RU2352903C1 - Method of laser probing of remote object - Google Patents

Method of laser probing of remote object Download PDF

Info

Publication number
RU2352903C1
RU2352903C1 RU2007122010/28A RU2007122010A RU2352903C1 RU 2352903 C1 RU2352903 C1 RU 2352903C1 RU 2007122010/28 A RU2007122010/28 A RU 2007122010/28A RU 2007122010 A RU2007122010 A RU 2007122010A RU 2352903 C1 RU2352903 C1 RU 2352903C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
moment
time
sending
time interval
Prior art date
Application number
RU2007122010/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007122010A (en
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер (RU)
Валерий Григорьевич Вильнер
Ирина Вольфовна Вильнер (RU)
Ирина Вольфовна Вильнер
Владимир Георгиевич Волобуев (RU)
Владимир Георгиевич Волобуев
Владимир Иванович Дубинин (RU)
Владимир Иванович Дубинин
Константин Витальевич Значко (RU)
Константин Витальевич Значко
Евгений Леонидович Рудь (RU)
Евгений Леонидович Рудь
Борис Кириллович Рябокуль (RU)
Борис Кириллович Рябокуль
Original Assignee
Валерий Григорьевич Вильнер
Ирина Вольфовна Вильнер
Владимир Георгиевич Волобуев
Владимир Иванович Дубинин
Константин Витальевич Значко
Евгений Леонидович Рудь
Борис Кириллович Рябокуль
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Григорьевич Вильнер, Ирина Вольфовна Вильнер, Владимир Георгиевич Волобуев, Владимир Иванович Дубинин, Константин Витальевич Значко, Евгений Леонидович Рудь, Борис Кириллович Рябокуль filed Critical Валерий Григорьевич Вильнер
Priority to RU2007122010/28A priority Critical patent/RU2352903C1/en
Publication of RU2007122010A publication Critical patent/RU2007122010A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2352903C1 publication Critical patent/RU2352903C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics, measurement.
SUBSTANCE: method of remote object laser probing that includes sending of laser pulse to object with the help of laser in mode of modulated quality factor, registration of sending moment T1, reception of radiation reflected by remote object, registration of reception moment T2 and determination of time interval T=T2-T1, which is used to identify remoteness of object, which differs by the fact that after moment T2 the second laser pulse is sent to object, moment of its sending T3 is registered, time interval T'=T-ΔT is formed and, starting from the moment of time T4=T3+T', form of received signal is registered for the time ts=2r/c+ΔT, where r is maximum possible length of object along probing route; c is light velocity; ΔT=2Δr/c; Δr is length of route section in front of object that is subject to analysis.
EFFECT: provision of simultaneous, maximum accurate definition of spatial structure of probed object and distance to it at minimum volume of equipment.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.The invention relates to laser technology, namely to laser ranging.

Известны способы лазерного зондирования удаленных объектов для получения информации об их дальности и других характеристиках. Известен способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [1]. Этот способ позволяет, в частности, определять высоту летательного аппарата над подстилающей поверхностью, а при достаточно высокой частоте зондирований - снимать профиль подстилающей поверхности. Данный способ реализуется, например, лазерным высотомером-дальномером ДЛ-1 с помощью полупроводникового импульсного лазера [2]. Указанный прибор предназначен для измерения расстояния до естественных объектов и определения профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и разрешающей способностью. Однако низкая мощность полупроводникового лазера не позволяет обеспечить дальность действия более 1000 м.Known methods of laser sensing of remote objects to obtain information about their range and other characteristics. A known method of laser sensing of a remote object, including sending a laser pulse to the object, recording the moment of sending T1, receiving the radiation reflected by the remote object, registering the moment of receiving T2 and determining the time interval T = T2-T1 by which the distance to the object is judged [1]. This method allows, in particular, to determine the height of the aircraft above the underlying surface, and at a sufficiently high sounding frequency, to remove the profile of the underlying surface. This method is implemented, for example, by a laser altimeter-range finder DL-1 using a semiconductor pulsed laser [2]. The specified device is designed to measure the distance to natural objects and determine the profile of the underlying surface with high accuracy and resolution. However, the low power of the semiconductor laser does not allow a range of more than 1000 m.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [3]. Дальность лазерного зондирования при этом может достигать 20000 м и более.The closest in technical essence to the proposed method is a method of laser sensing of a distant object, including sending a laser pulse to the object using a laser in a Q-switched mode, recording the moment of sending T1, receiving the radiation reflected by the remote object, registering the moment of receiving T2 and determining the time interval T = T2-T1, by which they judge the range to the object [3]. The range of laser sensing in this case can reach 20,000 m or more.

Недостатком указанного способа является его практическая непригодность для регистрации формы отраженного объектом сигнала, которая может нести важную информацию о протяженности объекта вдоль трассы зондирования (так, при съемке профиля подстилающей поверхности форма отраженного сигнала характеризует высоту растительности). Этот недостаток вызывается двумя причинами. Первая из них - необходимость регистрации структуры принимаемого сигнала практически на протяжении всей трассы зондирования от прибора до зондируемого объекта или, в лучшем случае, на ограниченном отрезке трассы, на котором по априорным данным находится объект. Эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров, что требует большого объема памяти при регистрации сигнала. Вторая причина - необходимость осуществлять одновременное измерение дальности и регистрации формы сигнала. В этом случае электрические наводки, неизбежные в процессе измерения дальности, искажают принимаемый сигнал и не позволяют регистрировать его форму с достаточной точностью.The disadvantage of this method is its practical unsuitability for recording the shape of the signal reflected by the object, which can carry important information about the length of the object along the sensing path (for example, when taking a profile of the underlying surface, the shape of the reflected signal characterizes the height of the vegetation). This disadvantage is caused by two reasons. The first of them is the need to register the structure of the received signal practically throughout the entire sensing path from the instrument to the sensed object or, at best, on a limited segment of the path on which the object is located according to a priori data. This value can reach several tens and hundreds of meters, which requires a large amount of memory when registering a signal. The second reason is the need to simultaneously measure the range and record the waveform. In this case, electrical interference, inevitable in the process of measuring range, distort the received signal and do not allow recording its shape with sufficient accuracy.

Задачей изобретения является одновременное определение с максимальной точностью пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры.The objective of the invention is the simultaneous determination with maximum accuracy of the spatial structure of the probed object and the distance to it with a minimum amount of equipment.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе лазерного зондирования удаленного объекта, включающем посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-ΔТ и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени ts=2r/c+ΔТ, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; ΔТ=2Δr/с; Δr - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.This problem is solved due to the fact that in the known method of laser sensing of a distant object, which includes sending a laser pulse to the object using a laser in a modulated Q-factor, recording the moment of sending T1, receiving the radiation reflected by the remote object, registering the moment of receiving T2 and determining the time interval T = T2-T1, by which the distance to the object is judged, after the moment T2, a second laser pulse is sent to the object, the moment of its sending T3 is recorded, the time interval T '= T-ΔT is formed and, begin from time T4 = T3 + T ', the shape of the received signal is recorded over time t s = 2r / c + ΔТ, where r is the maximum possible length of the object along the sensing path; c is the speed of light; ΔT = 2Δr / s; Δr is the length of the segment of the track in front of the object to be analyzed.

Для регистрации формы принимаемого сигнала в течение времени ts можно регистрировать выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки δt<2δr/с, где δr - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.To register the shape of the received signal over time t s, it is possible to register sample values of the received signal with a sampling period of δt <2δr / s, where δr is the minimum resolvable element of the probed object.

Для формирования первого и второго лазерных зондирующих импульсов можно подавать на лазер избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включать добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Тизл=Т3-Т1.To form the first and second laser probe pulses, it is possible to apply excess pump energy to the laser, which makes it possible to emit two laser pulses in one pump cycle, and switch the Q factor twice during one pump cycle with the interval T rad = T3-T1.

При использовании лазера с пассивной модуляцией добротности накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Тизл=2Rмакс/2, где Rмакс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей.When using a laser with passive Q-switching, the pumping is carried out with such intensity that, after spontaneous emission of the first laser pulse, further laser activation, sufficient for its repeated operation, lasts at least time T rad = 2R max / 2, where R max is the upper value of the range of measured ranges.

На чертеже представлена временная диаграмма процесса зондирования.The drawing shows a timing diagram of the sensing process.

В направлении объекта посылают первый лазерный зондирующий импульс 1, принимают первый отраженный объектом импульс 2, затем посылают второй зондирующий импульс 3 и принимают второй отраженный импульс 4. При превышении первым 1 и вторым 3 зондирующими импульсами порога 5 формируют соответственно первый 6 и второй 7 стартовые сигналы. При превышении первым отраженным импульсом 2 порога 8 формируют стоповый импульс 9. Регистрируют моменты формирования первого и второго стартовых сигналов Т1 и Т3 и момент формирования первого стопового сигнала Т2. Определяют интервал времени Т между моментами Т1 и Т2. Затем, начиная с момента Т3, формируют временной интервал Т' и по его окончании в момент времени Т4 регистрируют отрезок 10 реализации принятого сигнала длительностью ts. Например, при определении структуры нижней границы облаков глубина подлежащей регистрации облачной структуры r=50 м, а протяженность подоблачного слоя, влияющего на результаты анализа, Δr=20 м. Тогда ΔТ=2Δr/с=133 нс, а величина исследуемого интервала ts=2r/c+ΔТ=467 нс.In the direction of the object, the first laser probe pulse 1 is sent, the first pulse 2 reflected by the object is received, then the second probe pulse 3 is sent and the second reflected pulse 4 is received. When the first 1 and second 3 probe pulses exceed threshold 5, the first 6 and second 7 start signals are generated . If the first reflected pulse 2 exceeds threshold 8, a stop pulse 9 is formed. The moments of formation of the first and second start signals T1 and T3 and the moment of formation of the first stop signal T2 are recorded. The time interval T between the moments T1 and T2 is determined. Then, starting from the moment T3, the time interval T 'is formed and, at the end of it, at the time point T4, a segment 10 of the implementation of the received signal of duration t s is recorded. For example, when determining the structure of the lower boundary of the clouds, the depth of the cloud structure to be registered is r = 50 m, and the length of the subcloud layer affecting the analysis results is Δr = 20 m. Then ΔТ = 2Δr / s = 133 ns, and the size of the studied interval t s = 2r / s + ΔТ = 467 ns.

Сигнал на временном отрезке ts можно представить последовательностью выборок с аналого-цифровым преобразованием каждой выборки. Например, при дискретности 10 нс для приведенного примера с величиной ts=467 нс объем полученного массива данных составляет 47 выборок.The signal at the time interval t s can be represented by a sequence of samples with analog-to-digital conversion of each sample. For example, with a resolution of 10 ns for the given example with t s = 467 ns, the volume of the obtained data array is 47 samples.

При реализации способа с помощью твердотельного импульсного лазера с модулированной добротностью возможно излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки лазера. Для этого подают на лазерный излучатель энергию накачки, достаточную для излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и дважды включают добротность с интервалом Тизл=Т3-Т1. При использовании управляемых затворов (например, электрооптического затвора) управляющий сигнал на открывание затвора подают дважды с интервалом Tизл.When implementing the method using a solid-state pulsed Q-switched laser, two probing pulses can be emitted in one laser pump cycle. To do this, pump energy sufficient to emit two laser pulses per pump cycle is supplied to the laser emitter, and the Q factor is switched on twice with the interval T rad = T3-T1. When using the controlled valves (e.g., electro-optic shutter) a control signal for opening a gate is supplied twice at an interval T rad.

