RU22386U1

RU22386U1 - PULSE LASER RANGE

Info

Publication number: RU22386U1
Application number: RU2001102091/20U
Authority: RU
Inventors: О.И. Авдеев; И.Ф. Балашов; А.В. Лукин; Ю.А. Шагламджян; Г.А. Ярвельян
Original assignee: Авдеев Олег Иринархович; Балашов Игорь Федорович; Лукин Александр Васильевич; Шагламджян Юрий Альбертович; Ярвельян Галина Александровна
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2002-03-27

Abstract

Импульсный лазерный дальномер, состоящий из импульсного твердотельного лазера, оптической визирно-приемной системы, оптической системы считывания информации о дальности, фотоприемного устройства, измерителя временных интервалов, цифрового табло и источника электропитания, отличающийся тем, что в оптической визирно-приемной системе использован единый окуляр для наблюдения цели и считывания информации о дальности, использована линзовая оборачивающая система, в качестве импульсного твердотельного лазера использован лазер на калий-гадолиниевом вольфрамате с просветляющимся затвором на основе кристаллов граната, легированных ионами хрома, а в качестве фотоприемного устройства применен p-i-n фотодиод на основе соединений АВ, первичный источник электропитания выполнен в виде отдельного узла, соединенного с прибором кабелем, и установлен вне корпуса лазерного дальномера.A pulsed laser range finder, consisting of a pulsed solid-state laser, an optical sighting and receiving system, an optical range reading system, a photodetector, a time meter, a digital display and a power supply, characterized in that a single eyepiece is used in the optical sighting and receiving system observation of the target and reading range information, a lens reversing system was used, a potassium-ha laser was used as a pulsed solid-state laser dolinium tungstate with a bleachable gate based on garnet crystals doped with chromium ions, and a p-i-n photodiode based on AB compounds was used as a photodetector, the primary power supply is made as a separate unit connected by a cable to the device and installed outside the laser rangefinder case.

Description

ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕРPULSE LASER RANGE

Изобретение относится к области лазерного приборостроения, а именно к созданию импульсных лазерных дальномеров, в частности, портативных импульсных лазерных дальномеров, предназначенных для применения в качестве носимых приборов, обеспечивающих возможность проведения измерений при работе «с рук.The invention relates to the field of laser instrumentation, and in particular to the creation of pulsed laser rangefinders, in particular, portable pulsed laser rangefinders, intended for use as wearable devices, providing the ability to carry out measurements when working with hands.

Известны импульсные лазерные дальномеры, изготавливаемые в виде бинокля («дальномеры-бинокли), используемые в качестве портативных приборов для определения дальности до объектов в военной технике, в строительстве, для навигации и др.Known pulsed laser rangefinders, made in the form of binoculars ("rangefinders-binoculars), used as portable devices for determining the distance to objects in military equipment, in construction, for navigation, etc.

Такие дальномеры производятся во многих странах, например AN/GVS-5 в США, LP-7 в Норвегии, ЛДИ-3-1М в России и ряд других в Израиле, Японии и т.д.Such rangefinders are manufactured in many countries, for example, AN / GVS-5 in the USA, LP-7 in Norway, LDI-3-1M in Russia and a number of others in Israel, Japan, etc.

Эти дальномеры предназначены для работы «с рук, для чего изготавливаются в виде бинокля, хотя в них используется монокулярная визирная система, а второй окуляр является, по существу «слепым - в него только вводится информация о дальности в цифровой форме. В оптической схеме этих дальномеров применяют призменную оборачивающую систему и спектральное светоделение. В качестве излучателя используется миниатюрный твердотельный лазер с модулированной добротностью, для приема сигнала используется высокочувствительный фотодиод. В качестве первичного источника энергопитания применяют аккумуляторную батарею, встроенную в корпус прибора.These rangefinders are designed to work “with hands, for which they are made in the form of binoculars, although they use a monocular sighting system, and the second eyepiece is essentially“ blind — it only introduces range information in digital form. In the optical design of these rangefinders, a prism wrapping system and spectral beam splitting are used. A miniature Q-switched solid-state laser is used as an emitter; a highly sensitive photodiode is used to receive a signal. As the primary source of energy supply, a rechargeable battery is used, which is built into the device body.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является лазерный дальномер ЛДИ-3-1М, выпускаемый отечественной промышленностью.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a laser rangefinder LDI-3-1M, manufactured by domestic industry.

Структурная схема прибора ЛДИ-3-1М с учетом вышеприведенных особенностей представлена на фиг.1 {элементы структуры, несущественные для описания изобретения опущены).The structural diagram of the device LDI-3-1M, taking into account the above features, is presented in figure 1 {structural elements that are not essential for the description of the invention are omitted).

Визирно-приемная оптическая система содержит объектив (1), окуляр (2) и призменную оборачивающую систему (3), в которой предусмотрены элементы, обеспечивающие спектральное разделение визуального излучения, поступающего в окуляр (2), и принимаемого лазерного сигнала, отраженного от объекта измерения и поступающего на ФПУ (4). Для обеспечения лавинного режима работы фотоприемника используется стабилизатор напряжения лавинного смещения. Сигнал с ФПУ (4) поступает в измеритель временных интерваловThe visor-receiving optical system contains a lens (1), an eyepiece (2) and a prism wrapping system (3), in which elements are provided that provide spectral separation of the visual radiation entering the eyepiece (2) and the received laser signal reflected from the measurement object and entering FPU (4). To ensure the avalanche mode of operation of the photodetector, an avalanche bias voltage stabilizer is used. The signal from the FPU (4) enters the time interval meter

(ИВИ) (6) и выработанная ИВИ дальность высвечивается на цифровом табло (7). Для считывания информации о дальности используется окуляр (8).(IVI) (6) and the range developed by IVI is displayed on a digital display (7). An eyepiece (8) is used to read range information.

Лазер состоит из излучателя (9), передающей оптической системы (10), блока накачки (11) и блока управления элентрооптическим затвором (12).The laser consists of an emitter (9), a transmitting optical system (10), a pump unit (11), and an electro-optical shutter control unit (12).

Применение конструкции дальномера в виде бинокля ведет к необходимости использования дополнительного окуляра, который не обеспечивает задачу визуального наблюдения объектов, а только выполняет вспомогательную функцию, увеличивая массу и габариты прибора.The use of a binocular rangefinder design leads to the need to use an additional eyepiece, which does not provide the task of visual observation of objects, but only performs an auxiliary function, increasing the weight and dimensions of the device.

Применение призменной оборачивающей системы в визирном канале ведет к увеличению поперечных размеров визирно-приемной оптической системы и усложняет конфигурацию этого узла, затрудняя компоновку электронных узлов прибора, вызывая необходимость разделения электронных узлов на конструктивные части, не имеющие самостоятельной функциональной нагрузки. Это ведет к появлению дополнительных внутренних электрических связей и крепежных элементов, и, соответственно, вызывает увеличение габаритов и массы прибора в целом.The use of a prism wrapping system in the sighting channel leads to an increase in the transverse dimensions of the sighting and receiving optical system and complicates the configuration of this assembly, complicating the layout of the electronic components of the device, necessitating the separation of electronic components into structural parts that do not have an independent functional load. This leads to the appearance of additional internal electrical connections and fasteners, and, accordingly, causes an increase in the dimensions and mass of the device as a whole.

В дальномере ЛДИ-3-1М использован лазер на ортоалюминате иттрия (ИАЛ) с модуляцией добротности электрооптическим затвором. Применение ИАЛ обеспечивает возможность стабильной работы лазера только при величинах энергии накачки более 5 Дж, что обусловлено относительно высоким значением пороговой энергии накачки (несколько Джоулей).In the range finder LDI-3-1M, a yttrium orthoaluminate laser (IAL) with Q-switching using an electro-optical shutter was used. The use of IAL provides the possibility of stable laser operation only at pump energies of more than 5 J, which is due to the relatively high threshold pump energy (several Joules).

Использование для модуляции добротности лазера электрооптического затвора требует применения вьюоковольтного электронного узла управления затвором. Соответственно возникает необходимость принятия специальных конструктивных мер, обеспечивающих электроизоляцию, а также защиту электронных схем дальномера от сильной электромагнитной помехи, возникающей при быстром (за несколько наносекунд) изменения высоковольтного напряжения на затворе. Все это ведет к увеличению массы и габаритов аппаратуры лазера и прибора в целом.The use of an electro-optical shutter to modulate the quality factor of a laser requires the use of a view-voltage electronic gate control unit. Accordingly, it becomes necessary to take special constructive measures to ensure electrical insulation, as well as to protect the electronic rangefinder circuits from strong electromagnetic interference arising from the rapid (in a few nanoseconds) changes in the high-voltage gate voltage. All this leads to an increase in the mass and dimensions of the laser equipment and the device as a whole.

Для обеспечения высокой чувствительности фотоприемного устройства (ФПУ) прибора ЛДИ-3-1М используется германиевый фотодиод, работающий в лавинном режиме. Устойчивое поддержание лавинного режима требует высокостабильного напряжения электропитания фотоприемника (с точностью до долей процента), что ведет к необходимости применения дополнительных схем стабилизации напряжения питания и к соответствующему увеличению массы и габаритов прибора.To ensure high sensitivity of the photodetector (FPU) of the LDI-3-1M device, a germanium photodiode operating in avalanche mode is used. Sustainable maintenance of the avalanche mode requires a highly stable voltage of the photodetector power supply (with an accuracy of a fraction of a percent), which leads to the need for additional stabilization schemes for the supply voltage and to a corresponding increase in the mass and dimensions of the device.

Для обеспечения электропитания схем дальномера в него встроена аккумуляторная батарея. Применение аккумуляторов требует периодической их зарядки, для чего в комплект прибора введено зарядное устройство. В случае отрицательных температур окружающей среды емкость аккумуляторов снижается, что ведет к необходимости применения аккумулятора с запасом энергоемкости, а следовательно с повышенной массой.To provide power to the rangefinder circuits, a battery is built into it. The use of batteries requires periodic charging, for which a charger is included in the kit. In the case of negative ambient temperatures, the battery capacity decreases, which leads to the need to use a battery with a reserve of energy intensity, and therefore with increased weight.

Задача, решаемая настоящим изобретением состоит в создании импульсного лазерного дальномера со значительным уменьшением массы и габаритов и удобства применения.The problem solved by the present invention is to create a pulsed laser rangefinder with a significant reduction in weight and dimensions and ease of use.

Задача решается за счет применения комплекса конструктивных решений.The problem is solved through the use of a range of design solutions.

В дальномере используется линзовая оборачивающая система взамен призменной. В этом случае уменьшается поперечный размер визуальноприемной оптической системы и убираются боковые выступы, затрудняющие компоновку прибора в целом.The rangefinder uses a lens wraparound system instead of a prismatic one. In this case, the transverse size of the visual receiving optical system is reduced and the side protrusions are removed, which impede the layout of the device as a whole.

Цифровое табло устанавливают в поле зрения основного окуляра, сместив его на край поля зрения, чтобы не затруднять наблюдение объектов. Таким образом, устраняется один из оптических узлов и устройств его крепления и регулировки - дополнительный окуляр для снятия отсчета.A digital board is installed in the field of view of the main eyepiece, moving it to the edge of the field of view so as not to impede the observation of objects. Thus, one of the optical nodes and devices of its fastening and adjustment is eliminated - an additional eyepiece for taking the count.

Предлагается использовать в дальномере лазер на калий-гадолиниевом вольфрамате (КГВ) с модуляцией добротности твердотельным просветляющимся затвором на основе кристаллов граната, легированных ионами Сг. Применение КГВ позволяет снизить энергию накачки лазера до величины менее 5 Дж при тех же, что и для НАЛ характеристиках излучения. Просветляющийся затвор не требует применения системы управления затвором (затвор включает резонатор лазера автоматически при достижении определенной величины энергии накачки), снимает проблемы вьюоковольтной электроизоляции и защиты от импульсной помехи, о которых упоминалось по отношению к электрооптическому затвору. В результате удается существенно снизить габариты и массу аппаратуры лазера, уменьшить его энергопотребление, что также обеспечивает снижение массы и габаритов электронных узлов.It is proposed to use a potassium-gadolinium tungstate (KGV) laser with a Q-switch with a solid-state antireflective gate based on garnet crystals doped with Cr ions. The use of the SHW allows one to reduce the laser pump energy to less than 5 J at the same radiation characteristics as for NAL. An illuminated shutter does not require the use of a shutter control system (the shutter turns on the laser resonator automatically when a certain pump energy is reached), removes the problems of voltage-voltage insulation and protection against impulse noise, which were mentioned with respect to the electro-optical shutter. As a result, it is possible to significantly reduce the dimensions and weight of the laser equipment, to reduce its energy consumption, which also provides a reduction in the mass and dimensions of electronic components.

В качестве фотоприемника предлагается использовать p-i-n фотодиод на основе гетероструктур арсенида галлия АзБб, который позволяет обеспечивать чувствительность ФПУ не хуже, чем у ФПУ на основе германиевого лавинного фотодиода в лавинном режиме, но не требует высокой точности стабилизации напряжения электропитанияAs a photodetector, it is proposed to use a p-i-n photodiode based on AzBb gallium arsenide heterostructures, which makes it possible to provide FPU sensitivity no worse than FPU based on a germanium avalanche photodiode in avalanche mode, but does not require high accuracy of voltage stabilization

Наконец, прелагается вынести первичный источник электропитания из состава прибора, конструктивно исполнив его питания в виде отдельного узла, соединенного с прибором электрическим кабелем. Такое техническое решение позволяет использовать как аккумуляторные батареи, так и другие источники, например, обычные батарейки, используемые в широком потреблении, оперативно заменять источник питания на запасной, использовать в зависимости от задач, решаемых с использованием дальномера источники питания различной емкости. Кроме того, размещая источник питания в карманах обмундирования оператора можно избежать его сильного охлаждения и потери емкости, а, следовательно исключить необходимость чрезмерного увеличения массы.Finally, it is proposed to remove the primary power source from the composition of the device by constructively performing its power supply in the form of a separate unit connected to the device by an electric cable. This technical solution allows you to use both rechargeable batteries and other sources, for example, ordinary batteries used in wide consumption, to quickly replace a power source with a spare one, and to use power sources of various capacities depending on the tasks solved using the range finder. In addition, by placing the power source in the pockets of the operator’s uniform, it is possible to avoid strong cooling and loss of capacity, and therefore eliminate the need for excessive weight gain.

На фиг.2 приведена наглядная схема состава лазерного дальномера с использованием предложенных выше технических решений.Figure 2 shows a visual diagram of the composition of the laser rangefinder using the above technical solutions.

Структурная схема состава лазерного дальномера приведена на фиг.2. где узлы (1 и 2) являются объективом и окуляром визирно-приемного канала соответственно, линзовая оборачивающая система (3), фотоприемное устройство (4) (ФПУ), осуществляющее регистрацию сигнала, отраженного от объекта. Сигнал с ФПУ поступает в измеритель временных интервалов (ИВИ) (6).The structural diagram of the composition of the laser rangefinder is shown in figure 2. where the nodes (1 and 2) are the lens and eyepiece of the sighting and receiving channel, respectively, the lens wrapping system (3), the photodetector (4) (FPU), which records the signal reflected from the object. The signal from the FPU enters the time interval meter (IVI) (6).

Выработанная ИВИ информация о дальности выводится на цифровое табло, которое введено в поле зрения визирного канала.The range information developed by the IVI is displayed on a digital display, which is entered into the field of view of the sighting channel.

Лазер состоит из излучателя (9), передающей оптической системы (10) и блока накачки (11), 13 - источники питания узлов лазерного дальномера.The laser consists of an emitter (9), a transmitting optical system (10) and a pump unit (11), 13 - power sources of the laser rangefinder nodes.

Таким образом разработанный прибор отличается от известного тем, что используется призменно- оборачивающая система в качестве узла спектрального разделения визуального излучения, цифровое табло установлено в поле зрения визирного канала, в дальномере использован лазер на калийгадолиниевом вольфрамате (КГБ) с модуляцией добротности твердотельным просветляющимся затвором на основе кристаллов граната, легированных ионами Сг. В качестве фотоприемника используют p-i-n фотодиод на основе гетероструктур арсенида галлия АзБб. Первичный источник электропитания выполнен в виде отдельного узла,соединенного с прибором электрическим кабелем.Thus, the developed device differs from the well-known one in that it uses a prism-wrapping system as a node for spectral separation of visual radiation, a digital board is installed in the field of view of the target channel, a rangefinder uses a potassium gadolinium tungstate (KGB) laser with Q-switching with a solid-state antireflective gate based on crystals of garnet doped with Cr ions. A p-i-n photodiode based on heterostructures of gallium arsenide AzBb is used as a photodetector. The primary power source is made in the form of a separate unit connected to the device by an electric cable.

В соответствии со схемой на фиг.2 был разработан, изготовлен и испытан опытный образец импульсного лазерного дальномера с массой менее 500 г, что в 2,5 раза меньше массы ЛДИ-3-1М (1,3 кг). Фотография образца представлена на фиг.З, где а - внешний вид образца, б - вид образца со снятой крышкой. Габариты образца составили 50x80x150 мм, что значительно меньше габаритов ЛДИ-3-1М, 75x145x155 мм.In accordance with the scheme in figure 2, a prototype of a pulsed laser range finder with a mass of less than 500 g, which is 2.5 times less than the mass of LDI-3-1M (1.3 kg), was developed, manufactured and tested. A photograph of the sample is shown in FIG. 3, where a is the appearance of the sample, b is the view of the sample with the cover removed. The dimensions of the sample were 50x80x150 mm, which is significantly smaller than the dimensions of LDI-3-1M, 75x145x155 mm.

Прибор работает следующим образом.The device operates as follows.

Подсоединить прибор посредством кабеля к блоку питания.Connect the device via cable to the power supply.

Включение прибора осуществляется открыванием защитной крышки изделия вверх до упора. При этом осуществляется подача питания на все блоки изделия и через 3 с прибор готов к работе (начинает мигать индикатор готовности).The device is turned on by opening the protective cover of the product up to the stop. At the same time, power is supplied to all units of the product and after 3 seconds the device is ready for operation (the ready indicator flashes).

При необходимости использования прибора для поиска цели необходимо частично опустить защитную крышку изделия примерно на 20°. При этом происходит отключение питания и индикатор готовности гаснет.If you need to use the device to search for a target, partially lower the protective cover of the product by about 20 °. In this case, the power turns off and the ready indicator goes off.

При обнаружении цели защитную крышку необходимо вернуть вверх до упора.If a target is detected, the protective cover must be returned up to the stop.

При совмещении перекрестия сетки визира с целью нажать кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ, присоединенную к изделию посредством кабеля и установленную на верхней крышке.When combining the crosshairs of the reticle with the aim to press the button "MEASUREMENT, connected to the product by cable and mounted on the top cover.

Оптическая визирно-приемная система обеспечивает наблюдение, наведение дальномера на цель и сбор отраженного от цели лазерного излучения с направлением его на фотоприемное устройство (4).Фотоприемное устройство (4) преобразует лазерный сигнал в электрический. Сигнал с фотоприемного устройства поступает в измеритель временных интервалов (6). На цифровом табло (7), которое введено в поле зрения визирного канала, вьювечивается информация о дальности объе1сга.The optical sighting and receiving system provides observation, pointing the range finder at the target and collecting the laser radiation reflected from the target with its direction to the photodetector (4). The photodetector (4) converts the laser signal into an electric one. The signal from the photodetector arrives at the time interval meter (6). On the digital display (7), which is entered into the field of view of the sighting channel, information is displayed on the range.

Считать информацию о дальности до ближайшей цели можно на цифровом табло (7) цифроиндикатора наблюдаемого в поле зрения визирного канала, в нижней его части. Время свечения цифроиндикатора 2 с.Information on the range to the nearest target can be read on the digital display (7) of the digital indicator of the sighting channel observed in the field of view, in its lower part. The digital indicator glow time is 2 s.

Изделие имеет возможность измерять дальность до трех целей, расположенных в створе луча лазера. Информация о всех трех целях запоминается в блоке обработки информации.The product has the ability to measure the range of up to three targets located in the alignment of the laser beam. Information about all three goals is stored in the information processing unit.

При необходимости получения информации о двух других целях, до которых измерена дальность необходимо нажать кнопку «ВЫБОР ЦЕЛИ, расположенную справа от окуляра, до второй цели надо нажать кнопку 1 раз до третьей цели - 2 раза.If it is necessary to obtain information about two other targets, to which the range has been measured, you must press the button “GOAL SELECTION, located to the right of the eyepiece, to the second target, press the button 1 time to the third target - 2 times.

По окончании измерения крышку опустить на 20° пока не погаснет индикатор готовности, после этого можно производить наблюдение и поиск целей.At the end of the measurement, lower the lid by 20 ° until the ready indicator goes out, then you can observe and search for targets.

По окончании работы с изделием закрыть крышку и отсоединить блок питания.When finished with the product, close the lid and disconnect the power supply.

Замена батарей блока питания.Replacing the batteries of the power supply.

Для смены батарей необходимо отщелкнуть крышку донышка блока питания, вынуть кассеты, заменить негодные батареи новыми, уложив их в кассеты в соответствии с индексами + и -, отштампованными в кассете.To change the batteries, it is necessary to unscrew the bottom cover of the power supply, remove the cassettes, replace unusable batteries with new ones, put them in the cassettes in accordance with the + and - indices stamped in the cassette.

Вставить кассеты в блок питания в соответствии с расположением контактов в кассетах и в блоке, (при другом расположении кассет батареи подключены не будут), защелкнуть крышку на фиксатор.Insert the cassettes into the power supply unit in accordance with the location of the contacts in the cassettes and in the unit, (otherwise the batteries will not be connected to the cassettes), snap the cover onto the latch.

Основной технико-экономический эффект, состоящий в снижении массы и габаритов и в создании прибора, который может переносится в кармане обмундирования оператора, определяется совокупностью технических решений, предложенных в настоящей заявке.The main technical and economic effect, consisting in reducing the weight and dimensions and in creating a device that can be carried in the pocket of the operator’s uniform, is determined by the totality of the technical solutions proposed in this application.

Дополнительно к снижению массы и габаритов прибора следует отметить также экономический эффект состоящий в существенном снижении стоимости прибора за счет применения лазера на КГВ, который существенно дешевле МАЛ, исключением дорогостоящего электрооптического затвора, исключения дорогостоящих аккумуляторов и упрощения конструкции и технологии изготовпения прибораIn addition to reducing the weight and dimensions of the device, it should also be noted the economic effect consisting in a significant reduction in the cost of the device due to the use of a laser on the KGV, which is much cheaper than MAL, excluding the expensive electro-optical shutter, eliminating expensive batteries and simplifying the design and manufacturing technology of the device

Claims

A pulsed laser range finder, consisting of a pulsed solid-state laser, an optical sighting and receiving system, an optical range reading system, a photodetector, a time meter, a digital display and a power supply, characterized in that a single eyepiece is used in the optical sighting and receiving system observation of the target and reading range information, a lens reversing system was used, a potassium-ha laser was used as a pulsed solid-state laser dolinium tungstate with a bleachable gate based on garnet crystals doped with chromium ions, and a pin photodiode based on A ₃ B ₅ compounds was used as a photodetector, the primary power source is made as a separate unit connected by a cable to the device and installed outside the laser rangefinder housing .