RU2690537C1

RU2690537C1 - Phased lidar

Info

Publication number: RU2690537C1
Application number: RU2018101446A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Гущо; Марина Алексеевна Гущо; Александр Владимирович Бурага; Владимир Викторович Кузнецов; Никита Олегович Зивенко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-06-04

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to control of laser radiation without movable parts with possibility of controlling direction, intensity, frequency and phase characteristics of light radiation and can be used in a number of special areas, in optical location, robotics systems control systems, automotive industry, aircraft engineering, drones, collision avoidance systems, cartography and navigation, space geodesy, machine vision systems, construction, mining, underwater vision systems, during atmosphere research, mine clearance and rescue of people at sea and on land. Disclosed phased lidar consists of an output optical system, a receiving optical-electronic path, a digital computer, an information consumer, a laser emitter containing a laser light source and a collimator. Also, the phased lidar includes a modulator, a laser emitter driver, a modulator control unit, a synchronization unit, wherein the laser emitter, the modulator and the output optical system are located on the same optical axis. Laser emitter comprises pulsed laser source and collimator located on one optical axis, and modulator comprises dielectric prism of total internal reflection, transparent electroconductive layer applied on hypotenuse face of dielectric prism of total internal reflection, gel-like transparent layer optically contacting with transparent electroconductive layer, double-layer structure located above gel-like transparent layer with gap. Two-layer structure contains series-arranged dielectric substrate and electrode system facing the gel-like transparent layer. System of electrodes comprises conducting matrix grid electrically connected to modulator control unit. Synchronization unit is electrically connected to the driver of the laser emitter and to the modulator control unit. Output optical system comprises, for example, adaptive reflective optics optically directed to the observation object, wherein the receiving opto-electronic path is optically directed to the observation object and comprises a lens, band-pass optical filter, photodetector element, matching electronic path, recording electronic circuit, wherein lens, band-pass optical filter and photodetector element are located on one optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, which is electrically connected to the recording electronic circuit. Recording electronic circuit is electrically connected to digital computer, wherein digital computer is electrically connected to laser emitter driver and synchronization unit, wherein recording electronic circuit comprises amplifier with controlled amplification factor, a first signal threshold processing circuit, a second signal threshold processing circuit, a response time logger, and a trigger threshold setting device.EFFECT: technical result is wider scope of use, faster operation and improved quality of operation of system in complex jamming environment.1 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к управлению лазерным излучением без подвижных частей с возможностью управления направлением, интенсивностью, частотой и фазовыми характеристиками светового излучения и может найти применение в ряде специальных областей, в оптической локации, системах управления робототехническими комплексами, в автомобильной промышленности, самолетостроении, беспилотной авиации, системах предупреждения столкновения с препятствиями, картографии и навигации, космической геодезии, системах машинного зрения, строительстве, горном деле, системах подводного зрения, при исследовании атмосферы, разминировании и при спасении людей на море и на суше.The invention relates to the control of laser radiation without moving parts with the ability to control the direction, intensity, frequency and phase characteristics of light radiation and can be used in a number of special areas, in optical location, control systems of robotic complexes, in the automotive industry, aircraft construction, unmanned aircraft, systems collision avoidance warning, cartography and navigation, space geodesy, computer vision systems, construction, mountains underwater vision, in the study of the atmosphere, in mine clearance and in the rescue of people at sea and on land.

Уровень техникиThe level of technology

Известен лидар, содержащий вращающуюся призму, двигатель для вращения призмы, лазерный источник света, передающий и приемный тракты. Недостатком этого устройства является необходимость стабилизации вращающейся призмы, существенные ограничения по угловым скоростям и ускорениям сканирующей системы, недолговечность работы устройств вращения, а также большие масс-габаритные параметры и энергопотребление [патент US 20110216304 А1 (High definition lidar system].Known lidar containing a rotating prism, a motor for rotating a prism, a laser light source, transmitting and receiving paths. A disadvantage of this device is the need to stabilize the rotating prism, significant restrictions on the angular velocity and acceleration of the scanning system, the fragility of the rotation device, as well as large mass-dimensional parameters and power consumption [US patent 20110216304 A1 (High definition lidar system].

Известен лидар, содержащий матрицу излучающих лазерных диодов, матрицу фотоприемных элементов, диаграмма направленности которых формирует поле зрения, систему коммутации, усиления, фильтрации и согласования сигнала, быстродействующую схему аналого-цифрового преобразователя, схему цифровой обработки сигнала, выполненную на программируемой логической интегральной схеме. Недостатком этого лидара является малое угловое разрешение, ограниченное количеством пар «приемник - передатчик», малое быстродействие вследствие использования фазового метода измерения дальности и использования аналого-цифрового преобразователя [патент US 20150219764 А1].Known lidar containing a matrix of emitting laser diodes, a matrix of photodetector elements, the radiation pattern of which forms the field of view, a switching system, amplification, filtering and signal matching, a high-speed analog-to-digital converter circuit, a digital signal processing circuit implemented on a programmable logic integrated circuit. The disadvantage of this lidar is the low angular resolution, limited by the number of receiver-transmitter pairs, low speed due to the use of the phase range measurement method and the use of an analog-to-digital converter [US patent 20150219764 A1].

Наиболее близким изобретением является лидар, содержащий передающий оптический тракт, приемный оптический тракт, цифровой вычислитель, потребитель информации, лазерный излучатель, содержащий лазерный источник света, коллиматор [J. Stockley and S. Serati, "Cascaded One-Dimensional Liquid Crystal OPAs for 2-D Beam Steering," IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, 2003].The closest invention is a lidar containing a transmitting optical path, a receiving optical path, a digital computer, a consumer of information, a laser emitter containing a laser light source, a collimator [J. Stockley and S. Serati, "Cascaded One-Dimensional Liquid Crystal OPAs for 2-D Beam Steering," IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, 2003].

Недостатком такого лидара является низкое быстродействие, низкий КПД модулятора, узкий оптический диапазон в инфракрасной области, высокая стоимость и сложная технология.The disadvantage of such a lidar is low speed, low efficiency of the modulator, a narrow optical range in the infrared region, high cost and sophisticated technology.

Задачей настоящего изобретения является расширение сферы применения, увеличение быстродействия и улучшение качества работы системы в сложной помеховой обстановке.The present invention is to expand the scope, increase performance and improve the quality of the system in a difficult noise environment.

Сущность изобретенияSummary of Invention

Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.These tasks are solved by the creation of the present invention.

Фазированный лидар согласно нашему изобретению содержит лазерный излучатель, модулятор, выходную оптическую систему, направленную на объект наблюдения, приемный оптико-электронный тракт, направленный на объект наблюдения, электрически связанный с цифровым вычислителем, потребитель информации, электрически связанный с цифровым вычислителем, драйвер лазерного излучателя, блок управления модулятором, блок синхронизации, причем лазерный излучатель, модулятор и выходная оптическая система расположены на одной оптической оси, причем драйвер лазерного излучателя электрически связан с лазерным излучателем, а блок управления электрически связан с модулятором, цифровым вычислителем и блоком синхронизации, причем лазерный излучатель содержит импульсный лазерный источник и коллиматор, расположенные на одной оптической оси, причем модулятор содержит диэлектрическую призму полного внутреннего отражения, прозрачный электропроводящий слой, нанесенный на гипотенузную грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения, гелеобразный прозрачный слой, оптически контактирующий с электропроводящим слоем, двуслойную структуру, расположенную над гелеобразным прозрачным слоем с зазором, причем двуслойная структура содержит последовательно расположенные диэлектрическую подложку и систему электродов, обращенную к гелеобразному прозрачному слою, причем катетная грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения перпендикулярна оптической оси коллиматора, при этом система электродов электрически контактирует с блоком управления, а система электродов содержит проводящую матричную сетку с n×m штуками диэлектрических ячеек p_ij, причем в ячейках проводящей матричной сетки размещена матрица электродов из n×m штук электродов, причем каждый электрод матрицы электродов разделен диэлектриком от проводящей матричной сетки, причем проводящая матричная сетка электрически соединена с блоком управления, содержащим источник опорного напряжения, и матрицу источников сигнала из n×m источников сигнала U_ij, при этом один полюс источника опорного напряжения подключен к прозрачному проводящему слою, а другой его полюс соединен с проводящей матричной сеткой, при этом каждый электрод из матрицы электродов электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы источников сигала из n×m источников сигнала, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала заземлен, причем блок синхронизации электрически соединен с драйвером лазерного излучателя и с блоком управления, при этом выходная оптическая система содержит, например, адаптивную отражательную оптику, оптически направленную на объект наблюдения, при этом приемный оптико-электронный тракт оптически направлен на объект наблюдения и содержит объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемный элемент, согласующий электронный тракт, регистрирующую электронную схему, причем объектив, полосовой оптический фильтр и фотоприемный элемент расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент электрически соединен с согласующим электронным трактом, при этом согласующий электронный тракт электрически соединен с регистрирующей электронной схемой, при этом регистрирующая электронная схема электрически соединена с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с драйвером и блоком синхронизации, причем регистрирующая электронная схема содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, первую схему пороговой обработки сигнала, вторую схему пороговой обработки сигнала, регистратор времени отклика, устройство задания порога срабатывания.Phased lidar according to our invention contains a laser emitter, a modulator, an output optical system directed to the object of observation, receiving optical-electronic path directed to the object of observation, electrically connected to the digital computer, information consumer electrically connected to the digital computer, laser emitter driver, the modulator control unit, the synchronization unit, the laser emitter, the modulator and the output optical system are located on the same optical axis, the core The laser emitter driver is electrically connected to the laser emitter, and the control unit is electrically connected to a modulator, digital computer and synchronization unit, the laser emitter containing a pulsed laser source and collimator located on the same optical axis, the modulator containing a full internal reflection dielectric prism, transparent electrically conductive layer deposited on the hypotenuse edge of the dielectric prism of total internal reflection, gel-like transparent layer, optically coupled a two-layer structure that kits with an electrically conductive layer located above the gel-like transparent layer with a gap, the two-layer structure containing successively arranged dielectric substrate and an electrode system facing the gel-like transparent layer, the catheter face of the total internal reflection dielectric prism perpendicular to the optical axis of the collimator, while the system the electrodes is electrically in contact with the control unit, and the system of electrodes contains a conductive matrix grid with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid is placed a matrix of electrodes of n × m pieces of electrodes, and each electrode of the matrix of electrodes is separated by a dielectric from the conductive matrix grid, and the conductive matrix grid is electrically connected to the control unit containing the reference voltage source, and matrix signal sources of n × m source signal U _ij, wherein one pole of the reference voltage source connected to the transparent conductive layer, and the other pole is connected to the conductive m a triac grid, with each electrode from the electrode array electrically connected to each corresponding source of the source matrix of signals from n × m signal sources, while the other pole of each source of the matrix of signal source sources is grounded, and the synchronization unit is electrically connected to the laser emitter driver and to the unit control, while the output optical system contains, for example, adaptive reflective optics, optically directed at the object of observation, while receiving optical-electronic path about Poultry directed to the object of observation and contains a lens, band-pass optical filter, photoreceiver element, matching electronic path, recording electronic circuit, and the lens, band-pass optical filter and photoreceiver element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, with This matching electronic path is electrically connected to the registering electronic circuit, while the registering electronic circuit is electrically connected to the digital calculator, wherein the digital computer is electrically connected to the driver and the synchronization unit, wherein the electronic circuit comprises a recording amplifier with a variable gain, a first threshold signal processing circuit, a second threshold signal processing circuit, the registrar response time reference threshold device.

Кроме того фазированный лидар по настоящему изобретению содержит излучатель и модулятор, причем модулятор содержит плоскопараллельную прозрачную диэлектрическую подложку, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем, с гелеобразным слоем, с зазором и с двуслойной структурой, причем поверхность системы электродов, обращенная к зазору, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника, причем отраженное излучение от системы электродов направлено на выходную оптическую систему.In addition, the phased lidar of the present invention comprises an emitter and a modulator, the modulator comprising a plane-parallel transparent dielectric substrate, one side of which is optically directed to the laser emitter, and the other side thereof optically in series with the transparent electrically conductive layer, with a gel-like layer, with a gap and bilayer structure, with the surface of the electrode system facing the gap made mirror-like for emitting a laser source, with the reflected radiation tion of the electrode system is directed to the output optical system.

Перечень фигурList of figures

На Фиг. 1 показана общая конструкция фазированного лидара.FIG. 1 shows the overall design of a phased lidar.

На Фиг. 2 показан пример конструкции лазерного излучателя, модулятора и выходной оптической системы.FIG. 2 shows an example of the construction of a laser emitter, modulator and output optical system.

На Фиг. 3 показан разрез модулятора.FIG. 3 shows a modular section.

На Фиг. 4 показан пример конструкции системы электродов и блока управления модулятора.FIG. 4 shows an example of the construction of an electrode system and a modulator control unit.

На Фиг. 5 показана конструкция приемного оптико-электронного тракта.FIG. 5 shows the design of the receiving optoelectronic path.

На Фиг. 6 показана общая конструкция регистрирующей электронной схемы.FIG. 6 shows the general construction of a recording electronic circuit.

На Фиг. 7 показан пример варианта конструкции лазерного излучателя, модулятора и выходной оптической системы.FIG. 7 shows an example of a variant design of a laser emitter, modulator and output optical system.

На Фиг. 8 показан принцип формирования фазированной оптической решетки.FIG. 8 shows the principle of the formation of a phased optical array.

На Фиг. 9 показано формирование набега фазы фазированной оптической решетки.FIG. 9 shows the formation of the phase shift of a phased optical array.

На Фиг. 10 показана временная диаграмма формирования рельефа и набега фазы.FIG. 10 shows a timing diagram of relief formation and phase shift.

На Фиг. 11 показана временная диаграмма отклика рельефа на входной электрический сигнал различных зазорах модулятора.FIG. Figure 11 shows a timing diagram of the response of the relief to the electrical input signal of various modulator gaps.

На Фиг. 12 показаны спектральные характеристики пропускания гелеобразного слоя толщиной 20 мкм.FIG. 12 shows the spectral transmission characteristics of a gel-like layer 20 microns thick.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Фазированный лидар (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) содержит лазерный излучатель 1, модулятор 2, выходную оптическую систему 3, направленную на объект наблюдения 4, приемный оптико-электронный тракт 5, направленный на объект наблюдения 4, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, потребитель информации 7, электрически связанный с цифровым вычислителем 6, драйвер 8 лазерного излучателя 1, блок управления 9 модулятором 2, блок синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1, модулятор 2 и выходная оптическая система 3 расположены на одной оптической оси, причем драйвер 8 лазерного излучателя 1 электрически связан с лазерным излучателем 1, блок управления 9 электрически связан с модулятором 2, цифровым вычислителем 6 и блоком синхронизации 10, причем лазерный излучатель 1 содержит импульсный лазерный источник 11 и коллиматор 12, расположенные на одной оптической оси, причем модулятор 2 содержит диэлектрическую призму полного внутреннего отражения 13, прозрачный электропроводящий слой 14, нанесенный на гипотенузную грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13, гелеобразный прозрачный слой 15, оптически контактирующий с электропроводящим слоем 14, двуслойную структуру 16, расположенную над гелеобразным прозрачным слоем 15 с зазором 17, причем двуслойная структура 16 содержит последовательно расположенные диэлектрическую подложку 18 и систему электродов 19, обращенную к гелеобразному прозрачному слою 15, причем катетная грань диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13 перпендикулярна оптической оси коллиматора 12, при этом система электродов 19 электрически контактирует с блоком управления 9, а система электродов 19 содержит проводящую матричную сетку 20 с n×m штуками диэлектрических ячеек p_ij, причем в ячейках проводящей матричной сетки 20 размещена матрица электродов 21 из n×m штук электродов, причем каждый электрод матрицы электродов 21 разделен диэлектриком 22 от проводящей матричной сетки 20, причем проводящая матричная сетка 20 электрически соединена с блоком управления 9, содержащим источник опорного напряжения 23, и матрицу источников сигнала 24 из n×m источников сигнала U_ij, при этом один полюс источника опорного напряжения 23 подключен к прозрачному проводящему слою 14, а другой его полюс соединен с проводящей матричной сеткой 20, при этом каждый электрод из матрицы электродов 21 электрически соединен с каждым соответствующим источником матрицы источников сигала 24 из n×m источников сигнала, при этом другой полюс каждого из источников матрицы источников сигнала 24 заземлен, причем блок синхронизации 10 электрически соединен с драйвером 8 лазерного излучателя 1 и с блоком управления 9, при этом выходная оптическая система 3 содержит, например, адаптивную отражательную оптику, оптически направленную на объект наблюдения 4, при этом приемный оптико-электронный тракт 5 оптически направлен на объект наблюдения 4 и содержит объектив 25, полосовой оптический фильтр 26, фотоприемный элемент 27, согласующий электронный тракт 28, регистрирующую электронную схему 29, причем объектив 25, полосовой оптический фильтр 26 и фотоприемный элемент 27 расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент 27 электрически соединен с согласующим электронным трактом 28, при этом согласующий электронный тракт 28 электрически соединен с регистрирующей электронной схемой 29, при этом регистрирующая электронная схема 29 электрически соединена с цифровым вычислителем 6, при этом цифровой вычислитель 6 электрически соединен с драйвером 8 и блоком синхронизации 10, причем регистрирующая электронная схема 29 содержит усилитель 30 с регулируемым коэффициентом усиления, первую схему 30 пороговой обработки сигнала, вторую схему 30 пороговой обработки сигнала, регистратор 30 времени отклика, устройство задания порога срабатывания 34.Phased lidar (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6) contains a laser emitter 1, a modulator 2, an output optical system 3, aimed at the object of observation 4, receiving optical-electronic path 5, directed at the object of observation 4, electrically connected to a digital computer 6, a consumer of information 7 electrically connected to a digital computer 6, a driver 8 of a laser emitter 1, a control unit 9 of a modulator 2, a synchronization unit 10, the laser emitter 1, a modulator 2 and an output optical system 3 located on the same optical axis what about The driver 8 of the laser emitter 1 is electrically connected to the laser emitter 1, the control unit 9 is electrically connected to the modulator 2, the digital computer 6 and the synchronization unit 10, the laser emitter 1 contains a pulsed laser source 11 and a collimator 12 located on the same optical axis, modulator 2 contains a dielectric prism of total internal reflection 13, a transparent electrically conductive layer 14 deposited on the hypotenuse face of a dielectric prism of total internal reflection 13, gel-like transparent a layer 15 optically in contact with an electrically conductive layer 14, a two-layer structure 16 located above the gel-like transparent layer 15 with a gap 17, the two-layer structure 16 containing successively arranged dielectric substrate 18 and an electrode system 19 facing the gel-like transparent layer 15, and the dielectric facet total internal reflection prism 13 perpendicular to the optical axis of the collimator 12, while the system of electrodes 19 is electrically in contact with the control unit 9, and the system electrodes in 19 contains a conductive matrix grid 20 with n × m pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid 20 is placed a matrix of electrodes 21 of n × m pieces of electrodes, each electrode of the matrix of electrodes 21 separated by a dielectric 22 from the conducting matrix grid 20, wherein the conductive grid matrix 20 is electrically connected to the control unit 9, comprising a reference voltage source 23 and an array of signal sources 24 of n × m signal sources U _ij, wherein one pole of the reference voltage source 23 is connected to the transparent the conductive layer 14 and its other pole are connected to the conductive matrix grid 20, each electrode from the matrix of electrodes 21 is electrically connected to each corresponding source of source sources 24 and 24 from n × m signal sources, while the other pole of each source matrix of signal sources 24 is grounded, the synchronization unit 10 being electrically connected to the driver 8 of the laser emitter 1 and to the control unit 9, while the output optical system 3 contains, for example, adaptive reflective optics, optically Alerted to the object of observation 4, while receiving optical-electronic path 5 is optically directed to the object of observation 4 and contains a lens 25, a band-pass optical filter 26, a photo-receiving element 27, a matching electronic path 28, a recording electronic circuit 29, and the lens 25, a band-pass optical the filter 26 and the photoreceiver element 27 are located on the same optical axis, and the photoreceiver element 27 is electrically connected to the matching electronic path 28, while the matching electronic path 28 is electrically connected to the recording electronic circuit 29, while registering the electronic circuit 29 is electrically connected to the digital computer 6, while the digital computer 6 is electrically connected to the driver 8 and the synchronization unit 10, and the registering electronic circuit 29 contains an amplifier 30 with adjustable gain, the first circuit 30 threshold processing signal, the second circuit 30 threshold signal processing, the recorder 30 response time, the device setting the threshold 34.

В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 7) в модулятор 2 введена плоскопараллельная прозрачная диэлектрическая подложка 35, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель 1, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем 14, с гелеобразным слоем 15, с зазором 17 и с двуслойной структурой 16, причем поверхность системы электродов 19, обращенная к зазору 17, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника 11, причем отраженное излучение от системы электродов 19 направлено на выходную оптическую систему 3...In another embodiment of the device (FIG. 7), a plane-parallel transparent dielectric substrate 35 is inserted into the modulator 2, one side of which is optically directed to the laser emitter 1, and the other side is optically in series with the transparent electrically conductive layer 14, with a gel-like layer 15, c a gap 17 and with a two-layer structure 16, and the surface of the system of electrodes 19, facing the gap 17, is made mirror-like for emitting a laser source 11, and the reflected radiation from the system of electrodes 19 nap avleno the output optical system 3 ...

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

В предложенном устройстве фазированного лидара (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает диэлектрическую призму полного внутреннего отражения 13, модулятора 2 (Фиг. 2). Электрически сигналы, которые вырабатываются цифровым вычислителем 6 в блоке управления 9 с помощью драйвера 8 и блока синхронизации 10, поступают в модулятор 2. В модуляторе 2 под действием электрических сигналов, от матрицы источников сигнала 24 из n×m источников сигнала U_ij в системе электродов 19 на матрице 21 из n×m штук электродов, расположенных на диэлектрической подложке 18 и разделенных диэлектриком 22 от проводящей матричной сетки 20, создается модулированная напряженность электрического поля (Фиг. 2, 3, 4). Для усиления этой напряженности используется источник опорного напряжения 23 U₀. Он подключен одним полюсом к прозрачному проводящему слою 14, а другим к проводящей сетке 20. (Фиг. 4). Под действием этой модулированной напряженности на поверхности гелеобразного прозрачного слоя 15 в зазоре 17 создается геометрический рельеф (Фиг. 3, 8, 9). Детально работа модулятора 2 описана в книге Ю.П. Гущо «Физика рельефографии» Наука, М., 1999. Применение проводящей матричной сетки 20 позволяет устранить перекрестное влияние сигналов и увеличить чувствительность электронного управления фазированным лидаром. Высота рельефа регулируется заданным напряжением каждого источника сигнала матрицы 24. В свою очередь глубина рельефа изменяет набег фазы ψ когерентного лазерного излучения, который можно определить по формуле: ψ=2√2nω₁A, где А - глубина рельефа;

- длина волны считывающего излучения; n=1,41 - коэффициент преломления гелеобразного слоя (Фиг. 2, 9). Задавая управляющие напряжения соответствующих областей модулятора U₁(t)…U₄(t) (Фиг. 10а) и амплитуды рельефа соответствующих областей фазового модулятора света a₁(t)…a₄(t) (Фиг. 10б), можно управлять направлением светового излучения с целью сканирования объекта наблюдения 4. При этом с помощью адаптивной выходной оптической системы 3 может быть введена коррекция углов сканирования. Отраженное излучение от объекта наблюдения 4 поступает в приемный оптико-электронный тракт 5. Оптическое излучение проходит через объектив 25, полосовой оптический фильтр 26 и поступает в фотоприемный элемент 27, где преобразуется в электрический сигнал (Фиг. 1, 5, 6). Этот электрический сигнал через согласующий электронный тракт 28 поступает в регистрирующую электронную схему 29, где сигнал обрабатывается с помощью усилителя 30 с регулируемым коэффициентом усиления, первой схемой 31 пороговой обработки сигнала, вторая схема 32 пороговой обработки сигнала, регистратором 33 времени отклика, устройством 34 задания порога срабатывания. Далее электрический сигнал поступает в цифровой вычислитель 6, в котором происходит программная обработка полученных электрических сигналов. Далее выработанные сигналы передаются в потребитель информации 7, драйвер 8 лазерного излучателя 1, блок 9 управления модулятора 2 и блок синхронизации 10. Достоинством предлагаемого фазированного лидара является также возможность сканирования в виде круговых, секторных, винтовых, спиральных, конических, пилообразных, зигзагообразных, спирально-, конических, поступательно-конических траекторий (Э.А. Засовин и др. «Радиотехнические и радиооптические системы», М: Круглый год, 752 с., 2001). Важным преимуществом фазированного лидара является возможность использования всего светового потока в каждой точке траектории сканирования. Еще одним достоинством фазированного лидара является возможность сканирования с помощью относительно небольшого количество элементов матрицы электродов 21. Необходимо отметить высокое быстродействие предлагаемого фазированного лидара благодаря применению модулятора 2. Его быстродействие (Фиг. 11.) на 3 порядка выше, чем быстродействие модуляторов LCoS и DMD («LCoS spatial light modulators as active phase elements of full-field measurement systems and sensors», Kujawinska Malgorzata, Porras-Aguilar Rosario, Zaperty Weronika, Metrology and Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229, Metrol. Meas. Syst., Vol. XIX (2012), No. 3, pp. 445-458; «Second-generation compound for the modulationof utrophin in the therapy of DMD», Simon Guiraud, Sarah E. Squire, Benjamin Edwards, Huijia Chen, David Т., Human Molecular Cenetics, 2015, 1-15). Особенно следует отметить уникальную оптическую полосу пропускания модулятора 2. На Фиг. 12 приведены экспериментальные характеристики оптической полосы пропускания от 0,4 до 25 мкм. Это открывает возможности создания приборов нового поколения.In the proposed device phased lidar (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6) laser emitter 1, consisting of a coherent pulsed laser source 11 and collimator 12, illuminates the dielectric prism of total internal reflection 13, modulator 2 (Fig. 2) . Electrically the signals that are generated by the digital computer 6 in the control unit 9 using the driver 8 and the synchronization unit 10 are fed into the modulator 2. In the modulator 2 under the influence of electrical signals, from a matrix of signal sources 24 from n × m signal sources U _ij in the electrode system 19 on the array 21 of n × m electrodes located on the dielectric substrate 18 and separated by dielectric 22 from the conductive array grid 20, a modulated electric field is created (Figs. 2, 3, 4). To enhance this intensity, the reference voltage source 23 U _{0 is used} . It is connected by one pole to the transparent conductive layer 14, and the other to the conductive grid 20. (Fig. 4). Under the action of this modulated intensity, a geometric relief is created on the surface of the gel-like transparent layer 15 in the gap 17 (Fig. 3, 8, 9). The operation of modulator 2 is described in detail in the book by Yu.P. The “Physics of Reliefography” is scientifically Nauka, Moscow, 1999. The use of a conductive matrix grid 20 allows to eliminate the cross-influence of signals and increase the sensitivity of the electronic control of a phased lidar. The height of the relief is governed by the specified voltage of each source of the matrix 24 signal. In turn, the relief depth changes the phase shift ψ of coherent laser radiation, which can be determined by the formula: ψ = 2√2nω ₁ A, where A is the depth of the relief;

- reading radiation wavelength; n = 1.41 is the refractive index of the gel-like layer (Fig. 2, 9). By setting the control voltages of the respective modulator regions U ₁ (t) ... U ₄ (t) (Fig. 10a) and the relief amplitudes of the corresponding regions of the phase light modulator a ₁ (t) ... a ₄ (t) (Fig. 10b), the direction can be controlled light radiation to scan the object of observation 4. In this case, using the adaptive output optical system 3, a correction of the scanning angles can be introduced. The reflected radiation from the object of observation 4 enters the receiving opto-electronic path 5. The optical radiation passes through the lens 25, the band-pass optical filter 26 and enters the photodetector element 27, where it is converted into an electrical signal (Fig. 1, 5, 6). This electrical signal through the matching electronic path 28 enters the registering electronic circuit 29, where the signal is processed by an amplifier 30 with adjustable gain, the first threshold signal processing circuit 31, the second threshold signal circuit 32, the response time recorder 33 triggers. Next, the electrical signal enters the digital computer 6, in which software processing of the received electrical signals takes place. Next, the generated signals are transmitted to the information consumer 7, the driver 8 of the laser emitter 1, the modulator control unit 9 and the synchronization unit 10. The advantage of the proposed phased lidar is the ability to scan in the form of circular, sector, helical, spiral, conical, sawtooth, zigzag, helical -, conical, progressive-conical trajectories (E.A. Zasovin et al., Radio Engineering and Radio-Optical Systems, M: All year round, 752 p., 2001). An important advantage of a phased lidar is the ability to use the entire light flux at each point of the scanning path. Another advantage of a phased lidar is the ability to scan using a relatively small number of elements of the matrix of electrodes 21. It is necessary to note the high speed of the proposed phased lidar due to the use of modulator 2. Its speed (Fig. 11.) is 3 orders of magnitude higher than the speed of the LCoS and DMD modulators ( "Kuzawinska Malgorzata, Porras-Aguilar Rosario, Zerty Weronika, Metrology and Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229, Metrol. Meas. Syst., Vol. XIX (2012), No. 3, pp. 445-458; "Second-generation compound for the modulation of utrophin in the therapy of DMD ”, Simon Guiraud, Sarah E. Squire, Benjamin Edwards, Huijia Chen, David T., Human Molecular Cenetics, 2015, 1-15). Of particular note is the unique optical bandwidth of the modulator 2. In FIG. 12 shows the experimental characteristics of the optical bandwidth from 0.4 to 25 microns. This opens up the possibility of creating a new generation of instruments.

В другом варианте осуществления устройство работает следующим образом (Фиг. 7). Лазерный излучатель 1, состоящий из когерентного импульсного лазерного источника 11 и коллиматора 12, освещает плоскопараллельную прозрачную диэлектрическую подложку 35, одна из сторон которой оптически направлена на лазерный излучатель 1, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем 14, с гелеобразным слоем 15, с зазором 17 и с двуслойной структурой 16, причем поверхность системы электродов 19, обращенная к зазору 17, выполнена зеркальной для излучения лазерного источника 11, причем отраженное излучение от системы электродов 19 направлено на выходную оптическую систему 3. В этом варианте осуществления изобретения упрощается конструкция модулятора 2 благодаря отсутствию диэлектрической призмы полного внутреннего отражения 13, а также устраняет необходимость оптической коррекции светового излучения.In another embodiment, the device operates as follows (Fig. 7). The laser emitter 1, consisting of a coherent pulsed laser source 11 and a collimator 12, illuminates a plane-parallel transparent dielectric substrate 35, one side of which is optically directed to the laser emitter 1, and the other side is optically in series with the transparent electrically conductive layer 14 with a gel-like layer 15 , with a gap of 17 and with a two-layer structure 16, the surface of the system of electrodes 19, facing the gap 17, is made mirror-like for emitting a laser source 11, and the reflected zluchenie system of electrodes 19 is directed to the output optical system 3. In this embodiment, the modulator 2 design is simplified by eliminating the dielectric prism 13 of full internal reflection, and also eliminates the need of optical correction of light emission.

Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.The device of the present invention can be performed as follows.

В качестве когерентного импульсного лазерного источника света 11 могут быть использованы, например, полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. Для обеспечения достаточного уровня быстродействия и высокой энергоэффективности в качестве коммутирующих элементов драйвера когерентного источника света целесообразно применять транзисторы на нитриде галлия, позволяющие формировать зондирующие импульсы длительностью менее 1 не и оптической энергией не менее 70 нДж. Реализация устройства драйвера 8 может быть осуществлена известными методами (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).As a coherent pulsed laser light source 11, for example, semiconductor lasers or lasers on copper, gold, strontium, and also gas lasers can be used. To ensure a sufficient level of speed and high energy efficiency, it is advisable to use transistors on gallium nitride as switching elements of a coherent light source driver, which allow forming probe pulses with a duration of less than 1 n and optical energy of at least 70 nJ. The implementation of the device driver 8 can be carried out by known methods (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).

В качестве элементов приемного оптико-электронного тракта 5, цифрового вычислителя 6, потребителя информации 7, драйвера 8, блока управления 9 модулятора, блока синхронизации 10 могут быть использованы стандартные микросхемы, или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств. Для индивидуального управления системы электродов 19 модулятора 2 для оптимизации количества электрических соединений целесообразно использовать многоканальные драйверы с последовательной загрузкой данных в регистр-защелку и возможностью последовательного объединения (например, HV583).As elements of the receiving opto-electronic path 5, digital computer 6, information consumer 7, driver 8, modulator control unit 9, synchronization unit 10, standard chips or chip sets can be used, the level of integration depends on the technical requirements of the devices. For individual control of the system of electrodes 19 of the modulator 2 to optimize the number of electrical connections, it is advisable to use multichannel drivers with sequential loading of data into the latch register and the possibility of sequential combining (for example, HV583).

Система электродов 19, включая матрицу 21 и проводящую матричную сетку 20, может быть выполнена из алюминия, хрома, молибдена, окиси индия. Толщина системы электродов 19 может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Зазор 17 может быть заполнен воздухом или инертным газом, толщиной, например, 10 мкм. Толщину гелеобразного прозрачного слоя 15, можно выбрать, например, 60 мкм. Электрические сигналы на вход модулятора 2, могут быть, например, выбраны следующими: максимальное напряжение сигнала 15-20 Вольт, длительность управляющего импульса 7 мкс. Опорное напряжение может быть выбрано, например, 50 Вольт.The system of electrodes 19, including the matrix 21 and the conductive matrix grid 20, can be made of aluminum, chromium, molybdenum, indium oxide. The thickness of the electrode system 19 can be selected from tenths to hundredths of a micron. The gap 17 can be filled with air or an inert gas, for example, 10 microns thick. The thickness of the gel-like transparent layer 15 can be selected, for example, 60 μm. The electrical signals to the input of the modulator 2 can be, for example, selected as follows: the maximum signal voltage is 15-20 volts, the duration of the control pulse is 7 μs. The reference voltage can be selected, for example, 50 volts.

Диэлектрическая призма полного внутреннего отражения 13 и плоскопараллельная прозрачная диэлектрическая подложка 35 могут быть выполнены из одного материала, например, из кварцевого стекла. Прозрачный электропроводящий слой 14 - например, из материалов на основе окиси индия.The dielectric prism of total internal reflection 13 and the plane-parallel transparent dielectric substrate 35 can be made of the same material, for example, of quartz glass. Transparent electrically conductive layer 14 - for example, from materials based on indium oxide.

Гелеобразный прозрачный слой 15 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК7: G02F 1/00). В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки.Gel-like transparent layer 15 is prepared on the basis of polyorganosiloxane by known methods (Patent No. 2577802 Speculator for laser radiation (options), classes MPK7: G02F 1/00). As the remaining elements and blocks standard elements and blocks can be used.

Claims

1. Phased lidar consisting of an output optical system, a receiving optical-electronic path, a digital computer, a consumer of information, a laser emitter containing a laser light source and a collimator, characterized in that a modulator, a laser emitter driver, a modulator control unit are introduced into the phased lidar , a synchronization unit, the laser emitter, the modulator and the output optical system are located on the same optical axis, and the driver of the laser emitter is electrically connected to the laser radiation The modulator control unit is electrically connected to the modulator, digital calculator and synchronization unit, while the information consumer is electrically connected to the digital calculator, the laser emitter containing a pulsed laser source and collimator located on the same optical axis, and the modulator contains a complete internal dielectric prism reflections, a transparent electrically conductive layer deposited on the hypotenuse edge of the dielectric prism of total internal reflection, gel-like an opaque layer optically in contact with a transparent electrically conductive layer, a two-layer structure located above the gel-like transparent layer with a gap, the two-layer structure containing a successively arranged dielectric substrate and an electrode system facing the gel-like transparent layer collimator, while the electrode system is in electrical contact with the modulator control unit, and the system electrodes contains a conductive matrix grid with

pieces of dielectric cells p _ij , and in the cells of the conductive matrix grid is placed a matrix of electrodes from

pieces of electrodes, each electrode of the electrode matrix is separated by a dielectric from a conductive matrix grid, and the conductive matrix grid is electrically connected to a modulator control unit containing a voltage source and a signal source matrix from

signal sources U _ij , while one pole of the voltage source is connected to a transparent conductive layer, and the other pole is connected to a conductive matrix grid, with each electrode from an electrode array electrically connected to each corresponding source of a matrix of sources from

signal sources U _ij , while the other pole of each of the signal sources U _{ij of} the signal source matrix is grounded, the synchronization unit is electrically connected to the laser emitter driver and to the modulator control unit, and the output optical system contains, for example, adaptive reflective optics optically at the object of observation, while receiving optical-electronic path is optically directed to the object of observation and contains a lens, a band-pass optical filter, a photo-receiving element, a matching element The electron beam registering the electronic circuit, the lens, the band-pass optical filter and the photoreceiver element are located on the same optical axis, and the photodetector element is electrically connected to the matching electronic path, while the matching electronic path is electrically connected to the recording electronic circuit, while the registering electronic circuit is electrically connected to a digital computer, while the digital computer is electrically connected to the laser emitter driver and synchronization unit, than recording the electronic circuit comprises an amplifier with an adjustable gain, a first threshold signal processing circuit, a second threshold signal processing circuit, the registrar response time reference threshold device.

2. Phased lidar according to claim 1, characterized in that a plane-parallel transparent dielectric substrate is inserted into the modulator, one side of which is optically directed to the laser emitter, and the other side of it is optically in series with a transparent electrically conductive layer, with a gel-like transparent layer, with a gap and with a two-layer structure, the surface of the electrode system facing the gap is made mirror-like for emitting a pulsed laser source, and the reflected radiation from the system is electrode in the output is directed to an optical system.