WO2018226124A1 - Оптическое устройство для определения расстояний до объекта - Google Patents

Оптическое устройство для определения расстояний до объекта Download PDF

Info

Publication number
WO2018226124A1
WO2018226124A1 PCT/RU2018/050028 RU2018050028W WO2018226124A1 WO 2018226124 A1 WO2018226124 A1 WO 2018226124A1 RU 2018050028 W RU2018050028 W RU 2018050028W WO 2018226124 A1 WO2018226124 A1 WO 2018226124A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
input
output
signal
optical
sensor
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/050028
Other languages
English (en)
French (fr)
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
Publication of WO2018226124A1 publication Critical patent/WO2018226124A1/ru

Links

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

Definitions

  • 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.
  • 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
  • LIDAR Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging
  • Lidar as a device, is at least an active optical rangefinder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders and laser locators.
  • PWP Pseudorandom (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that they seem random to an external observer.
  • Signal multiplexing - channel multiplexing i.e. transmission of several data signal streams on one channel.
  • VKF is a cross-correlation function.
  • Rxyi) ⁇ x (t) y (t -) dt, where [0, T] is the integration interval, and the duration of the reference signal y (t), as a rule, is significantly less than T.
  • Additional sequences are known, (See L. Varakin, “Communication Systems with Noise-Like Signals,” M .: Radio and Communications, 1985.)
  • 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.
  • Optical radiation - in this patent, optical study refers to electromagnetic waves whose lengths are in the range with arbitrary boundaries from 3000 gp to 0.25 t.
  • EPR effective scattering surface
  • LFM - linear frequency modulation a type of frequency modulation at which the frequency of the carrier signal changes linearly.
  • 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 figure 1.
  • 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 outputs are read from outputs 2-1 'and 2-2' of the last stage sequence.
  • the cascade calculator is used for coordinated filtering of signals modulated by additional sequences obtained from the outputs 2-1 'and 2-2' of the last stage and read in the reverse order; we will call them, respectively, the additional sequences “one” and “two”. These sequences are also optional.
  • the filtered signal is simultaneously fed to input 2-1 and input 2-2 of the first 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.
  • the delay cycles for the delay line in each stage are determined as
  • N is the number of cascades in the circuit.
  • 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.
  • 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 The first one compresses their duration (when a pulse passes through a medium with reverse dispersion), and a laser beam of amplified short pulses is output.
  • This method is called - “Chirped pulse amplification method”.
  • modulated laser devices generating 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.
  • 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 ⁇ 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), which we would have obtained using a laser generating a power of 150 fs pulse of the order of 3.2 MW.
  • the time calculation 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.
  • 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.
  • 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. Distance to surface area of the sensed object or target from the corresponding photodetector sensor 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 the maximum value written in it that exceeds the specified detection threshold.
  • This patent provides an example of reliable measurement of the distance to the surface of an object with the probability of a sensor triggering from a reflected signal generated by a single probe pulse, which is only 3%.
  • 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.
  • TR is the recurrence period, which cannot be less than R max * 2 / ⁇ , where R max is the maximum permitted range, and C is the speed of light.
  • 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.
  • 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).
  • 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 growth due to impact ionization (Geiger counter mode), is a receiving sensor what is reflected the received signal will be a superposition of optical signals from the object / s the distance to which is measured, as well as signals from other (objects). Moreover, the intensity of signals from all or some objects may be higher than the upper threshold of linearity of the receiving device.
  • Figure 1 taken from Optics Express Vol. 18 (2010), Issue 6, pp. 5906-591 1 // 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
  • the probability of the receiving device (sensor) working 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%, then the probability of detecting radiation during T 0 , which is a superposition of radiation from both sources, will be close to 98%.
  • the probability of detecting a photon from which during the time T 0 is 5%
  • the probability of detection will be close to 10%, i.e. the probability of the sensor triggering during time T 0 depends additively on the intensities of the radiation sources, if the superposition of the radiation does not exceed the range of the linear dependence of the probability of the sensor on the intensity (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.
  • the received signal 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 “two” signal is a “one” signal, delayed for a time of 50T 0.
  • 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 0 / C further than object “one”.
  • T 0 500 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 of T 0.
  • the time instant in the sensing cycle, the beginning of which is “T 0 * (p-1) and the end i T 0 * (p) is confined to the clock number n counted in each sensing cycle from the beginning of the sensing cycle.
  • Each sensing cycle uses its own unique probing optical IFP, consisting of 512 positions occupying a time interval of 4 * T 0 , 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 0.
  • 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”.
  • PCB is used, obtained from the first additional sequence by replacing “-1” with “0” in it.
  • the reception of the optical signal is as follows.
  • “1” is sent to the calculator / matched filter at the nth step (measured from the beginning of the sensing 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.
  • 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 cycles sounding.
  • 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.
  • Responses 5-1 and 5-2 are visible, allowing one to distinguish / detect the signal “one” and signal “two” and determine the delay between them, equal to 50T 0 .
  • Example 1 The difference from Example 1 is that in the alignment of the beam directed to the objects of optical radiation from the modulated PWB radiation source there are three objects, schematically reflected in FIG. four.
  • 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 the sensor triggering from a single optical pulse reflected from the object 4-3 (reflective partition) is "98%.
  • the object 4-1 extended in the direction of the probing radiation reflects a light pulse stretched in time to the lidar sensor, causing four to five sensor operations in a time of 5T 0 , which characterizes the length of the object 4-1.
  • 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 0 / C, and to the reflective partition 50T 0 / C.
  • 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 one to distinguish / detect signals from an extended object 4-1, a sensed object 4-2 and a reflective partition 4-3.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 IFP 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.
  • 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.
  • the same effect persists when replacing a receiving device that generates a current that is integrated on the T 0 segments with a binary receiving device operating in the Geiger counter mode.
  • a binary receiving device operating in the Geiger counter mode.
  • SPAD or SSPD Superconducting Single Photon Counter
  • the average sensor response rate is up to 70% of the sync pulse repetition rate equal to 1 / T 0 .
  • the average sensor response rate is less than 50% of the clock repetition rate.
  • An optical device for determining distances to an object according to the level of technology described in RF patent N ° 2605628, published in 2016, includes
  • module for calculating the distance to the determined object by the time delay of the received signal including
  • This device is the closest in technical essence and the achieved technical result and is selected as a prototype of the invention.
  • the disadvantage of this prototype is the limited ability to simultaneously extract from the received signal, correlation responses, from signals reflected from the probed objects, if in the received
  • the signal contains both signals with peak intensities on the sensor surface lying in the range of a linear dependence of the probability of the receiving sensor firing on the signal intensity on a time interval of a given duration, and signals with peak radiation intensities causing the sensor to trigger on a time interval of the same duration with probabilities close to 100%.
  • 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.
  • 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 radiation of additional binary codes, and as a receiver of the optical sensor receive path lidar binary optical sensor, operating in the nonlinear regime Geiger counter and allowing probability (p the probability of recording 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 obviously more than necessary leading to the triggering of the sensor with a probability close to to 100%.
  • the device includes a signal generation module at each clock step 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 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,
  • 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
  • • 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 storage 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 creating m oscillator input probe sequence.
  • the device includes a conjunction unit, 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 from the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the third input of the module generating a signal at each step, and the second output of which is connected to the second input of the first signal accumulation unit,
  • 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. 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.
  • 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.
  • the sensor for detecting the reflected optical signal from the object is made in the form of elements of an optically sensitive matrix.
  • the sensor for detecting the reflected optical signal is made in the form of a sensor having the ability to operate in the mode of a Geiger counter with gating.
  • a Geiger counter with gating for example, a Geiger counter with gating. Due to this advantageous characteristic, it is possible to avoid sensor triggering from part of the optical pulses incident on the sensor surface, preventing the sensor from triggering from weak optical pulses entering the surface of the optical sensor during the period of time during which the sensor's ability to receive the next optical pulse is restored.
  • the sensor for detecting the reflected optical signal can be made in the form of a sensor operating in the sinusoidal gating mode, which makes it possible to reduce the period of time during which the sensor's ability to receive the next optical pulse is restored and, accordingly, the maximum photon counting frequency is increased.
  • 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".
  • FIG. 1 depicts a diagram of series-connected cascades, each of which contains a delay line and two adders, according to the prior art
  • FIG. 2 depicts the connection sequence of the cascades of their figure 1 to generate additional sequences, according to the prior art
  • FIG. 3 depicts the experimentally obtained dependence of the probability of detecting a photon in time T 0 on the radiation intensity expressed as the average number of photons arriving on the surface of the sensor under study in time T 0 , according to the prior art
  • FIG. 4 depicts a layout of objects in the alignment of directional radiation of the lidar.
  • FIG. 9 depicts a functional diagram of an optical device for determining distances to an object according to the invention
  • FIG. 10 depicts the steps of the optical device for determining the distances to the object, according to the invention.
  • an optical device for determining distances to an object includes: • radiation source 1 per object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the output
  • generator 3 create a probe sequence, the first input of which is connected to the first output
  • module 8 for calculating the cross-correlation function of the reference and received signals, the output of which is connected to the first input
  • demultiplexer 10 the output of which is connected to the input
  • module 1 of threshold detection of a signal whose output is connected to an input
  • module 12 calculating the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal, including
  • the device includes a signal generation 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 at a time interval confined to clock cycle n, 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) 5, the second input of which is connected to the second output of the clock signal generator 4, and the output of which is connected to the multi input Lexor 6,
  • 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 on each clock cycle, and the second output of which is connected to the second input of the first signal storage unit 7,
  • 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, which is connected to the input
  • the device optionally includes a reference source 19 of precise time and frequency signals, the first output of which is connected to the input of the clock signal generator 4, and the second output, which is connected to the second input of the clock generating unit 16 at the beginning of the sensing cycle.
  • 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. Not shown in FIG. 9.
  • the sensor (receiving device) 5 (it is also an optically sensitive element for detecting the reflected optical signal or the optical device itself or the receiving path of the optical device) can be located on the gyroscopic stabilization device or contains an optical stabilization device.
  • the figure 9 is not shown.
  • the sensor 5 may have a polarizing filter placed in front of the input of the optical signal to the photosensitive element.
  • the figure 9 is not shown.
  • the sensor of the receiving device 5 can be made in the form of elements of an optically sensitive matrix.
  • an optical device for determining distances to an object operates as follows.
  • this example does not limit the application of the invention.
  • 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.
  • Stage E2 The signal reflected from the objects is received by the optical receiving device 5.
  • Stage EZ A binary digital code is generated by module 14.
  • Stage E4 Using the module 6, multiplex the code generated in step 3 to the first accumulation block 7.
  • 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.
  • 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.
  • Stage E7 Submit a 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.
  • Stage E8 Using the module 10 (read in a specific order) the contents of the memory cells from the second accumulation unit 9 are demultiplexed onto the threshold detection module of the signal 1 1 corresponding to a certain pixel (photosensitive element detecting the received signal from the receiving device 5).
  • 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.
  • 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.
  • Calculations of the device’s operation showed that it allows the lidar to work 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.
  • 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 number, according to which the integration of the photocurrent begins or ends on the time interval T 0 , then in the present invention a binary sequence is formed in which the number of each member is confined to the number of the clock pulse counted from the moment the probe cycle begins and takes on the value “0” if until the next About the sync pulse, the sensor did not work (registration of the optical radiation edge) did not happen, and “1” or “-1” if the sensor was triggered.
  • 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 (with a probability of registration proportional to the number of photons contained in a short optical pulse) to record 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 causing the sensor to trigger with probability close to 100%.

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

Изобретение относится к оптическим устройствам определения расстояний до объекта, включающим источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, генератор создания зондирующей последовательности, генератор тактового сигнала, оптическое приемное устройство в нелинейном режиме, мультиплексор, первый блок накопления сигнала, модуль вычисления взаимно-корреляционной функции излученного и отраженного сигналов, второй блок накопления сигнала, демультиплексор, модуль порогового обнаружения сигнала, модуль вычисления расстояния до объекта по временной задержке отраженного сигнала, и может быть использовано в навигации, в беспилотных летательных аппаратах, в лазерной локации. Согласно изобретению устройство включает в себя модуль формирования сигнала на каждом такте п, соответствующего значению 0, 1 или - 1, блок формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования, блок подсчёта циклов зондирования, блок выборки и обработки зондирующих сигналов.

Description

ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТА
Область техники, к которой относится изобретение.
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.
В данном описании используются следующие термины:
ЛИДАР (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности)— технология получения и обработки информации об удалённых 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.
ПШП, Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности - это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю они кажутся случайными.
Мультиплексирование сигналов - уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков сигналовданных по одному каналу.
Демультиплексирование сигналов - обратная операция.
ВКФ - взаимнокорреляционная функция . