излучателя из алюмоиттриевого граната, легированного ионами неодима AИГ:Nd³⁺. Спектр поглощения последнего содержит широкую, но сильно неоднородную по коэффициенту поглощения область (785-825) нм [3], и в силу зависимости длины волны лазерного излучения полупроводниковой накачки от температуры (0,25-0,3 нм/°С) [3] возникает определенная неравномерная температурная зависимость поглощенной мощности накачки и, соответственно, энергии выходного излучения от температуры, что приводит к снижению потенциала лазерного дальномера и, соответственно, стабильности и надежности его работы в широком температурном диапазоне (от минус 40°С до плюс 50°С) и при измерении дальности на ближних дистанциях, что связано с влиянием помехи обратного рассеяния (ПОР) [4], приводящей к перегрузке канала большого усиления и не позволяющей измерять дальность на ближних дистанциях (до 200 м) в условиях замутненной атмосферы при снижении метрологической дальности видимости (МДВ).The disadvantage of this laser rangefinder is insufficient stability and reliability when used as a laser designator-rangefinder with a radiation wavelength of 1.06 μm. on the material of the active element of the emitter made of yttrium aluminum garnet doped with neodymium ions AIG: Nd ³⁺ . The absorption spectrum of the latter contains a wide, but highly inhomogeneous in the absorption coefficient region (785-825) nm [3], and due to the dependence of the wavelength of laser radiation of semiconductor pumping on temperature (0.25-0.3 nm / ° C) [3 ] a certain non-uniform temperature dependence of the absorbed pump power and, accordingly, the output radiation energy on temperature appears, which leads to a decrease in the potential of the laser rangefinder and, accordingly, the stability and reliability of its operation in a wide temperature range (from minus 40 ° C to plus 50 ° C ) and when measuring the range at short distances, which is associated with the influence of backscattering interference (BOR) [4], which leads to overload of the high gain channel and does not allow measuring the range at short distances (up to 200 m) in a cloudy atmosphere with a decrease in the metrological range visibility (MDV).

Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет использования лазерного дальномера в режиме целеуказателя-дальномера с повышением стабильности и надежности его работы при воздействии внешних климатических факторов.The task of the utility model is to expand the functionality through the use of a laser rangefinder in the target designator-rangefinder mode with an increase in the stability and reliability of its operation under the influence of external climatic factors.

Поставленная задача решается за счет того, что известный лазерный дальномер, содержащий излучающий канал, включающий лазерный излучатель, в резонаторе которого установлены активный элемент с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов, устройство их включения и питания и модулятор добротности, приемный канал, включающий приемный объектив, схему измерения дальности с измерителем временных интервалов, фотоприемное устройство, чувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости приемного объектива, дополнительное фотоприемное устройство, установленное с возможностью регистрации рассеянного лазерного излучения излучателя и подключенное к входу запуска измерителя временных интервалов схемы измерения дальности, при этом измерительный вход последнего подключен к выходу основного фотоприемного устройства, снабжен датчиком температуры, расположенным в зоне размещения решеток лазерных диодов, в схему измерения дальности введена схема управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью, подключенная к датчику температуры и устройству включения и питания решеток лазерных диодов, основное фотоприемное устройство выполнено двухканальным большого и малого усиления, а измеритель временных интервалов схемы измерения дальности выполнен с дополнительным измерительным входом, предназначенным для формирования отсчетов дальности на ближних дистанциях, причем выход дополнительного канала малого усиления основного фотоприемного устройства подключен к дополнительному измерительному входу измерителя временных интервалов схемы измерения дальности.The problem is solved due to the fact that the known laser range finder containing an emitting channel, including a laser emitter, in the resonator of which an active element with longitudinal optical pumping in the form of laser diode arrays is installed, a device for switching them on and supplying them and a Q-switch, a receiving channel including a receiving a lens, a range measurement circuit with a time interval meter, a photodetector, the sensitive area of which is located in the focal plane of the receiving lens, an additional photodetector installed with the ability to register the scattered laser radiation of the emitter and connected to the trigger input of the time interval meter of the range measurement circuit, while the measuring the input of the latter is connected to the output of the main photodetector, it is equipped with a temperature sensor located in the area where the arrays of laser diodes are located; a circuit for controlling the pulse duration is introduced into the range measurement circuit The pump current lsa with programmable memory, connected to the temperature sensor and the device for switching on and supplying the laser diode arrays, the main photodetector is made of two-channel high and low gain, and the time interval meter of the range measurement circuit is made with an additional measuring input designed to form the range readings on the near distances, and the output of the additional channel of low amplification of the main photodetector is connected to the additional measuring input of the meter of time intervals of the range measurement circuit.

Введение схемы управления длительностью импульса тока накачки с программируемой памятью и датчика температуры позволило повысить стойкость лазерного дальномера к воздействию внешних климатических факторов, к которым относятся погодные климатические условия, влияющие на температуру окружающей среды и состояние атмосферы, за счет влияния на температурную зависимость поглощенной мощности продольной накачки решетками лазерных диодов и обеспечения требуемой энергии импульса лазерного излучения в диапазоне температур, а также расширить функциональные возможности дальномера за счет использования в лазерном излучателе активного элемента из AИГ:Nd³⁺ с длиной волны лазерного излучения 1,06 мкм, что позволяет применять лазерный дальномер в качестве лазерного целеуказателя-дальномера [5].The introduction of a circuit for controlling the duration of the pump current pulse with a programmable memory and a temperature sensor made it possible to increase the resistance of the laser rangefinder to external climatic factors, which include weather climatic conditions affecting the ambient temperature and the state of the atmosphere, due to the influence on the temperature dependence of the absorbed power of longitudinal pumping arrays of laser diodes and providing the required pulse energy of laser radiation in the temperature range, as well as expanding the functionality of the rangefinder due to the use of an active element made of AIG: Nd ³⁺ in the laser emitter with a laser radiation wavelength of 1.06 μm, which makes it possible to use a laser rangefinder in as a laser designator-rangefinder [5].

Выполнение основного фотоприемного устройства двухканальным большого и малого усиления обеспечило устранение отрицательного влияния помехи обратного рассеяния, приводящей к перегрузке канала большого усиления и не позволяющей измерять дальность на ближних дистанциях (до 200 м) в условиях замутненной атмосферы (МДВ порядка 1 км). Использование дополнительно введенного канала малого усиления (с коэффициентом усиления, меньшим в 30-40 раз по сравнению с коэффициентом усиления основного каскада) позволило парировать влияние помехи обратного рассеяния и обеспечить устойчивое измерение расстояний в зоне ближних дистанций при любых метеоусловиях, что повышает стойкость лазерного дальномера к погодным климатическим условиям и одновременно расширяет его функциональные возможности в части расширения диапазона измеряемых дальностей.The implementation of the main photodetector with two-channel high and low gain ensured the elimination of the negative effect of backscatter interference, which leads to overload of the high-gain channel and does not allow measuring the range at short distances (up to 200 m) in a cloudy atmosphere (MWD of about 1 km). The use of an additionally introduced low-gain channel (with a gain 30-40 times less than the gain of the main stage) made it possible to counter the effect of backscatter interference and ensure stable measurement of distances in the short-range zone under any weather conditions, which increases the resistance of the laser rangefinder to weather and climatic conditions and at the same time expands its functionality in terms of expanding the range of measured ranges.

На чертеже представлена схема лазерного дальномера.The drawing shows a diagram of a laser rangefinder.

Лазерный дальномер включает корпус 1 с отсеками излучающего 2 и приемного 3 каналов. Излучающий канал 2 содержит лазерный излучатель на основе активного элемента 4 с продольной оптической накачкой в виде решеток лазерных диодов 5 и 6, установленных у противоположных торцов активного элемента 4 и устройство их включения и питания 7. На оптической оси активного элемента 4 установлены зеркала 8 и 9, между которыми расположен модулятор добротности 10, образующие резонатор излучателя. За выходным зеркалом 8 резонатора расположена оптическая система 11 формирования выходного пучка лазерного излучения. Приемный канал 3 содержит приемный объектив 12, отклоняющее зеркало 13, фотоприемное устройство 14, чувствительная площадка 15 которого расположена в фокальной плоскости приемного объектива 12 и схему измерения дальности 16, состоящую из измерителя временных интервалов 17 и схемы управления длительностью импульса тока накачки 18. Фотоприемное устройство 14 выполнено двухканальным большого и малого усиления, при этом канал большого усиления подключен к основному измерительному входу 19, а канал малого усиления - к дополнительному измерительному входу 20 измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16. В перегородке между отсеком излучающего канала 2 и отсеком приемного канала 3 установлено оптическое окно 21, через которое в отсек приемного канала 3 может проникать рассеянное лазерное излучение излучателя. В отсеке приемного канала 3 напротив окна 21 установлено дополнительное фотоприемное устройство 22, выход которого подключен к входу 23 запуска измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16. В отсеке излучающего канала 2 в зоне установки решеток лазерных диодов 5 и 6 размещен датчик температуры 24, который подключен к схеме управления длительностью импульса тока накачки 18, а последняя подключена к устройству включения и питания 7 решеток лазерных диодов 5 и 6. Схема управления длительностью импульса тока накачки 18 имеет программируемую память, куда может быть записана требуемая зависимость длительности импульса тока накачки от температуры, обеспечивающая требуемую энергию импульса лазерного излучения в диапазоне рабочих температур и экспериментально определенная в процессе тестирования работы излучающего канала при изготовлении лазерного дальномера.The laser rangefinder includes a housing 1 with compartments for emitting 2 and 3 receiving channels. The emitting channel 2 contains a laser emitter based on an active element 4 with longitudinal optical pumping in the form of arrays of laser diodes 5 and 6 installed at the opposite ends of the active element 4 and a device for switching them on and supplying them 7. Mirrors 8 and 9 are mounted on the optical axis of the active element 4 , between which the Q-switch 10 is located, forming the resonator of the emitter. Behind the output mirror 8 of the resonator is an optical system 11 for forming the output beam of laser radiation. Receiving channel 3 contains a receiving lens 12, a deflecting mirror 13, a photodetector 14, the sensitive area 15 of which is located in the focal plane of the receiving lens 12 and a range measurement circuit 16, consisting of a time interval meter 17 and a pump current pulse duration control circuit 18. Photodetector device 14 is made with two-channel high and low gain, while the high gain channel is connected to the main measuring input 19, and the low gain channel is connected to the additional measuring input 20 of the time interval meter 17 of the range measurement circuit 16. In the partition between the radiating channel compartment 2 and the receiving channel compartment 3, an optical window 21 is installed through which the scattered laser radiation of the emitter can penetrate into the compartment of the receiving channel 3. In the compartment of the receiving channel 3, opposite the window 21, an additional photodetector 22 is installed, the output of which is connected to the trigger input 23 of the meter of time intervals 17 of the range measurement circuit 16. In the compartment of the emitting channel 2 in the area of the array of laser diodes 5 and 6 there is a temperature sensor 24, which connected to the circuit for controlling the duration of the pump current pulse 18, and the latter is connected to the device for switching on and supplying 7 arrays of laser diodes 5 and 6. The circuit for controlling the duration of the pump current pulse 18 has a programmable memory where the required dependence of the duration of the pump current pulse on temperature can be recorded, providing the required pulse energy of laser radiation in the operating temperature range and experimentally determined in the process of testing the operation of the emitting channel in the manufacture of a laser rangefinder.

Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.The proposed utility model works as follows.

При включении питания датчик температуры 24 измеряет температуру в зоне размещения решеток лазерных диодов (РЛД) 5 и 6 и выдает информацию в схему управления длительностью импульса тока накачки 18. После подачи питания на РЛД 5 и 6 от устройства их включения и питания 7 в виде импульса тока длительностью, задаваемой от схемы управления 18, происходит возбуждение активного элемента 4 излучением РЛД 5 и 6, а при достижении необходимого уровня возбуждения включается модулятор добротности 10 и в резонаторе 8,9 развивается лазерный процесс. Лазерное излучение выходит из резонатора через его полупрозрачное зеркало 8 и после прохода через оптическую систему 11 направляется на удаленный объект, до которого измеряется дальность. Часть лазерного излучения, отраженного оптическими элементами излучающего канала, вторично рассеивается стенками отсека 2 и через окно 21 поступает на вход дополнительного фотоприемного устройства 22, выходным сигналом которого запускается измеритель временных интервалов 17 в схеме измерения дальности 16. Отраженное удаленным объектом лазерное излучение фокусируется приемным объективом 12 приемного канала 3 на чувствительную площадку 15 фотоприемного устройства 14, предварительно отразившись от зеркала 13, имеющего узкополосное отражающее покрытие для защиты фотоприемного устройства от фонового излучения. С выходов каналов большого и малого усиления фотоприемного устройства 14 сигнал поступает, соответственно, на основной измерительный вход 19 и дополнительный измерительный вход 20 измерителя временных интервалов 17 схемы измерения дальности 16, который останавливает отсчет временного интервала Т по сигналу с дополнительного измерительного входа 20, удовлетворяющего условию T≤2_Rmin/c, или останавливает отсчет временного интервала Т по сигналу с основного измерительного входа 19, удовлетворяющего условию T>2R_min/c, где с - скорость света, R_min - установленная протяженность зоны ближних дистанций (например, 200 м), для измерения которых используется канал малого усиления фотоприемного устройства 14. По величине интервала Т схема измерения дальности вычисляет дальность R по формуле R=cT/2.When the power is turned on, the temperature sensor 24 measures the temperature in the area of the array of laser diodes (RLD) 5 and 6 and provides information to the control circuit for the duration of the pump current pulse 18. After power is applied to the RLD 5 and 6 from the device for their switching on and power supply 7 in the form of a pulse current with a duration set from the control circuit 18, the active element 4 is excited by the radiation of the RLD 5 and 6, and when the required excitation level is reached, the Q-switch 10 is switched on and the laser process develops in the resonator 8,9. Laser radiation leaves the resonator through its semitransparent mirror 8 and, after passing through the optical system 11, is directed to a distant object, to which the range is measured. Part of the laser radiation reflected by the optical elements of the emitting channel is scattered again by the walls of the compartment 2 and through the window 21 enters the input of an additional photodetector 22, the output signal of which triggers the meter of time intervals 17 in the range measurement circuit 16. The laser radiation reflected by the distant object is focused by the receiving lens 12 the receiving channel 3 to the sensitive area 15 of the photodetector 14, having previously reflected from the mirror 13 having a narrow-band reflective coating to protect the photodetector from background radiation. From the outputs of the channels of high and low gain of the photodetector 14, the signal is fed, respectively, to the main measuring input 19 and the additional measuring input 20 of the meter of time intervals 17 of the range measurement circuit 16, which stops the counting of the time interval T according to the signal from the additional measuring input 20, satisfying the condition T≤2 _Rmi n / s, or stops counting the time interval T by a signal from the main measuring input 19, satisfying the condition T> 2R _min / s, where c is the speed of light, R _min is the set length of the short-range zone (for example, 200 m ), for the measurement of which the low-gain channel of the photodetector 14 is used. By the value of the interval T, the ranging circuit calculates the range R by the formula R = cT / 2.

Благодаря описанному техническому решению решается задача расширения функциональных возможностей за счет использования лазерного дальномера в режиме целеуказателя-дальномера с повышением стабильности и надежности его работы при воздействии внешних климатических факторов.Thanks to the described technical solution, the problem of expanding the functionality is solved by using a laser rangefinder in the target designator-rangefinder mode with an increase in the stability and reliability of its operation under the influence of external climatic factors.

Данные выводы подтверждены положительными результатами изготовления и испытаний опытного образца лазерного дальномера.These conclusions are confirmed by the positive results of manufacturing and testing a prototype laser rangefinder.

Источники информацииSources of information

1. Получение и обработка информации в импульсных лазерных дальномерах/ Б.А. Ермаков, М.В. Возницкий // Оптический журнал - 1993. - №10. - С. 171. Obtaining and processing information in pulsed laser rangefinders / B.А. Ermakov, M.V. Voznitsky // Optical magazine - 1993. - №10. - P. 17

2. Патент РФ 166686. Лазерный дальномер/ В.Н. Быков, В.Г. Вильнер, В.А. Прядеин, А.Г. Садовой, А.И. Текутов, В.О. Трубин // Бюл. - 2016. - №34 - прототип.2. RF patent 166686. Laser rangefinder / V.N. Bykov, V.G. Vilner, V.A. Pryadein, A.G. Sadovoy, A.I. Tekutov, V.O. Trubin // Bul. - 2016. - No. 34 - prototype.

3. Влияние спектрального состава лазерной диодной накачки YAG:Nd³⁺ лазеров на снижение ее эффективности при температурном смещении спектра до 25-30 нм/ А.В. Левошкин // Оптический журнал-2018. - том 85, №10. - С. 22-253. Influence of the spectral composition of laser diode pumping of YAG: Nd ³⁺ lasers on the decrease in its efficiency at a temperature shift of the spectrum to 25-30 nm. Levoshkin // Optical Journal-2018. - volume 85, no. 10. - S. 22-25

4. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. Москва: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2001. - 351 с. 4. Karasik V.E., Orlov V.M. Laser vision systems. Moscow: Publishing house of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, 2001 .-- 351 p.

5. "Compact laser sources for laser designators, ranging and active imaging", Proc. of SPIE, Vol.6552, 65520G, 2007.5. "Compact laser sources for laser designators, ranging and active imaging", Proc. of SPIE, Vol.6552, 65520G, 2007.

Claims

Laser rangefinder containing an emitting channel, including a laser emitter, in the resonator of which an active element with longitudinal optical pumping in the form of arrays of laser diodes is installed, a device for switching them on and supplying them and a Q-switch, a receiving channel including a receiving lens, a range measurement circuit with a time interval meter , a photodetector, the sensitive area of which is located in the focal plane of the receiving lens, an additional photodetector installed with the ability to register the scattered laser radiation of the emitter and connected to the trigger input of the time interval meter of the range measurement circuit, while the measuring input of the latter is connected to the output of the main photodetector, characterized in that the laser rangefinder is equipped with a temperature sensor located in the area of the laser diode arrays, a circuit for controlling the duration of the pump current pulse is introduced into the range measurement circuit and with a programmable memory connected to a temperature sensor and a device for switching on and supplying laser diode arrays, the main photodetector is made of two-channel high and low gain, and the time interval meter of the range measurement circuit is made with an additional measuring input designed to form range readings at short distances, moreover, the output of the additional low-gain channel of the main photodetector is connected to the additional measuring input of the time interval meter of the range measurement circuit.