Возможно также излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки при использовании лазера с фототропным затвором. Для этого накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Тизл=2Rмакс/с, где Rмакс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей, а с - скорость света.It is also possible that two probe pulses are emitted in a single pump cycle using a laser with a phototropic shutter. To do this, the pumping is carried out with such intensity that, after spontaneous emission of the first laser pulse, further activation of the laser, sufficient for its repeated operation, lasts at least time T rad = 2R max / s, where R max is the upper value of the range of measured ranges, and with - speed of light.

Данный способ позволяет максимально сократить длительность регистрируемой реализации принимаемого сигнала за счет синхронизации начала процесса регистрации с началом сигнала. Способ позволяет также начинать регистрацию сигнала с некоторым опережением ΔТ, необходимым, если представляет интерес характер возникновения и нарастания сигнала. Поскольку при повторном зондировании пороговая обработка принимаемого сигнала может не проводиться, процесс регистрации сигнала не сопровождается помехами, возникающими при пороговой обработке и формировании стопового импульса. Это повышает качество регистрации сигнала. Благодаря минимизации интервала дискретизации и точной его привязке к регистрируемому сигналу предельно упрощается регистрирующая аппаратура и необходимый объем памяти.This method allows you to minimize the duration of the recorded implementation of the received signal due to synchronization of the beginning of the registration process with the beginning of the signal. The method also allows you to start recording the signal with a certain advance ΔТ, necessary if the nature of the occurrence and increase of the signal is of interest. Since during repeated sensing the threshold processing of the received signal may not be carried out, the signal registration process is not accompanied by interference that occurs during threshold processing and the formation of a stop pulse. This improves the quality of signal recording. Due to the minimization of the sampling interval and its exact binding to the registered signal, the recording equipment and the required memory size are extremely simplified.

Использование для зондирования импульсного лазера с модулированной добротностью позволяет предельно сократить интервал между первым и вторым зондированиями, что повышает достоверность регистрации данных. Так при зондировании лесного массива с летательного аппарата при максимальной высоте полета Rмакс=3000 м интервал между излучениями может составлять Тизл=20 мкс. При скорости летательного аппарата 200 км/ч за это время он переместится на 1 мм, то есть результаты измерения дальности до объекта и регистрации его профиля получаются практически из одной точки. При одноимпульсном зондировании это было бы невозможно.The use of a Q-switched pulsed laser for probing makes it possible to extremely shorten the interval between the first and second soundings, which increases the reliability of data recording. So when probing a forest from an aircraft at a maximum flight height of R max = 3000 m, the interval between emissions can be T rad = 20 μs. At an aircraft speed of 200 km / h during this time, it will move by 1 mm, that is, the results of measuring the distance to the object and recording its profile are obtained from almost one point. With single-pulse sounding, this would be impossible.

Предлагаемый способ лазерного зондирования удаленного объекта обеспечивает одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры и максимальной точности.The proposed method of laser sensing of a remote object provides a simultaneous determination of the spatial structure of the probed object and its distance with a minimum amount of equipment and maximum accuracy.

Источники информацииInformation sources

1. В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», М., 1973 г., с.189.1. V.A. Smirnov "Introduction to Optical Electronics". Ed. "Soviet Radio", M., 1973, p. 189.

2. "Техномир" №1 (31), 2009 г., с.48.2. "Technomir" No. 1 (31), 2009, p. 48.

3. В.А. Волохатюк, В.М. Кочетков, P.P. Красовский "Вопросы оптической локации" Изд. "Советское радио", М., 1971 г., с.177, 196 - прототип.3. V.A. Volokhatyuk, V.M. Kochetkov, P.P. Krasovsky "Issues of optical location" Ed. "Soviet Radio", M., 1971, p. 177, 196 - prototype.

Claims (4)

1. Способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, отличающийся тем, что после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-ΔТ и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени ts=2r/c+ΔT, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; ΔТ=2Δr/с; Δr - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.1. A method of laser sensing a remote object, including sending a laser pulse to the object using a laser in a Q-switched mode, recording the sending moment T1, receiving the radiation reflected by the remote object, registering the receiving moment T2 and determining the time interval T = T2-T1 by which about the distance to the object, characterized in that after the moment T2 a second laser pulse is sent to the object, the moment of its sending T3 is recorded, the time interval T '= T-ΔT is formed and, starting from the moment of time T4 = T3 + T', reg strike the shape of the received signal for a time t s = 2r / c + ΔT, where r is the maximum possible length of the object along the sensing path; c is the speed of light; ΔT = 2Δr / s; Δr is the length of the segment of the track in front of the object to be analyzed. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение времени ts регистрируют выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки δt<2δr/c, где δr - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.2. The method according to claim 1, characterized in that during the time t s sample values of the received signal are recorded with a sampling period of δt <2δr / c, where δr is the minimum resolved element of the probed object. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на лазер подают избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включают добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Тизл=Т3-Т1.3. The method according to claim 1, characterized in that the laser is supplied with excess pump energy, which makes it possible to emit two laser pulses in one pump cycle, and include the quality factor twice during one pump cycle with an interval of T rad = T3-T1. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что накачку лазера производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Tизл=2Rмакс/c, где Rмакс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей. 4. The method according to claim 3, characterized in that the laser is pumped with such intensity that, after spontaneous emission of the first laser pulse, the further activation of the laser, sufficient for its repeated operation, lasts at least time T rad = 2R max / s, where R max - upper value of the range of measured ranges.
RU2007122010/28A 2007-06-15 2007-06-15 Method of laser probing of remote object RU2352903C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007122010/28A RU2352903C1 (en) 2007-06-15 2007-06-15 Method of laser probing of remote object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007122010/28A RU2352903C1 (en) 2007-06-15 2007-06-15 Method of laser probing of remote object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007122010A RU2007122010A (en) 2008-12-20
RU2352903C1 true RU2352903C1 (en) 2009-04-20

Family

ID=41017869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007122010/28A RU2352903C1 (en) 2007-06-15 2007-06-15 Method of laser probing of remote object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2352903C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2469269C2 (en) * 2011-01-18 2012-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Range-finding method
RU2562150C1 (en) * 2014-06-09 2015-09-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Aircraft altitude and vertical speed measurement device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2469269C2 (en) * 2011-01-18 2012-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Range-finding method
RU2562150C1 (en) * 2014-06-09 2015-09-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Aircraft altitude and vertical speed measurement device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007122010A (en) 2008-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8207484B1 (en) Streak image sensor and method of operating
CN101034155B (en) Flight time measurement apparatus and method for increasing measurement rate
US7471376B2 (en) Method and system for fast calibration of three-dimensional (3D) sensors
US20080192228A1 (en) High-speed laser ranging system including a fiber laser
CN109597052A (en) Laser radar echo data extraction method and extraction element
CN109597057A (en) A kind of return laser beam distance measuring method and range unit
RU2014109546A (en) METHOD FOR DETERMINING THE TANK FILLING LEVEL
US10514447B2 (en) Method for propagation time calibration of a LIDAR sensor
RU2352903C1 (en) Method of laser probing of remote object
CN210129035U (en) Laser radar echo data extraction device
RU2518009C1 (en) Correlation method of improving velocity and range resolution for pulsed doppler systems with intrapulse coherent processing
RU2455615C1 (en) Method for non-coherent accumulation of optical location signals
US3973258A (en) Transient event data acquisition apparatus for use with radar systems and the like
RU2560011C1 (en) Laser range finder
RU2408032C2 (en) Method of probing space monitored by radar unit with phased antenna array
CN111273309B (en) Method for obtaining target distance
RU2390724C2 (en) Method for light-range finding
RU2554601C1 (en) Inclined range measurement method and device for its implementation
RU2361237C2 (en) Method of photo-location measurement of height of cloud layers and device to this end
Krichel et al. Long-range depth imaging using time-correlated single-photon counting
JP2000056014A (en) Missile measuring/evaluating device
RU2563608C1 (en) Remote object distance and speed evaluation method
RU2451904C1 (en) Range-finding method
RU2469269C2 (en) Range-finding method
RU2477833C2 (en) Method for defining speed of ammunition approaching target

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100616