RU2653558C1 - Optical device for determining distance to object - Google Patents

Optical device for determining distance to object Download PDF

Info

Publication number
RU2653558C1
RU2653558C1 RU2017119762A RU2017119762A RU2653558C1 RU 2653558 C1 RU2653558 C1 RU 2653558C1 RU 2017119762 A RU2017119762 A RU 2017119762A RU 2017119762 A RU2017119762 A RU 2017119762A RU 2653558 C1 RU2653558 C1 RU 2653558C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
signal
optical
module
Prior art date
Application number
RU2017119762A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2653558C9 (en
Inventor
Владимир Владиславович Имшенецкий
Original Assignee
Владимир Владиславович Имшенецкий
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 Владимир Владиславович Имшенецкий filed Critical Владимир Владиславович Имшенецкий
Priority to RU2017119762A priority Critical patent/RU2653558C9/en
Priority to PCT/RU2018/050028 priority patent/WO2018226124A1/en
Publication of RU2653558C1 publication Critical patent/RU2653558C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653558C9 publication Critical patent/RU2653558C9/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of measuring distances to an object by means of electromagnetic waves. Optical device for determining distances to an object includes a radiation source to a modulated binary optical signal object, a probe sequence generator, a clock generator, an optical receiver operating in a non-linear mode, a first signal accumulation unit, a calculating unit of the correlation function of the reference and received signals, the second signal accumulation unit, the demultiplexer, the threshold detection module of the signal, the distance calculation module to the detected object by the time delay of the reflected signal, module for calculating the time delay of the reflected signal. Optical device also includes a signal conditioning module at each clock cycle n corresponding to a value of 0, 1 or -1, a conjunction unit, a sync pulse generating unit at the beginning of the sounding cycle, a sounding cycle counting unit, a probe sampling and processing unit.
EFFECT: technical result consists in increasing the dynamic range of a lidar using signals modulated by pseudo-noise sequences as probing signals.
5 cl, 10 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к области измерения расстояний до объекта с помощью электромагнитных волн, а более конкретно к оптическим устройствам для определения расстояний до объекта, включающим в себя источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, генератор создания зондирующей последовательности, генератор тактового сигнала, оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме, мультиплексор, первый блок накопления сигнала, модуль вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого сигналов, второй блока накопления сигнала, демультиплексор, модуль порогового обнаружения сигнала, модуль вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, и может быть использовано, например, в навигации, в том числе беспилотных летательных аппаратов, а также в лазерной локации.This invention relates to the field of measuring distances to an object using electromagnetic waves, and more particularly to optical devices for determining distances to an object, including a radiation source to the object of a modulated binary optical signal, a probe sequence generator, a clock signal generator, an optical receiving device operating in nonlinear mode, multiplexer, first signal accumulation unit, module for calculating the cross-correlation function of the reference and yatogo signals, a second signal storage unit, a demultiplexer, a threshold signal detection module, a distance calculating module to a detectable object according to the time delay of the reflected signal, and may be used, such as in navigation, including drones, as well as laser ranging.

В данном описании используются следующие термины:The following terms are used in this description:

ЛИДАР (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар, как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Обычно в России подобные устройства называются лазерными дальномерами и лазерными локаторами.LIDAR (LIDAR transliteration. Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging) is a technology for obtaining and processing information about distant objects using active optical systems using the phenomena of light reflection and scattering in transparent and translucent media. Lidar, as a device, is at least an active optical rangefinder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders and laser locators.

ПШП, Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности - это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю они кажутся случайными. PWP, Pseudorandom (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that they seem random to an external observer.

Мультиплексирование сигналов – уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков сигналовданных по одному каналу.Signal multiplexing - channel multiplexing, i.e. transmission of several data signal streams on one channel.

Демультиплексирование сигналов – обратная операция.Signal demultiplexing is the reverse operation.

ВКФ - взаимнокорреляционная функция . Пример ВКФ:VKF is a cross-correlation function. VKF Example:

Figure 00000001
, где [0, Т] интервал интегрирования, причем длительность опорного сигнала у(t), как правило, существенно меньше T.
Figure 00000001
 , where [0, T] is the integration interval, and the duration of the reference signal y (t), as a rule, is significantly less than T.

Это математическая операция, мера подобия 2-х сигналов (опорного y(t) и принимаемого x(t)), точка максимума корреляционной функции соответствует точке минимального квадратичного отклонения между сигналами x и y. This is a mathematical operation, a measure of the similarity of 2 signals (reference y (t) and received x (t)), the maximum point of the correlation function corresponds to the point of minimum quadratic deviation between the signals x and y.

Дополнительные последовательности . Известны дополнительные последовательности, (См. Варакин Л.Е. «Системы связи с шумоподобными сигналами». - М.: Радио и связь, 1985). Additional sequences. Additional sequences are known, (See L. Varakin, “Communication Systems with Noise-Like Signals.” - M.: Radio and Communications, 1985).

Последовательности {аn} и {ãn} называются дополнительными, еслиThe sequences {a n } and {ã n } are called complementary if

Figure 00000002
при µ=0 или
Figure 00000003
 при µ=+/-1, …, +/- (N-1), где
Figure 00000002
 at µ = 0 or
Figure 00000003
 for µ = + / - 1, ..., +/- (N-1), where

Figure 00000004
;
Figure 00000005
Figure 00000004
 ;
Figure 00000005

Примером таких последовательностей являются D-коды. An example of such sequences are D codes.

Квантовая эффективность - вероятность генерации попадающим на приемное устройство фотоном свободного носителя, который достигнет области высокого поля, достаточного для ударной ионизации.Quantum efficiency is the probability of generation by a photon of a free carrier incident on the receiving device, which will reach a high-field region sufficient for impact ionization.

Оптическое излучение – в настоящем патенте под оптическим изучением понимаются электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 3000 µm до 0.25 µm. Optical radiation - in this patent, optical study refers to electromagnetic waves whose lengths are in the range with arbitrary boundaries from 3000 μm to 0.25 μm.

ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) -  является количественной мерой свойства объекта рассеивать оптическое излучение по направлению к приемному сенсору. EPR (effective scattering surface) is a quantitative measure of the property of an object to scatter optical radiation towards a receiving sensor.

ЛЧМ - линейная частотная модуляция, вид частотной модуляции при которой частота несущего сигнала изменяется линейно.LFM - linear frequency modulation, a type of frequency modulation at which the frequency of the carrier signal changes linearly.

Уровень техникиState of the art

В патенте РФ RU 2605628 «Способ и оптическое устройство для определения расстояний до объекта» приведено описание способа формирования D-кодов и их модификаций, состоящее в использовании каскадного вычислителя, состоящего из последовательно соединенных каскадов каждый из которых содержит линию задержки и два сумматора. Схема такого каскада приведена на фиг. 1. RF patent RU 2605628 “Method and optical device for determining distances to an object” describes a method for generating D codes and their modifications, which consists in using a cascade computer, consisting of cascades connected in series, each of which contains a delay line and two adders. A diagram of such a cascade is shown in FIG. one.

Последовательно соединяя такие каскады, как показано на фиг. 2 можно генерировать дополнительные последовательности, для чего на вход 2-1 и вход 2-2 первого каскада одновременно подается единичной импульс, а с выходов 2-1’ и 2-2’ последнего каскада считываются дополнительные последовательности. Connecting such cascades in series as shown in FIG. 2, additional sequences can be generated, for which a single pulse is simultaneously supplied to input 2-1 and input 2-2 of the first stage, and additional sequences are read from outputs 2-1 ’and 2-2’ of the last stage.

Каскадный вычислитель используется для согласованной фильтрации сигналов, модулированных дополнительными последовательностями полученными с выходов 2-1’ и 2-2’ последнего каскада и считанными в обратном порядке, назовем их соответственно, дополнительные последовательности «один» и «два». Эти последовательности так же являются дополнительными. Для согласованной фильтрации фильтруемый сигнал одновременно подается на вход 2-1 и вход 2-2 первого каскада. По выходу 2-1’ последнего каскада каскадный вычислитель является согласованным фильтром для сигнала, модулированного последовательностью «один», а по выходу 2-2’ соответственно последовательностью «два». Соединения каскадов могут быть, как выход 2-1’ к входу 2-1, выход 2-2’ к входу 2-2, так и в перекрестно выход 2-1’ к входу 2-2 и наоборот.  The cascade calculator is used for coordinated filtering of signals modulated by additional sequences received from the outputs 2-1 ’and 2-2’ of the last cascade and read in the reverse order; we will call them, respectively, additional sequences “one” and “two”. These sequences are also optional. For consistent filtering, the filtered signal is simultaneously fed to input 2-1 and input 2-2 of the first stage. At the output 2-1 ’of the last stage, the cascade computer is a matched filter for the signal modulated by the sequence“ one ”, and at the output 2-2’, respectively, the sequence “two”. Cascade connections can be either output 2-1 ’to input 2-1, output 2-2’ to input 2-2, or cross-output 2-1 ’to input 2-2 and vice versa.

Величина тактов задержки для линии задержки в каждом каскаде определяется, как The delay cycles for the delay line in each stage are determined as

2(F((i) -1) где i номер каскада, F(i) - произвольная функция перестановок. 2 (F ((i) -1) where i is the number of the cascade, F (i) is an arbitrary permutation function.

Например, если F(1) = 3, F(2) = 2, F(3) = 1, то в первом каскаде будет задержка на 4 такта, во втором на 2 и третьем на 1 такт.For example, if F (1) = 3, F (2) = 2, F (3) = 1, then in the first stage there will be a delay of 4 cycles, in the second by 2 and the third by 1 cycle.

Длина дополнительных последовательностей равнаThe length of additional sequences is

2N, где N - число каскадов в схеме. 2 N , where N is the number of cascades in the circuit.

Например, схема, приведенная на фиг. 2 генерирует два дополнительных кода длины 23=8. For example, the circuit shown in FIG. 2 generates two additional codes of length 2 3 = 8.

Если необходимо параллельно производить вычисления с М каналов, то число тактов задержки во всех цифровых линиях задержки, используемых в каскадном вычислителе в каждом из каскадов, должно быть увеличено в М раз. Сигналы в каскадный вычислитель при этом подаются через мультиплексор. Это позволяет упростить обработку и сократить объем используемой для вычислений памяти. If it is necessary to carry out calculations from M channels in parallel, then the number of delay clocks in all digital delay lines used in the cascade computer in each of the cascades should be increased M times. The signals in the cascade calculator are supplied through the multiplexer. This simplifies processing and reduces the amount of memory used for computing.

В патенте US 5499134, опубликован в марте 1996 г., описано лазерное устройство, генерирующее короткие лазерные импульсы (фемтосекундные). Устройство включает в себя генератор, который генерирует и выводит пучок коротких затравочных импульсов, модуль растяжения, который растягивает длительность затравочных импульсов путем их чирпирования (растягивания широкополосного импульса в дисперсионной оптической среде/системе), и усилитель, который принимает растянутые затравочные импульсы, усиливает амплитуду выбранных растянутых затравочных импульсов для создания усиленных чирпированных импульсов и выводит лазерный пучок усиленных растянутых импульсов в модуль сжатия, который сжимает их длительность (при прохождении импульса через среду с обратной дисперсией), выводит лазерный пучок усиленных коротких импульсов. Такой метод получил название – «Метод усиления чирпированных импульсов» (Сhirped pulse amplification). US Pat. No. 5,499,134, published in March 1996, describes a laser device generating short laser pulses (femtosecond). The device includes a generator that generates and outputs a beam of short seed pulses, a tensile module that stretches the duration of the seed pulses by chirping them (stretching a broadband pulse in a dispersive optical medium / system), and an amplifier that receives stretched seed pulses amplifies the amplitude of the selected stretched seed pulses to create amplified chirped pulses and outputs a laser beam of amplified stretched pulses to the compression module which compresses their duration (when a pulse passes through a medium with backward dispersion), outputs a laser beam of amplified short pulses. This method is called - “Chirped pulse amplification method”.

На данный момент модулируемые лазерные устройства, генерирующие последовательности фемтосекундных импульсов с частотой следования фемтосекундных импульсов до 200 MHz при длительности менее 20 fs (фемтосекунд) являются доступными устройствами на рынке волоконно-оптических коммуникационных систем. At the moment, modulated laser devices that generate sequences of femtosecond pulses with a repetition rate of femtosecond pulses of up to 200 MHz with a duration of less than 20 fs (femtoseconds) are available devices on the market of fiber-optic communication systems.

Пример 1. Используется лазер YLMO компании MenloSystems с длительностью импульса менее 150 fs и частотой повторения 100 MHz. За время 300 µs с использованием такого лазера можно излучить ПШП состоящую из 15000 оптических импульсов. Мощность излучения каждого единичного импульса составляет не менее 26 kW. Обработка принятой ПШП позволяет получить эффект (достичь того же соотношения сигнал/шум на выходе приемника), который бы мы получили, используя лазер генерирующий мощность в 150 fs импульсе порядка 3.2 MW. Это позволят увеличить диапазон разрешаемых дальностей (по сравнению с моноимпульсным вариантом зондирования) в 3.3 раза при ненаправленном оптическом излучении от источника, если же вся излучаемая энергия будет фокусироваться на зондируемом объекте увеличение диапазона составит 11 раз. Example 1. A MenloSystems YLMO laser with a pulse duration of less than 150 fs and a repetition rate of 100 MHz is used. Over a period of 300 μs using such a laser, it is possible to emit a PWB consisting of 15,000 optical pulses. The radiation power of each single pulse is at least 26 kW. Processing the adopted IFB allows us to obtain the effect (to achieve the same signal-to-noise ratio at the output of the receiver) that we would have obtained using a laser generating a power of 150 fs pulse of the order of 3.2 MW. This will make it possible to increase the range of resolved ranges (compared with the monopulse sensing option) by 3.3 times for non-directional optical radiation from the source, if all the radiated energy is focused on the probed object, the range will increase by 11 times.

Для целей зондирования, рефлектометрии, волоконно-оптической коммуникации, сжатие чирпированных импульсов может происходить и в приемном тракте. Близкий по сути метод широко используется в радиолокации и получил название согласованной ЛЧМ фильтрации сигнала. Отличие состоит в том, что оптический чирпированный сигнал не является когерентным.For the purposes of sounding, reflectometry, fiber-optic communication, compression of chirped pulses can occur in the receiving path. The essentially similar method is widely used in radar and is called the harmonized LFM signal filtering. The difference is that the optical chirped signal is not coherent.

Известны сенсоры регистрации оптического излучения, применяемые для регистрации единичных фотонов, работающих в нелинейном режиме. Примером такого сенсора может служить сенсор, описанный в патенте RU 2 346 357, опубликован в 2009 г. на основе тонкопленочных сверхпроводниковых структур.Known sensors for detecting optical radiation, used to register single photons operating in a nonlinear mode. An example of such a sensor is the sensor described in patent RU 2,346,357, published in 2009 on the basis of thin-film superconducting structures.

Подобного рода сенсоры характеризуются Sensors of this kind are characterized by

1) квантовой эффективностью до 80- 90%, 1) quantum efficiency up to 80-90%,

2) рабочими диапазонами длин волн регистрируемого излучения от 0.25 до 3 µm,2) the operating wavelength ranges of the detected radiation from 0.25 to 3 μm,

3) временным разрешение до 25 ps,3) time resolution up to 25 ps,

На основе подобных приемников, создаются интегральные системы регистрации, имеющие десятки каналов (пикселов). Based on such receivers, integrated registration systems are created that have dozens of channels (pixels).

В патенте США 5892575 «Method and apparatus for imaging a scene using a light detector operating in non-linear geiger-mode» опубликованном в апреле 1999 г. описано устройство, которое включает в себя источник импульсного оптического излучения, направляющий излучение на зондируемый объект, оптическую систему собирающую оптическое излучение и направляющее его на фотоприемное устройство, выполненное в виде массива сенсоров в качестве которых используются лавинные диоды, работающие в режиме счетчика Гейгера (SPAD), систему измерения времени пролета испускаемого оптического импульса до поверхности объекта и обратно до фотопиемного устройства, вычислительного устройства (процессора) и дисплея для отображения информации. Система подсчета времени фиксирует время (отсчитываемое в импульсах тактового генератора от момента начала испускания) между началом испускания оптического импульса и временем срабатывания соответствующего сенсора массива, реагирующего на одиночные фотоны. При срабатывании соответствующего сенсора к моменту времени срабатывания, отсчитываемому в импульсах тактового генератора, вычислительным устройством приурочивается соответствующая ячейка памяти, к содержимому которой (изначально нулевому) прибавляется единица. US Pat. No. 5,892,575, “Method and apparatus for imaging a scene using a light detector operating in non-linear geiger-mode” published in April 1999, describes a device that includes a pulsed optical radiation source directing radiation to a sensed object, an optical a system that collects optical radiation and directs it to a photodetector made in the form of an array of sensors, which use avalanche diodes operating in the Geiger counter mode (SPAD), a system for measuring the transit time of an emitted optical pulse up to the surface of the object and back to the photopanel device, a computing device (processor) and a display for displaying information. The time-counting system fixes the time (counted in the pulses of the clock from the moment the emission starts) between the start of the emission of the optical pulse and the response time of the corresponding array sensor that responds to single photons. When the corresponding sensor is triggered, the corresponding memory cell is confined to the content of which (initially zero) is added to the content of the pulse, which is counted in the pulses of the clock generator.

Сенсоры так же могут срабатывать от сторонних источников излучения и самопроизвольно с определенной средней частотой. Процесс испускания оптических импульсов и вероятностной регистрации/приема порожденных ими фотонов циклический. Процесс завершается при превышении значений, записанных в ячейках памяти, приуроченных к конкретным сенсорам и моментам времени некоторой пороговой величины. Расстояние до области на поверхности зондируемого объекта или цели от соответствующего ей сенсора фотоприемного устройства определяется по номеру импульса тактового генератора, отсчитываемому от начала цикла зондирования, которому соответствует/приурочена ячейка памяти с максимальным записанным в ней значением, превышающим заданный порог обнаружения. Sensors can also be triggered by third-party radiation sources and spontaneously with a certain average frequency. The process of emitting optical pulses and probabilistic registration / reception of the photons generated by them is cyclical. The process ends when the values recorded in the memory cells are confined to specific sensors and time instants of a certain threshold value. The distance to the area on the surface of the sensed object or target from the corresponding sensor of the photodetector is determined by the pulse number of the clock generator, counted from the beginning of the sensing cycle, to which the memory cell corresponds / confined with a maximum value written in it that exceeds the specified detection threshold.

В данном патенте приведен пример надежного измерения расстояния до поверхности объекта при вероятности срабатывания сенсора от отраженного сигнала, порожденного единичным зондирующим импульсом, которая составляет всего 3%. This patent provides an example of reliable measurement of the distance to the object’s surface when the probability of the sensor triggering from the reflected signal generated by a single probe pulse, which is only 3%.

Однако описанный в этом патенте метод имеет недостаток, связанный с большим временем определения дальности, связанный с тем, что время накопления сигнала кратно времени рекуррентного периода посылки зондирующих импульсов, длительность которого больше максимальной разрешаемой дальности Rmax, умноженной на 2/С. However, the method described in this patent has the disadvantage associated with a long range determination time, due to the fact that the signal accumulation time is a multiple of the time of the recurrence period for sending probe pulses, the duration of which is longer than the maximum resolved range R max times 2 / C.

Так допустим, если вероятность обнаружения отраженного сигнала, порожденного единичным излучающим импульсом (отраженным от отражающего объект), на отрезке времени То составляет 5%, то для измерения относительной отражающей способности от объекта (измеряемой в срабатываниях сенсора в секундах) со среднеквадратическим отклонением 5% необходимо произвести подсчет принятых фотонов на 8000 отрезках То σ = 0.05 = 1/(0.05⋅8000)1/2. So let's say if the probability of detecting a reflected signal generated by a single emitting pulse (reflected from a reflecting object) in the time interval T o is 5%, then for measuring the relative reflectivity of an object (measured in sensor responses in seconds) with a standard deviation of 5% it is necessary to count the received photons on 8000 segments T о σ = 0.05 = 1 / (0.05⋅8000) 1/2 .

Таким образом, время измерения возрастает до Thus, the measurement time increases to

8000⋅ТR , где ТR - рекуррентный период, который не может быть меньше чем Rmax ⋅ 2/С, где Rmax - максимальная разрешаемая дальность, а С – скорость света. 8000⋅T R, where T R is the recurrence period, which cannot be less than R max ⋅ 2 / С, where R max is the maximum permitted range, and C is the speed of light.

Так для Rmax =10 км при накоплении сигнала за 8000 рекуррентных периодов потребуется не менее 0.53 с. So for R max = 10 km, when the signal is accumulated over 8000 recurrence periods, it will take at least 0.53 s.

Данный недостаток устраняется за счет использования в качестве зондирующих сигналов оптического диапазона, модулированного ПШП. Это позволяет при той же мощности оптического источника излучения сократить время накопления соразмерно длительности ПШП, содержащей количество оптических импульсов соразмерное числу рекуррентных периодов при моноимпульсном зондировании. This disadvantage is eliminated through the use of probing signals in the optical range modulated by the FBW. This makes it possible, at the same power of the optical radiation source, to reduce the accumulation time commensurate with the duration of the FSB, which contains the number of optical pulses commensurate with the number of recurrence periods during single-pulse sounding.

В заявке на патент США 20150120241, опубликованной в апреле 2015, указано, что для приема отраженных от объекта оптических ПШП можно использовать так называемые SPAD (однофотонные лавинные диоды). In the application for US patent 20150120241, published in April 2015, it is indicated that the so-called SPAD (single-photon avalanche avalanche diodes) can be used to receive optical IFBs reflected from the object.

Однако, использование методов зондирования с использованием ПШП имеет недостатком то, что в силу ограниченности динамического диапазона приемного устройства, при приеме сигнала, представляющего собой суперпозицию двух и более оптических ПШП и шумовой составляющей сигнала, суммарная измеряемая интенсивность излучения не всегда может быть измерена корректно. However, the use of sensing methods using FWP has the disadvantage that, due to the limited dynamic range of the receiving device, when receiving a signal that is a superposition of two or more optical FWPs and the noise component of the signal, the total measured radiation intensity cannot always be measured correctly.

Так, например, в случае использования в качестве приемника излучения лавинного диода, работающего в нелинейном режиме счетчика Гейгера, существует отрезок времени между моментом образования лавины, инициированной принятым фотоном, ее гашением, а также между гашением и восстановлением (этот отрезок времени называют мертвым временем, обозначаемым как, Тd). В этот промежуток времени регистрация других дополнительных фотонов невозможна. So, for example, if an avalanche diode operating in the nonlinear mode of a Geiger counter is used as a radiation detector, there is a time interval between the moment of formation of the avalanche initiated by the received photon, its quenching, and also between the quenching and restoration (this time interval is called dead time, denoted by, T d ). During this period of time, registration of other additional photons is impossible.

Таким образом, какой бы не была интенсивность принимаемого излучения на отрезке времени не более Td можно зафиксировать не более одного фотона. К этому следует добавить, что только часть (в зависимости от типов сенсоров и длины волны) от 1-2% до 90% фотонов, попавших на поверхность лавинного фотодиода, вызывает лавинный процесс. Поэтому очевидно, что излучения с интенсивностью оптического излучения попадающие на приемную поверхность сенсора, работающего в нелинейном режиме счетчика Гейгера и измеряемые в количестве срабатываний сенсора за единицу времени, большие чем 1/Тd, измеряться не могут. Thus, no matter what the intensity of the received radiation at a time interval of at most T d , no more than one photon can be recorded. It should be added that only a part (depending on the types of sensors and wavelength) from 1-2% to 90% of the photons that hit the surface of the avalanche photodiode causes an avalanche process. Therefore, it is obvious that radiation with the intensity of optical radiation incident on the receiving surface of a sensor operating in a nonlinear mode of a Geiger counter and measured in the number of sensor operations per unit time, greater than 1 / T d , cannot be measured.

Параметр 1/Тd называется максимальной частотой счета/регистрации фотонов и определяет верхнюю границу динамического диапазона приемных устройств на основе приемников единичных фотонов. The parameter 1 / T d is called the maximum photon counting / recording frequency and determines the upper boundary of the dynamic range of the receiving devices based on single photon receivers.

Параметр, определяемый, как среднее количество ложных регистраций фотонов за единицу времени определяет соответственно нижнюю границу динамического диапазона однофотонного приемного устройства (может составлять единицы ложных срабатываний в секунду). The parameter, defined as the average number of false photon detections per unit time, determines the lower boundary of the dynamic range of a single-photon receiving device, respectively (it can be false positives per second).

Недостатком лидаров, рефлектометров, использующих в качестве зондирующих сигналов оптические ПШП, а качестве приемных сенсоров устройства, работающие в нелинейном режиме, характеризующиеся ограничением роста тока при увеличении интенсивности принимаемого излучения, или лавинообразным увеличение роста тока, обусловленного ударной ионизацией (режим счетчика Гейгера), является то, что отраженный принимаемый сигнал будет являться суперпозицией оптических сигналов от объекта/-ов расстояние до которого измеряется, так и сигналы от других (объектов). Причем интенсивность сигналов от всех или некоторых объектов может быть выше верхнего порога линейности приемного устройства. A disadvantage of lidars and reflectometers that use optical FWPs as probing signals, and non-linear devices that are characterized by limiting current growth with increasing intensity of received radiation, or an avalanche-like increase in current due to impact ionization (Geiger counter mode), is a receiving sensor the fact that the reflected received signal will be a superposition of optical signals from the object / s the distance to which is measured, and signals from the other gih (objects). Moreover, the intensity of signals from all or some objects may be higher than the upper threshold of linearity of the receiving device.

На фиг. 3 приведена экспериментально полученная зависимость вероятности обнаружения фотона за время То = 490 ps от интенсивности излучения, выраженной в среднем числе фотонов поступающих на поверхность исследуемого сенсора за время То. Фигура 3 взята из Optics Express Vol. 18 (2010), Issue 6, pp. 5906-5911 // Method for characterizing single photon detectors in saturation regime by cw laser // J.Oh, C.Antonelli, M.Tur, M.Brodsky https://doi.org/10.1364/OE.18.005906 In FIG. Figure 3 shows the experimentally obtained dependence of the probability of detecting a photon during a time T o = 490 ps on the radiation intensity, expressed as the average number of photons arriving at the surface of the sensor under study during a time T o . Figure 3 is taken from Optics Express Vol. 18 (2010), Issue 6, pp. 5906-5911 // Method for characterizing single photon detectors in saturation mode by cw laser // J.Oh, C. Antonelli, M. Tur, M. Brodsky https://doi.org/10.1364/OE.18.005906

Действительно, если внутри временного интервала То, вероятность срабатывания приемного устройства (сенсора) работающего в режиме счетчика Гейгера от излучения, порожденного первым источником излучения, составляет 10%, а вероятность срабатывания того же сенсора от излучения, порожденного вторым источником излучения составляет 98%, то вероятность обнаружения за время То излучения, являющегося суперпозицией излучений от обоих источников будет близка к 98%. Indeed, if inside the time interval T o , the probability of the receiving device (sensor) operating in the Geiger counter mode from the radiation generated by the first radiation source is 10%, and the probability of the same sensor from the radiation generated by the second radiation source is 98%, the probability of detection in the time T of the radiation, which is a superposition of radiation from both sources will be close to 98%.

При сложении излучений от двух источников вероятность обнаружения фотона от которых за время То составляет 5%, вероятность обнаружения будет близка к 10%, т.е. вероятность срабатывания сенсора за время То зависит аддитивно от интенсивностей источников излучения, в случае если суперпозиция излучений не превышает диапазон линейной зависимости вероятности срабатывания сенсора от интенсивности (см. фигуру 3). Благодаря этому становится возможным выделение (обнаружение) детектированных при помощи сенсора, работающего в режиме счетчика Гейгера псевдошумовых сигналов, интенсивности оптических импульсов которых находятся в диапазоне линейной зависимости вероятности срабатывания сенсора от интенсивности излучения каждого оптического импульса в ПШП, подаваемого на приемную поверхность сенсора. Выделение сигналов осуществляется путем вычисления корреляции между опорным и принятым при помощи сенсора сигналом. When adding radiation from two sources, the probability of detecting a photon from which during T o is 5%, the probability of detection will be close to 10%, i.e. probability of triggering the sensor in the time T depends on the additive on the intensities of radiation sources, if superposition of radiation does not exceed the range of linear dependence of the probability of intensity of the sensor response (see figure 3.). Due to this, it becomes possible to isolate (detect) pseudo-noise signals detected by a sensor operating in the Geiger counter mode, the intensities of optical pulses of which are in the range of the linear dependence of the probability of the sensor activating on the radiation intensity of each optical pulse in the FSB supplied to the sensor receiving surface. Signal extraction is carried out by calculating the correlation between the reference signal and the signal received by the sensor.

Если же интенсивности оптического излучения в сигнале, являющимся суперпозицией псевдошумовых сигналов от разрешаемых объектов, превышают порог линейности, то это приводит к тому, что при последующей корреляционной обработке будет наблюдаться подавление сигналов от разрешаемых объектов (снижение амплитуды корреляционного отклика от разрешаемого объекта), появление ложных корреляционных откликов в полученной в результате корреляционной обработки рефлектограмме. Подобного рода искажения принято называть нелинейными искажениями. If, however, the intensities of optical radiation in the signal, which is a superposition of pseudo-noise signals from resolvable objects, exceed the linearity threshold, then this leads to the fact that during subsequent correlation processing there will be suppression of signals from resolvable objects (decrease in the amplitude of the correlation response from the resolvable object), the appearance of false correlation responses in the trace obtained as a result of correlation processing. Such distortions are called nonlinear distortions.

Если в моноимпульсных лидарах, в том числе и с накоплением принимаемого сигнала, возможно устранение отраженных сигналов, от посторонних объектов, (которыми могут быть сетка/забор, кустарник, аэрозоль), эффективно отражающих оптический сигнал и расположенных перед/после объекта, расстояние до которого измеряется путем записи/накопления сигнала только в нужном (предварительно заданном) временном интервале, то при использовании в качестве зондирующего оптической ПШП это становится невозможным т.к. оптические сигналы от различных объектов накладываются друг на друга во времени. If in monopulse lidars, including with the accumulation of the received signal, it is possible to eliminate reflected signals from foreign objects (which may be a grid / fence, shrub, aerosol) that effectively reflect the optical signal and are located before / after the object, the distance to which measured by recording / accumulating the signal only in the desired (predefined) time interval, then when used as a probe optical FBI, this becomes impossible since Optical signals from various objects overlap each other in time.

Приведем примеры, показывающие существующее снижение возможностей по обнаружению/выделению оптического псевдошумового сигнала, отраженного от зондируемого объекта при смешении его с другими оптическими псевдошумовыми сигналами, интенсивности оптических импульсов в которых существенно превышают диапазон линейности приемного устройства, работающего в режиме счета фотонов и примеры показывающие преодоление этого недостатка. We give examples showing the existing decrease in the ability to detect / isolate an optical pseudo-noise signal reflected from the probed object when mixed with other optical pseudo-noise signals, the intensities of optical pulses in which significantly exceed the linear range of the receiver operating in the photon counting mode and examples showing overcoming of this lack of.

Пример 2. ( Два «слабых» сигнала) Example 2. (Two “weak” signals)

До момента детектирования сенсором, работающем в режиме счета фотонов, принимаемый сигнал является суперпозицией двух оптических ПШП «один» и «два» с интенсивностями оптических импульсов в последовательностях в границах диапазона линейности сенсора. Вероятность срабатывания сенсора от каждого оптического импульса в оптической ПШП составляет ≈10%. Сигнал «два» представляет собой сигнал «один», задержанный на время 50Тo. Оптические сигналы «один» и «два» моделируют отраженные сигналы от двух объектов расположенных в створе направленного на них излучения, от модулируемого ПШП источника излучения. Объект «два» расположен по ходу луча от лидара (рефлектометра) дальше на 25Тo/С, чем объект «один». То составляет 500 ps, частота ложных срабатываний приемного сенсора составляет 3 MHz. Время в цикле зондирования отсчитывается от начала цикла зондирования по синхроимпульсам с периодом повторения То. Момент времени, в цикле зондирования, попадающий во временной интервал начало которого ≈ То⋅ (n-1) и окончание ≈То⋅(n) приурочивается к номеру синхроимпульса n отсчитываемому в каждом цикле зондирования от начала цикла зондирования.Prior to detection by a sensor operating in the photon counting mode, the received signal is a superposition of two optical IFBs, one and two, with intensities of optical pulses in sequences within the limits of the linearity range of the sensor. The probability of a sensor triggering from each optical pulse in an optical IFB is ≈10%. The signal "two" is a signal "one", delayed by a time of 50T o. Optical signals “one” and “two” simulate the reflected signals from two objects located in the alignment of the radiation directed at them, from a modulated PWB radiation source. Object “two” is located along the beam from the lidar (reflectometer) 25T o / C further than object “one”. T about is 500 ps, the frequency of false positives of the receiving sensor is 3 MHz. The time in the sensing cycle is counted from the beginning of the sensing cycle in sync pulses with a repetition period T about. A moment in the sensing cycle, the beginning of which ≈ Т о ⋅ (n-1) and the end of ≈Т о ⋅ (n), coincides with the clock number n counted in each sensing cycle from the beginning of the sensing cycle.

Осуществляются четыре цикла зондирования. В каждом цикле зондирования используется своя уникальная зондирующая оптическая ПШП, состоящая из 512 позиций занимающих временной интервал 4⋅То, каждая. На временной позиции происходит излучение или не излучение оптического импульса длительности Ti менее или немного более To. Значению члена модулирующей ПШП последовательности «0» соответствует «не излучение», а «1» соответственно «излучение. Все ПШП, используемые для модуляции псевдошумового оптического сигнала получены из двух дополнительных ПШП длины 512, члены которых принимают значения «+1» и «–1». В первом цикле зондирования для модулирования используется ПШП, полученная из первой дополнительной последовательности путем замены в ней «-1» на «0». Во втором цикле полученная из первой дополнительной последовательности путем замены в ней «1» на «0», а «-1» на «1». Во втором цикле зондирования для модулирования используется ПШП, полученная из второй дополнительной последовательности путем замены в ней «-1» на «0». В третьем цикле полученная из второй дополнительной последовательности путем замены в ней «1» на «0», а «-1» на «1».Four sensing cycles are carried out. Each sensing cycle uses its own unique probing optical FBW, consisting of 512 positions occupying a time interval of 4⋅T about , each. At a temporary position, there is radiation or not radiation of an optical pulse of duration Ti less than or slightly more than T o. The value of the term modulating FBP sequence “0” corresponds to “not radiation”, but “1”, respectively, “radiation. All FWPs used to modulate a pseudo-noise optical signal are obtained from two additional FWPs of length 512, whose members take the values “+1” and “–1”. In the first sensing cycle, the modulated waveguide is used for modulation, obtained from the first additional sequence by replacing "-1" with "0" in it. In the second cycle, obtained from the first additional sequence by replacing “1” with “0” in it and “-1” with “1”. In the second sensing cycle, for the modulation, PCB is used, obtained from the second additional sequence by replacing “-1” with “0” in it. In the third cycle, obtained from the second additional sequence by replacing “1” in it with “0” and “-1” with “1”.

Прием оптического сигнала осуществляется следующим образом. В каждом цикле зондирования, при регистрации оптического излучения в момент времени, приуроченный к номеру синхроимпульса n, на вычислитель/согласованный фильтр на n-ом такте (отсчитываемом от начала цикла зондирования) подается «1» в циклах зондирования с четными номерами или «-1» в циклах зондирования с нечетными номерами. Последовательности, считываемые с выхода вычислителя/согласованного фильтра, прибавляются к содержимому ячеек памяти блока накопления. Перед первым циклом зондирования содержимое ячеек памяти блока накопления было обнулено. Ячейки памяти в блоке накопления приурочены к номерам членов последовательности считываемой с вычислителя/согласованного фильтра в каждом цикле зондирования. The reception of the optical signal is as follows. In each sensing cycle, when registering optical radiation at a point in time dedicated to the clock number n, “1” is sent to the calculator / matched filter at the nth clock (counted from the beginning of the probe cycle) or “-1 »In probing cycles with odd numbers. The sequences read from the output of the calculator / matched filter are added to the contents of the memory cells of the accumulation block. Before the first sensing cycle, the contents of the memory cells of the accumulation block were zeroed. The memory cells in the accumulation block are confined to the numbers of the members of the sequence read from the calculator / matched filter in each sensing cycle.

На фиг. 5 приведен фрагмент дискретной последовательности (рефлектограммы), полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти блока накопления, после накопления в нем четырех последовательностей, полученных с выхода вычислителя/согласованно фильтра в четырех циклах зондирования. На оси абсцисс графика на фиг. 5 отложены номера ячеек памяти блока накопления (с номерами, соответствующими номерам синхроимпульсов, отсчитываемых в каждом цикле зондирования), а на оси ординат – амплитуды, считываемые с ячеек памяти блока накопления с соответствующими оси абсцисс номерами. In FIG. Figure 5 shows a fragment of a discrete sequence (trace) obtained by reading the contents of the memory cells of the accumulation unit, after accumulating in it four sequences obtained from the output of the calculator / matching filter in four sensing cycles. On the abscissa axis of the graph in FIG. 5, the numbers of memory cells of the accumulation block (with numbers corresponding to the numbers of clock pulses counted in each sensing cycle) are plotted, and on the ordinate axis are the amplitudes read from the memory cells of the accumulation block with the numbers corresponding to the abscissa axis.

Видны отклики 5-1 и 5-2, позволяющие различить/обнаружить сигнал «один» и сигнал «два» и определить задержку между ними, равную 50Тo. Responses 5-1 and 5-2 are visible, making it possible to distinguish / detect the signal "one" and the signal "two" and determine the delay between them, equal to 50T o .

Пример 3. («Слабый» сигнал при наличии «сильных»)Example 3. ("Weak" signal in the presence of "strong")

Отличие от примера 1 состоит в том, что в створе луча, направленного на объекты оптического излучения, от модулируемого ПШП источника излучения находятся три объекта, схематически отраженные на фиг. 4. The difference from Example 1 is that in the alignment of the beam directed at the objects of optical radiation from the modulated IFB radiation source are three objects, schematically reflected in FIG. four.

Как отображено на фиг 4, перед зондируемым объектом 4-2 расположен протяженный отражающий объект 4-1, а за зондируемым объектом 4-2 расположена отражающая перегородка 4-3. На объекты 4-1, 4-2, 4-3 направлено зондирующее оптическое излучение 4-4. Вероятность срабатывания приемного сенсора лидара (рефлектометра) от каждого единичного оптического импульса (в оптической зондирующей ПШП), отраженного от объекта 4-2 и принимаемого сенсором, работающем в режиме счетчика Гейгера составляет ≈10%. Вероятность срабатывания сенсора от единичного оптического импульса отраженного от объекта 4-3 (отражающая перегородка) составляет ≈98%. Протяженный по направлению зондирующего излучения объект 4-1 отражает на сенсор лидара растянутый во времени световой импульс вызывающий от четырех до пяти срабатываний сенсора за время 5То, характеризующее протяженность объекта 4-1. As shown in FIG. 4, an extended reflective object 4-1 is located in front of the probed object 4-2, and a reflective partition 4-3 is located behind the probed object 4-2. The probing optical radiation 4-4 is directed at objects 4-1, 4-2, 4-3. The probability of triggering the lidar receiving sensor (reflectometer) from each single optical pulse (in the optical probing PCB) reflected from object 4-2 and received by a sensor operating in the Geiger counter mode is ≈10%. The probability of a sensor triggering from a single optical pulse reflected from an object 4-3 (reflective partition) is ≈98%. The object 4-1, extended in the direction of the probe radiation, reflects a light pulse stretched in time to the lidar sensor, causing four to five sensor operations during 5T o , characterizing the length of object 4-1.

Расстояние от фронтальной к источнику излучения поверхности передней кромке объекта 4-1 до зондируемого объекта составляет 25То/С, а до отражающей перегородки 50To/С.The distance from the frontal to the radiation source surface of the front edge of the object 4-1 to the probed object is 25T o / C, and to the reflective partition 50T o / C.

На фиг. 6 приведен фрагмент дискретной последовательности (рефлектограммы), полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти блока накопления после четвертого цикла зондирования. Видны отклики 6-1 и 6-2, 6-3, позволяющие различить/обнаружить сигналы от протяженного объекта 4-1, зондируемого объекта 4-2 и отражающей перегородки 4-3. In FIG. Figure 6 shows a fragment of a discrete sequence (trace) obtained by reading the contents of the memory cells of the accumulation block after the fourth sensing cycle. Responses 6-1 and 6-2, 6-3 are visible, allowing to distinguish / detect signals from an extended object 4-1, a sensed object 4-2 and a reflective partition 4-3.

Пример 4 отличается от примера 3 тем что, все ПШП, используемые для модуляции псевдошумового оптического сигнала, получены из двух бинарных ПШП длины 512, не являющихся дополнительными. Example 4 differs from example 3 in that all FWBs used to modulate a pseudo-noise optical signal are obtained from two binary FWBs of length 512, which are not additional.

На фиг 7 приведен фрагмент дискретной последовательности (рефлектограммы) полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти блока накопления после четвертого цикла зондирования. На фиг. 7 четко видны отклики 7-1 и 7-3, позволяющие различить/обнаружить сигнал от протяженного объекта 4-1 и отражающей перегородки 4-3. Сигнал от объекта 4-2 по амплитуде не выделяется на фоне шумовой составляющей рефлектограммы. Figure 7 shows a fragment of a discrete sequence (trace) obtained by reading the contents of the memory cells of the storage unit after the fourth sensing cycle. In FIG. 7, responses 7-1 and 7-3 are clearly visible, allowing one to distinguish / detect a signal from an extended object 4-1 and a reflective partition 4-3. The signal from the object 4-2 in amplitude does not stand out against the background of the noise component of the trace.

Пример 5 отличается от примера 3 тем, что вероятность срабатывания сенсора от каждого одиночного оптического импульса, отраженного от объекта 4-2, в оптической ПШП составляет ≈4%. Число циклов зондирования увеличено до 16. В каждых последующих четырех циклах зондирования для модуляции используются две уникальные дополнительные последовательности длинны 512. Example 5 differs from example 3 in that the probability of a sensor from each single optical pulse reflected from the object 4-2 in the optical IFW is ≈4%. The number of sounding cycles is increased to 16. In each of the next four sounding cycles, two unique additional sequences of 512 are used for modulation.

На фиг. 8 приведен фрагмент дискретной последовательности (рефлектограммы) полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти блока накопления после 16-го цикла зондирования. Видны отклики 8-1, 8-2, 8-3 позволяющие различить/обнаружить сигнал от протяженного объекта 4-1, точечного объекта 4-2 и отражающей перегородки 4-3. Отклик от объекта 4-2 по амплитуде ярко выделяется на фоне шумовой составляющей рефлектограммы. In FIG. Figure 8 shows a fragment of a discrete sequence (trace) obtained by reading the contents of the memory cells of the accumulation block after the 16th probe cycle. Responses 8-1, 8-2, 8-3 are visible allowing to distinguish / detect a signal from an extended object 4-1, a point object 4-2 and a reflective partition 4-3. The response from the object 4-2 in amplitude stands out clearly against the background of the noise component of the trace.

В ходе исследований было сделано наблюдение о том, что использование способа (модулирования зондирующих сигналов и их последующей обработки), описанного в патенте РФ № 2605628, опубликован в 2016 году, позволяет эффективно различать/выделять одновременно принимаемые сигналы с интенсивностью импульсов в ПШП, лежащих в пределах диапазона линейной зависимости сигнала с выхода сенсора от интенсивности излучения на подающегося на поверхность сенсора, так и сигналы с интенсивностью, превышающей диапазон линейной зависимости. In the course of the research, it was observed that the use of the method (modulation of the probing signals and their subsequent processing) described in the patent of the Russian Federation No. 2605628, published in 2016, allows one to effectively distinguish / isolate simultaneously received signals with the intensity of pulses in the FSB lying in within the range of the linear dependence of the signal from the sensor output on the intensity of the radiation fed to the sensor surface, and signals with an intensity exceeding the linear dependence range.

Было так же обнаружено, что этот же эффект сохраняется и при замене приемного устройства генерирующего ток, интегрируемый на отрезках То, на бинарное приемное устройство, работающее в режиме счетчика Гейгера. Например т.н. SPAD или SSPD (сверхпроводящий счетчик одиночных фотонов) сенсоры. Как оказалось, такая замена позволяет выделять зондирующие сигналы при использовании бинарного сенсора даже в том случае если средняя частота срабатываний сенсора составляет до 70% от частоты повторения синхроимпульсов равной 1/То. Предпочтительно чтобы средняя частота срабатываний сенсора была менее чем 50% от частоты повторения синхроимпульсов. It was also found that the same effect persists when replacing a receiving device generating current, integrated on the segments T o , with a binary receiving device operating in the Geiger counter mode. For example, the so-called SPAD or SSPD (Superconducting Single Photon Counter) sensors. As it turned out, such a replacement allows probing signals to be distinguished when using a binary sensor, even if the average sensor response frequency is up to 70% of the sync pulse repetition rate equal to 1 / T o . Preferably, the average sensor response rate is less than 50% of the clock repetition rate.

Оптическое устройство для определения расстояний до объекта по указанном уровняю техники, описанном в патенте РФ № 2605628, опубликован в 2016 году, включает в себяAn optical device for determining distances to an object according to the specified level of technology described in the patent of the Russian Federation No. 2605628, published in 2016, includes

• источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом • a radiation source to an object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the output

• генератора создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом • generator for generating a probe sequence, the first input of which is connected to the first output

• генератора тактового сигнала, • clock generator,

• оптическое приемное устройство, выход которого соединен с входом • optical receiving device, the output of which is connected to the input

• мультиплексора, выход которого соединен с первым входом• a multiplexer whose output is connected to the first input

• первого блока накопления сигнала, выход которого соединен с первым входом• the first signal storage unit, the output of which is connected to the first input

• модуля вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого (детектированного) сигналов, выход которого соединен с первым входом • a module for calculating the cross-correlation function of the reference and received (detected) signals, the output of which is connected to the first input

• второго блока накопления сигнала, выход которого соединен с входом• the second signal storage unit, the output of which is connected to the input

• демультиплексора, выход которого соединен с входом• demultiplexer, the output of which is connected to the input

• модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом• a threshold detection module for a signal whose output is connected to an input

• модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  принятого сигнала, включающего • module for calculating the distance to the determined object by the time delay of the received signal, including

• модуль вычисления временной задержки принятого сигнала.• module for calculating the time delay of the received signal.

Данное устройство является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрано за прототип предлагаемого изобретения.This device is the closest in technical essence and the achieved technical result and is selected as a prototype of the invention.

Недостатком этого прототипа является ограниченные возможности по одновременному выделению из принимаемого сигнала, корреляционных откликов, от сигналов отраженных от зондируемых объектов в случае если в принимаемом сигнале присутствуют, как сигналы с интенсивностями пикового излучения на поверхности сенсора, лежащими в диапазоне линейной зависимости вероятности срабатывания приемного сенсора от интенсивности излучения сигнала на временном интервале заданной длительности, так и сигналы с пиковыми интенсивностями излучения вызывающими срабатывание сенсора на временном интервале той же длительности с вероятностями близкими к 100%.The disadvantage of this prototype is the limited ability to simultaneously extract from the received signal correlation responses from signals reflected from the sensed objects if the received signal contains signals with intensities of peak radiation on the sensor surface lying in the range of the linear dependence of the probability of the receiving sensor on signal radiation intensities over a time interval of a given duration, as well as signals with peak radiation intensities ayuschimi triggering sensor in the time interval of the same duration with probability close to 100%.

Таким образом, проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является узкий динамический диапазон лидара (рефлектометра), плохое разрешение сигналов от объектов с различными ЭПР, использующего в качестве зондирующих сигналов сигналы, модулированные ПШП, а техническим результатом - увеличение динамического диапазона лидара, использующего в качестве зондирующих сигналов сигналы, модулированные ПШП.Thus, the problem to which the present invention is directed is the narrow dynamic range of the lidar (OTDR), poor resolution of signals from objects with different EPR, using signals modulated by PWB as sounding signals, and the technical result is an increase in the dynamic range of the lidar using as probing signals, signals modulated by PWB.

Становится возможным принимать совместно и одновременно определять расстояния до поверхностей объектов отражающих сигналы, состоящие из последовательностей коротких оптических импульсов (вспышек) и содержащих единицы фотонов (количество излучаемой энергии). Вероятность срабатывания сенсора от каждого такого импульса в принимаемой последовательности пропорциональна интенсивности излучения оптических импульсов. Так и объектов отражающих сигналы, состоящие из последовательностей коротких оптических импульсов и содержащих количество фотонов (количество излучаемой энергии), достаточное для срабатывания сенсора от каждого такого оптического импульса вероятностью близкой к 100%. It becomes possible to simultaneously receive and simultaneously determine the distances to the surfaces of objects reflecting signals, consisting of sequences of short optical pulses (flashes) and containing units of photons (the amount of radiated energy). The probability of a sensor triggering from each such pulse in the received sequence is proportional to the radiation intensity of the optical pulses. So are objects reflecting signals, consisting of sequences of short optical pulses and containing the number of photons (the amount of radiated energy), sufficient to trigger the sensor from each such optical pulse with a probability close to 100%.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить оптическое устройство для определения расстояний до объекта, позволяющее, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить увеличение динамического диапазона лидара, использующего в качестве зондирующих сигналов сигналы, модулированные псевдошумовыми последовательностями, за счет использования в качестве зондирующих сигналов ПШП оптические последовательности, модулированные ПШП полученными из бинарных дополнительных кодов, а в качестве приемного оптического сенсора приемного тракта лидара бинарный оптический сенсор, работающий в нелинейном режиме счетчика Гейгера и позволяющий вероятностно (с вероятностью регистрации пропорциональной числу фотонов содержащихся в коротком оптическом импульсе) регистрировать, как короткие оптические импульсы попадающие на поверхность сенсора и содержащие единицы фотонов, так и оптические импульсы, попадающие на поверхность сенсора и содержащие количество фотонов заведомо большее чем обязательно приводящее к срабатываю сенсора с вероятностью близкой к 100%. Based on this original observation, the present invention mainly aims to propose an optical device for determining distances to an object, which allows at least smoothing out at least one of the above disadvantages, namely, to increase the dynamic range of a lidar using probing signals, signals modulated by pseudo-noise sequences, due to the use of optical sequences modulated by PWB as probing signals obtained from binary additional codes, and as a receiving optical sensor of the receiving lidar path, a binary optical sensor operating in the nonlinear mode of a Geiger counter and allowing probabilistically (with a probability of registration proportional to the number of photons contained in a short optical pulse) to register how short optical pulses hit the surface the sensor and containing units of photons, as well as optical pulses incident on the surface of the sensor and containing the number of photons more than necessarily leading to a triggered sensor with a probability close to 100%.

Для достижения этой цели:To achieve this goal:

• устройство включает в себя модуль формирования сигнала на каждом такте n, соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано сенсором на интервале времени начинающемуся по синхроимпульсу n и заканчивающемуся по синхроимпульсу n+1, и 1 или -1 если излучение зафиксировано на этом же интервале времени, первый вход которого соединен с выходом приемного устройства (оптического сенсора), второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактового сигнала, и выход которого соединен с входом мультиплексора,• the device includes a signal generation module at each clock cycle n, corresponding to the value 0, if the radiation is not detected by the sensor in the time interval starting with the clock pulse n and ending with the clock pulse n + 1, and 1 or -1 if the radiation is fixed at the same time interval the first input of which is connected to the output of the receiving device (optical sensor), the second input of which is connected to the second output of the clock signal generator, and the output of which is connected to the input of the multiplexer,

• устройство включает в себя блок конъюнкции, первый вход которого соединен с третьим выходом генератора тактового сигнала, второй вход которого соединен с выходом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, первый выход которого соединен с третьим входом модуля формирования сигнала на каждом такте, и второй выход которого соединен с вторым входом первого блока накопления сигнала,• the device includes a conjunction block, the first input of which is connected to the third output of the clock signal generator, the second input of which is connected to the output of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the third input of the signal conditioning module at each clock cycle , and the second output of which is connected to the second input of the first signal accumulation unit,

• устройство включает в себя блок формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования, первый вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактового сигнала, первый выход которого соединен со вторым входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, а второй выход которого соединен с входом• the device includes a clock pulse generating unit at the beginning of the sensing cycle, the first input of which is connected to the fourth output of the clock signal generator, the first output of which is connected to the second input of the module for calculating the distance to the detected object from the time delay of the reflected signal, and the second output of which is connected to the input

• блока подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом• block for counting sounding cycles, the output of which is connected to the input

• блока выборки и обработки зондирующих сигналов, первый выход которого соединен с третьим входом первого блока накопления сигнала 7, второй выход которого соединен со вторым входом модуля 8 вычисления взаимно-корреляционной функции излученного и отраженного сигналов, третий выход которого соединен со вторым входом второго блока накопления сигнала, четвертый выход которого соединен со третьим входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, пятый выход которого соединен со вторым входом генератора создания зондирующей последовательности.• a probe sampling and processing unit, the first output of which is connected to the third input of the first signal storage unit 7, the second output of which is connected to the second input of the module 8 for calculating the cross-correlation function of the emitted and reflected signals, the third output of which is connected to the second input of the second accumulation unit signal, the fourth output of which is connected to the third input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the fifth output of which is connected to the second th input of the generator creating probe sequence.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность того, что формируется бинарная последовательность в которой номер каждого члена приурочен к номеру синхроимпульса отсчитываемого от момента начала цикла зондирования и принимающий значение «0» если до следующего синхроимпульса не произошло срабатывание сенсора (регистрация кванта оптического излучения ), и «1» или «-1» если произошло срабатывание сенсора, это позволяет эффективно выделять зондирующие сигналы (корреляционные отклики) при использовании бинарного сенсора даже в том случае если средняя частота срабатываний сенсора составляет 70% от частоты синхроимпульсов равной 1/То . Thanks to these advantageous characteristics, it is possible that a binary sequence is formed in which the number of each member is confined to the number of the sync pulse counted from the moment the probe cycle begins and takes on the value “0” if the sensor has not triggered before the next clock pulse (registration of the optical radiation quantum), and “ 1 ”or“ -1 ”if the sensor triggered, this allows you to efficiently distinguish the probing signals (correlation responses) when using a binary sensor even if the average frequency of the sensor alarms 70% of the clock frequency of 1 / T o.

Существует вариант изобретения, в котором оно включает в себя эталонный источник сигналов точного времени и частоты, первый выход которого соединен с входом генератора тактового сигнала, а второй выход которого соединен со вторым входом блока формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования. There is an embodiment of the invention in which it includes a reference source of accurate time and frequency signals, the first output of which is connected to the input of the clock signal generator, and the second output of which is connected to the second input of the clock generating unit at the beginning of the sensing cycle.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность синхронизации работы оптических устройств по времени, что позволяет одновременно работать нескольким оптическим устройствам по одним и тем же зондируемым объектам в одном и том же частотном (оптическом) диапазоне.Thanks to these advantageous characteristics, it is possible to synchronize the operation of optical devices in time, which allows several optical devices to simultaneously operate on the same probed objects in the same frequency (optical) range.

Существует кроме того вариант изобретения, в котором сенсор детектирования отраженного оптического сигнала или само оптическое устройство, или приемный тракт оптического устройства расположен на устройстве оптической стабилизации или оснащен устройством оптической стабилизации.There is also a variant of the invention in which the sensor for detecting the reflected optical signal or the optical device itself or the receiving path of the optical device is located on the optical stabilization device or is equipped with an optical stabilization device.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность расширения использования предлагаемого решения для транспортных средств, в частности для беспилотных летательных аппаратов, которые могут использовать предлагаемое решение в качестве основы технического зрения.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to expand the use of the proposed solution for vehicles, in particular for unmanned aerial vehicles, which can use the proposed solution as the basis for technical vision.

Существует возможный вариант изобретения, в котором оптически чувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на оптически чувствительный элемент. There is a possible embodiment of the invention in which the optically sensitive element for detecting the reflected optical signal has a polarizing filter placed in front of the input of the optical signal to the optically sensitive element.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность повышать соотношение сигнал/шум и, следовательно, повышать точность измерений расстояний до отражающих объектов.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to increase the signal-to-noise ratio and, therefore, increase the accuracy of measuring distances to reflecting objects.

Существует возможный вариант изобретения, в котором сенсор детектирования отраженного оптического сигнала от объекта выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы. There is a possible embodiment of the invention in which the sensor for detecting the reflected optical signal from the object is made in the form of elements of an optically sensitive matrix.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность одновременно получать рефлектограммы / измерять расстояния до множества объектов лежащих в угле поля зрения оптического тракта сенсора.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to simultaneously receive reflectograms / measure distances to many objects lying in the corner of the field of view of the optical path of the sensor.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Неочевидность решения говорит о неочевидности решения для специалиста в данной области техники и таким образом о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень». The set of essential features of the invention is unknown from the prior art for methods of similar purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty" for the invention in relation to the method. The non-obviousness of the solution indicates the non-obviousness of the solution for a person skilled in the art and thus the compliance of the invention with the criterion of "inventive step".

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:Other distinguishing features and advantages of this invention clearly follow from the description below for illustration and not being restrictive, with reference to the accompanying drawings, in which:

- фигура 1 изображает схему последовательно соединенных каскадов каждый из которых содержит линию задержки и два сумматора, согласно уровню техники,- figure 1 depicts a diagram of series-connected cascades each of which contains a delay line and two adders, according to the prior art,

- фигура 2 изображает последовательность соединения каскадов их фигуры 1 для генерирования дополнительных последовательностей, согласно уровню техники,- figure 2 depicts the connection sequence of the cascades of their figure 1 to generate additional sequences, according to the prior art,

- фигура 3 изображает экспериментально полученную зависимость вероятности обнаружения фотона за время То от интенсивности излучения выраженной в среднем числе фотонов поступающих на поверхность исследуемого сенсора за время То, согласно уровню техники,- figure 3 depicts the experimentally obtained dependence of the probability of detecting a photon during a time T o on the radiation intensity expressed as the average number of photons arriving at the surface of the investigated sensor during a time T o , according to the prior art

- фигура 4 изображает схему расположения объектов в створе направленного излучения лидара. - figure 4 depicts a layout of objects in the alignment of directional radiation of the lidar.

- фигуры 5-8 изображают фрагменты дискретной последовательности, полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти, согласно уровню техники,- figures 5-8 depict fragments of a discrete sequence obtained by reading the contents of memory cells, according to the prior art,

- фигура 9 изображает функциональную схему оптического устройства для определения расстояний до объекта, согласно изобретению,- figure 9 depicts a functional diagram of an optical device for determining distances to an object according to the invention,

- фигура 10 изображает этапы работы оптического устройства для определения расстояний до объекта, согласно изобретению.- figure 10 depicts the steps of the optical device for determining the distances to the object, according to the invention.

Описание устройстваDevice description

Согласно фиг. 9 оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя:According to FIG. 9, an optical device for determining distances to an object includes:

• источник излучения 1 на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом • radiation source 1 per object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the output

• генератора 3 создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом • generator 3 create a probe sequence, the first input of which is connected to the first output

• генератора 4 тактового сигнала, • generator 4 clock signal,

• оптическое приемное устройство 5, работающее в нелинейном режиме, выход которого соединен с входом • non-linear optical receiving device 5, the output of which is connected to the input

• мультиплексора 6, выход которого соединен с первым входом• multiplexer 6, the output of which is connected to the first input

• первого блока накопления сигнала 7, выход которого соединен с первым входом• the first block of signal accumulation 7, the output of which is connected to the first input

• модуля 8 вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого сигналов, выход которого соединен с первым входом • module 8 for calculating the cross-correlation function of the reference and received signals, the output of which is connected to the first input

• второго блока накопления сигнала 9, выход которого соединен с входом• the second block of signal accumulation 9, the output of which is connected to the input

• демультиплексора 10, выход которого соединен с входом• demultiplexer 10, the output of which is connected to the input

• модуля 11 порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом• module 11 threshold detection of the signal, the output of which is connected to the input

• модуля 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, включающего • module 12 calculating the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal, including

• модуль 13 вычисления временной задержки отраженного сигнала,• module 13 calculating the time delay of the reflected signal,

• устройство включает в себя модуль 14 формирования сигнала на каждом интервале времени начинающемуся по синхроимпульсу n и заканчивающемуся по синхроимпульсу n+1, соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано на приуроченном к такту n интервалу времени, и 1 или -1 если излучение зафиксировано на том же интервале времени, первый вход которого соединен с выходом приемного устройства (оптического сенсора) 5, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактового сигнала 4, и выход которого соединен с входом мультиплексора 6,• the device includes a signal generating module 14 at each time interval beginning with a clock pulse n and ending with a clock pulse n + 1 corresponding to a value of 0 if the radiation is not fixed on a time interval n confined to clock cycle n, and 1 or -1 if the radiation is fixed on the same time interval, the first input of which is connected to the output of the receiving device (optical sensor) 5, the second input of which is connected to the second output of the clock generator 4, and the output of which is connected to the multipl exora 6,

• устройство включает в себя блок 15 конъюнкции, первый вход которого соединен с третьим выходом генератора тактового сигнала 4, второй вход которого соединен с выходом модуля 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, первый выход которого соединен с третьим входом модуля 14 формирования сигнала на каждом такте, и второй выход которого соединен с вторым входом первого блока накопления сигнала 7,• the device includes a conjunction block 15, the first input of which is connected to the third output of the clock signal generator 4, the second input of which is connected to the output of the module 12 for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the third input of the formation module 14 signal at each cycle, and the second output of which is connected to the second input of the first signal accumulation unit 7,

• устройство включает в себя блок 16 формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования, первый вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактового сигнала 4, первый выход которого соединен со вторым входом модуля 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, а второй выход которого соединен с входом• the device includes a clock generating unit 16 at the beginning of the sensing cycle, the first input of which is connected to the fourth output of the clock signal generator 4, the first output of which is connected to the second input of the module 12 for calculating the distance to the detected object from the time delay of the reflected signal, and the second output of which connected to the input

• блока 17 подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом• block 17 for counting sounding cycles, the output of which is connected to the input

• блока 18 выборки и обработки зондирующих сигналов, первый выход которого соединен с третьим входом первого блока накопления сигнала 7, второй выход которого соединен со вторым входом модуля 8 вычисления взаимно-корреляционной функции излученного и отраженного сигналов, третий выход которого соединен со вторым входом второго блока накопления сигнала 9, четвертый выход которого соединен со третьим входом модуля 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, пятый выход которого соединен со вторым входом генератора создания зондирующей последовательности 3. • a block 18 of sampling and processing of sounding signals, the first output of which is connected to the third input of the first block of signal accumulation 7, the second output of which is connected to the second input of the module 8 for calculating the cross-correlation function of the emitted and reflected signals, the third output of which is connected to the second input of the second block the accumulation of signal 9, the fourth output of which is connected to the third input of the module 12 for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the fifth output of which is connected to the second input of the generator generating the probe sequence 3.

Устройство опционально включает в себя эталонный источник 19 сигналов точного времени и частоты, первый выход которого соединен с входом генератора тактового сигнала 4, а второй выход которого соединен со вторым входом блока 16 формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования.The device optionally includes a reference source 19 of accurate time and frequency signals, the first output of which is connected to the input of the clock signal generator 4, and the second output of which is connected to the second input of the clock generating unit 16 at the beginning of the sensing cycle.

Источник излучения 1 на объект/среду модулированного бинарного оптического сигнала может содержать последовательно соединенные модулируемый генератор коротких затравочных импульсов, модуль чирпирования затравочных импульсов, усилитель чармированных импульсов и модуль сжатия чирпированных импульсов. Модуль сжатия чирпированных импульсов может располагаться непосредственно перед оптическим сенсором (приемным устройством) 5. На фиг. 9 не показаны. The radiation source 1 to the object / medium of the modulated binary optical signal may comprise a series-connected modulated short seed pulse generator, a seed pulse chirping module, a charm pulse amplifier and a chirped pulse compression module. The chirped pulse compression module may be located directly in front of the optical sensor (receiving device) 5. In FIG. 9 are not shown.

Сенсор (приемное устройства) 5 (он же оптически чувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала или само оптическое устройство или приемный тракт оптического устройства) может быть расположен на устройстве гироскопической стабилизации или содержит устройство оптической стабилизации. На фиг. 9 не показаны. The sensor (receiving device) 5 (it is also an optically sensitive element for detecting the reflected optical signal or the optical device or the receiving path of the optical device itself) can be located on the gyroscopic stabilization device or contains an optical stabilization device. In FIG. 9 are not shown.

Сенсор 5 может иметь поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент. На фиг. 9 не показаны. The sensor 5 may have a polarizing filter placed in front of the input of the optical signal to the photosensitive element. In FIG. 9 are not shown.

Сенсор приемного устройства 5 может быть выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы. The sensor of the receiving device 5 can be made in the form of elements of an optically sensitive matrix.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Согласно фиг. 10 оптическое устройство для определения расстояний до объекта работает следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения, имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения. According to FIG. 10, an optical device for determining distances to an object operates as follows. Here is the most comprehensive example of the invention, bearing in mind that this example does not limit the application of the invention.

Этап Э1. Создают генератором 3 создания зондирующей последовательности модуляцию в виде бинарной псевдошумовой последовательности, согласованной с вычислителем ВКФ и излучают ее в пространство.Stage E1. The generator 3 creates the probe sequence modulation in the form of a binary pseudo-noise sequence, consistent with the computer VKF and radiate it into space.

Этап Э2 Принимают отраженный от объектов сигнал оптическим приемным устройством 5.Stage E2. The signal reflected from the objects is received by the optical receiving device 5.

Этап Э3. Формируют бинарный цифровой код модулем 14. Stage E3. A binary digital code is generated by module 14.

Этап Э4. Мультиплексируют с помощью модуля 6 сформированный на этапе 3 код на первый блок накопления 7.Stage E4. Using the module 6, multiplex the code generated in step 3 to the first accumulation block 7.

Этап Э5. Подают бинарный цифровой код в первый блок накопления 7 в котором осуществляется накопление дискретного сигнала путем суммирования или вычитания отсчетов получаемых с выхода модуля формирования 14. Перед пуском устройства все ячейки памяти первого блока накопления обнуляются. Stage E5. A binary digital code is supplied to the first accumulation unit 7 in which the discrete signal is accumulated by adding or subtracting the samples received from the output of the forming unit 14. Before starting the device, all memory cells of the first accumulation unit are reset.

Этап Э6. Считывают сигнал (последовательность), накопленный в ячейках памяти блока накопления 7 и подают его на модуль вычисления ВКФ 8.Stage E6. The signal (sequence) accumulated in the memory cells of the accumulation unit 7 is read and fed to the calculation module VKF 8.

Этап Э7. Подают последовательность с модуля вычисления ВКФ 8 на второй блок накопления 9 в виде дискретного сигнала путем суммирования или вычитания отсчетов, получаемых с выхода модуля вычисления ВКФ 8 с содержимым ячеек памяти. Перед пуском устройства все ячейки памяти первого блока накопления 7 обнуляются.Stage E7. Submit the sequence from the calculation module VKF 8 to the second accumulation unit 9 in the form of a discrete signal by adding or subtracting the samples received from the output of the calculation module VKF 8 with the contents of the memory cells. Before starting the device, all memory cells of the first storage unit 7 are reset.

Этап Э8. Демультиплексируют с помощью модуля 10 (считывают в определенном порядке) содержимое ячеек памяти со второго блока накопления 9 на модуль порогового обнаружения сигнала 11, соответствующий определенному пикселу (светочувствительному элементу детектирования принимаемого сигнала с приемного устройства 5). Stage E8. The contents of the memory cells from the second storage unit 9 to the threshold detection module of the signal 11 corresponding to a specific pixel (photosensitive element for detecting the received signal from the receiving device 5) are demultiplexed using module 10 (read in a specific order).

Этап Э9. При превышении порогового значения одним или двумя последовательными отсчетами выборки передают амплитуды и номера этих отсчетов на модуль 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.Stage E9. If the threshold value is exceeded by one or two consecutive samples of the sample, the amplitudes and numbers of these samples are transmitted to the module 12 for calculating the distance to the determined object from the time delay of the reflected signal.

Этап Э10. Вычисляют расстояние до отражающего объекта.Stage E10. The distance to the reflecting object is calculated.

Этап Э11. Повторяют этапы Э1-Э10.Stage E11. Repeat steps E1-E10.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Предлагаемое оптическое устройство для определения расстояний до объекта может быть осуществлены специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения. The proposed optical device for determining distances to the object can be carried out by a specialist in practice and, when implemented, ensure the implementation of the declared purpose, which allows us to conclude that the criterion of "industrial applicability" for the invention is met.

В соответствии с предложенным изобретением были проведены расчеты работы оптического устройства для определения расстояний до объекта.In accordance with the proposed invention, calculations were made of the operation of the optical device to determine the distances to the object.

Расчеты работы устройства показали, что оно обеспечивает возможность работы лидара в случае если отраженный сигнал представляет собой суперпозицию сигналов, отраженных от определяемых/зондируемых объектов, причем суперпозиция сигналов содержит хотя бы один отраженный сигнал с интенсивностями световых импульсов, превышающими динамический диапазон оптического приемного устройства, при этом устройство обеспечивает надежное обнаружение сигналов от всех объектов. Calculations of the operation of the device showed that it provides the lidar if the reflected signal is a superposition of signals reflected from the detected / probed objects, and the superposition of the signals contains at least one reflected signal with light pulse intensities exceeding the dynamic range of the optical receiving device, This device provides reliable detection of signals from all objects.

При этом если в способе по патенту РФ № 2605628 принимаемый сигнал формировался в виде цифровой последовательности подаваемой на первый блок накопления, где номер члена последовательности приурочен к номеру синхроимпульса, по которому начинается или оканчивается интегрирование фототока на интервале времени То, то в настоящем изобретении формируется бинарная последовательность в которой номер каждого члена приурочен к номеру синхроимпульса отсчитываемого от момента начала цикла зондирования и принимающий значение «0» если до следующего синхроимпульса не произошло срабатывание сенсора (регистрация канта оптического излучения ) не произошло, и «1» или «-1» если произошло срабатывание сенсора. Moreover, if in the method according to the patent of the Russian Federation No. 2605628, the received signal was generated in the form of a digital sequence supplied to the first accumulation unit, where the sequence member number is confined to the sync pulse number, according to which the integration of the photocurrent starts or ends on the time interval T o , then in the present invention is formed a binary sequence in which the number of each member is confined to the number of the clock pulse counted from the moment the sounding cycle begins and takes on the value “0” if until the following a sync operation has not occurred sensor (registration edge optical radiation) has not occurred, and "1" or "-1" has occurred if the sensor operation.

Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача – увеличение динамического диапазона лидара, использующего в качестве зондирующих сигналов сигналы, модулированные псевдошумовыми последовательностями, за счет использования в качестве зондирующих сигналов ПШП оптические последовательности, модулированные ПШП полученными из бинарных дополнительных последовательностей, а в качестве приемного оптического сенсора, бинарный оптический сенсор, работающий в нелинейном режиме счетчика Гейгера и позволяющий вероятностно (с вероятностью регистрации пропорциональной числу фотонов содержащихся в коротком оптическом импульсе) регистрировать, как короткие оптические импульсы попадающие на поверхность сенсора и содержащие единицы фотонов, так и оптические импульсы, попадающие на поверхность сенсора и содержащие количество фотонов заведомо большее чем обязательно приводящее к срабатываю сенсора с вероятностью близкой к 100%. Thus, in this invention, the goal is achieved - to increase the dynamic range of the lidar using signals modulated by pseudo-noise sequences as probing signals due to the use of optical sequences modulated by PWB as probing signals obtained from binary additional sequences, and as a receiving optical sensor, a binary optical sensor operating in a nonlinear mode of a Geiger counter and allowing probabilistic It is clear (with a probability of registration proportional to the number of photons contained in a short optical pulse) to register both short optical pulses reaching the sensor surface and containing units of photons, and optical pulses incident on the sensor surface and containing the number of photons that are known to be more than necessarily triggering the sensor with a probability close to 100%.

Рекомендуется применять данное изобретение для:It is recommended to use this invention for:

- систем технического зрения, в том числе и для летательных аппаратов, робототехнических систем, некогерентных рефлектометрах, радарах терагерцевого диапазона.  - vision systems, including for aircraft, robotic systems, incoherent reflectometers, terahertz radars.

Несмотря на то, что изобретение было подробно описано на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления изобретения приведены только в целях иллюстрации изобретения. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем притязаний изобретения, поскольку в схему описанного изобретения специалистами в области обработки сигналов и проектирования интегральных микросхем, и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать изобретение конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящим за рамки прилагаемой формулы изобретения. Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах сферы действия изобретения, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.Although the invention has been described in detail with examples of options that appear to be preferred, it must be remembered that these examples of the invention are provided only to illustrate the invention. This description should not be construed as limiting the scope of claims of the invention, since the circuit of the described invention by specialists in the field of signal processing and design of integrated circuits, etc. may be amended to adapt the invention to specific devices or situations, and not beyond the scope of the attached claims. Specialist in the art will understand that within the scope of the invention, which is determined by the claims, various variations and modifications are possible, including equivalent solutions.

Claims (20)


1.
one. Оптическое устройство для определения расстояний до объекта, включающее в себя:   An optical device for determining distances to an object, including:
• источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом • a radiation source to an object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the output • генератора создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом • generator for generating a probe sequence, the first input of which is connected to the first output • генератора тактового сигнала, • clock generator, • оптическое приёмное устройство, работающее в нелинейном режиме, выход которого соединен с входом • non-linear optical receiving device, the output of which is connected to the input • мультиплексора, выход которого соединен с первым входом• a multiplexer whose output is connected to the first input • первого блока накопления сигнала, выход которого соединен с первым входом• the first signal storage unit, the output of which is connected to the first input • модуля вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого сигналов, выход которого соединен с первым входом • a module for calculating the cross-correlation function of the reference and received signals, the output of which is connected to the first input • второго блока накопления сигнала, выход которого соединен с входом• the second signal storage unit, the output of which is connected to the input • демультиплексора, выход которого соединен с входом• demultiplexer, the output of which is connected to the input • модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом• a threshold detection module for a signal whose output is connected to an input • модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, включающего • module for calculating the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal, including • модуль вычисления временной задержки отраженного сигнала,• module for calculating the time delay of the reflected signal, отличающееся тем, что characterized in that • устройство включает в себя модуль формирования сигнала на каждом такте n, соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано сенсором на интервале времени, начинающемуся по синхроимпульсу n и заканчивающемуся по синхроимпульсу n+1, и 1 или -1, если излучение зафиксировано на этом же интервале времени, первый вход которого соединен с выходом приёмного устройства (оптического сенсора), второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактового сигнала, и выход которого соединен с входом мультиплексора,• the device includes a signal generation module at each clock cycle n, corresponding to the value 0, if the radiation is not detected by the sensor in the time interval starting at the clock pulse n and ending at the clock pulse n + 1, and 1 or -1, if the radiation is fixed at the same a time interval, the first input of which is connected to the output of the receiving device (optical sensor), the second input of which is connected to the second output of the clock signal generator, and the output of which is connected to the input of the multiplexer, • устройство включает в себя блок конъюнкции, первый вход которого соединен с третьим выходом генератора тактового сигнала, второй вход которого соединен с выходом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, первый выход которого соединен с третьим входом модуля формирования сигнала на каждом такте, и второй выход которого соединен с вторым входом первого блока накопления сигнала,• the device includes a conjunction block, the first input of which is connected to the third output of the clock signal generator, the second input of which is connected to the output of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the third input of the signal conditioning module at each clock cycle , and the second output of which is connected to the second input of the first signal accumulation unit, • устройство включает в себя блок формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования, первый вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактового сигнала, первый выход которого соединен со вторым входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, а второй выход которого соединен с входом• the device includes a clock pulse generating unit at the beginning of the sensing cycle, the first input of which is connected to the fourth output of the clock signal generator, the first output of which is connected to the second input of the module for calculating the distance to the detected object from the time delay of the reflected signal, and the second output of which is connected to the input • блока подсчёта циклов зондирования, выход которого соединен с входом• block for counting sounding cycles, the output of which is connected to the input • блока выборки и обработки зондирующих сигналов, первый выход которого соединен с третьим входом первого блока накопления сигнала, второй выход которого соединен со вторым входом модуля вычисления взаимно-корреляционной функции излученного и отраженного сигналов, третий выход которого соединен со вторым входом второго блока накопления сигнала, четвертый выход которого соединен с третьим входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, пятый выход которого соединен со вторым входом генератора создания зондирующей последовательности.• a probe sampling and processing unit, the first output of which is connected to the third input of the first signal storage unit, the second output of which is connected to the second input of the module for calculating the cross-correlation function of the emitted and reflected signals, the third output of which is connected to the second input of the second signal storage unit, the fourth output of which is connected to the third input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the fifth output of which is connected to the second the input of the generator to create a probe sequence. 2.2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оно включает в себя эталонный источник сигналов точного времени и частоты, первый выход которого соединен с входом генератора тактового сигнала, а второй выход которого соединен со вторым входом блока формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования.  The optical device according to claim 1, characterized in that it includes a reference source of accurate time and frequency signals, the first output of which is connected to the input of the clock signal generator, and the second output of which is connected to the second input of the clock generating unit at the beginning of the sensing cycle. 3.3. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что сенсор детектирования отражённого оптического сигнала, или само оптическое устройство, или приёмный тракт оптического устройства расположен на устройстве оптической стабилизации или оснащен устройством оптической стабилизации.  The optical device according to claim 1, characterized in that the sensor for detecting the reflected optical signal, or the optical device itself, or the receiving path of the optical device is located on the optical stabilization device or is equipped with an optical stabilization device. 4.four. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптически чувствительный элемент детектирования отражённого оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещённый перед входом оптического сигнала на оптически чувствительный элемент.  The optical device according to claim 1, characterized in that the optically sensitive element for detecting the reflected optical signal has a polarizing filter located in front of the input of the optical signal to the optically sensitive element. 5.5. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что сенсор детектирования отраженного оптического сигнала от объекта выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы.   The optical device according to claim 1, characterized in that the sensor for detecting the reflected optical signal from the object is made in the form of elements of an optically sensitive matrix.
RU2017119762A 2017-06-06 2017-06-06 Optical device for determining distance to object RU2653558C9 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119762A RU2653558C9 (en) 2017-06-06 2017-06-06 Optical device for determining distance to object
PCT/RU2018/050028 WO2018226124A1 (en) 2017-06-06 2018-03-12 Optical device for determining distances to an object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119762A RU2653558C9 (en) 2017-06-06 2017-06-06 Optical device for determining distance to object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2653558C1 true RU2653558C1 (en) 2018-05-11
RU2653558C9 RU2653558C9 (en) 2018-08-17

Family

ID=62152705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119762A RU2653558C9 (en) 2017-06-06 2017-06-06 Optical device for determining distance to object

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2653558C9 (en)
WO (1) WO2018226124A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791151C1 (en) * 2022-06-15 2023-03-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals
CN115900679A (en) * 2023-03-08 2023-04-04 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 Method for improving signal-to-noise ratio of integrated optical gyroscope

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884654B (en) * 2019-03-14 2020-10-16 清华大学 Laser ranging system and method based on spread spectrum modulation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4575237A (en) * 1981-12-28 1986-03-11 Canon Kabushiki Kaisha Distance measuring device
RU2195688C2 (en) * 2000-11-28 2002-12-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Procedure measuring distance to objects with use of picosecond pulses and device for its realization
WO2012014077A2 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Waikatolink Limited Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects
RU2560011C1 (en) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8242476B2 (en) * 2005-12-19 2012-08-14 Leddartech Inc. LED object detection system and method combining complete reflection traces from individual narrow field-of-view channels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4575237A (en) * 1981-12-28 1986-03-11 Canon Kabushiki Kaisha Distance measuring device
RU2195688C2 (en) * 2000-11-28 2002-12-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Procedure measuring distance to objects with use of picosecond pulses and device for its realization
WO2012014077A2 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Waikatolink Limited Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects
RU2560011C1 (en) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791151C1 (en) * 2022-06-15 2023-03-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals
CN115900679A (en) * 2023-03-08 2023-04-04 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 Method for improving signal-to-noise ratio of integrated optical gyroscope
CN115900679B (en) * 2023-03-08 2023-05-12 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 Method for improving signal-to-noise ratio of integrated optical gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018226124A1 (en) 2018-12-13
RU2653558C9 (en) 2018-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pawlikowska et al. Single-photon three-dimensional imaging at up to 10 kilometers range
US7312855B1 (en) Combined coherent and incoherent imaging LADAR
CN106054209B (en) The Atmospheric Survey laser radar of based superconductive single-photon detector
JP5138854B2 (en) Optical distance measurement
CN105866795B (en) The Larger Dynamic Wind measurement laser radar of F-P interferometers is scanned based on all -fiber
CN106646426B (en) A kind of full optical fiber laser radar of multiple illuminators and single receiver telescope array
WO2019226487A1 (en) Parallel photon counting
CN110741281B (en) LiDAR system and method using late lock cover mode detection
KR102056957B1 (en) Long-range, small target rangefinding
CN103576162A (en) Laser radar device and method for measuring target object distance through device
US9664781B2 (en) Time-gated image reconstruction using phase conjugation
WO2010114665A1 (en) Generation and detection of frequency entangled photons
CA3048330A1 (en) Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system
Arbel et al. Continuously operating laser range finder based on incoherent pulse compression: noise analysis and experiment
CN106289050A (en) System and method is measured in a kind of super-resolution quantum interference based on odd even exploration policy
US20030174333A1 (en) Apparatus for and method of optical detection and analysis of an object
RU2653558C1 (en) Optical device for determining distance to object
CN104614091B (en) All -fiber long range high spatial resolution single photon temperature sensor
Guo et al. 3D imaging laser radar using Geiger-mode APDs: analysis and experiments
RU2183841C1 (en) Method of laser location and laser location device for its implementation
Zhu et al. High anti-interference 3D imaging LIDAR system based on digital chaotic pulse position modulation
CN109188392A (en) A kind of detection device of remote small-signal
RU166686U1 (en) LASER RANGEFINDER
CN109901182B (en) Laser ranging device and method based on second-order intensity correlation function
US20180024243A1 (en) Polarization based coded aperture laser detection and ranging

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification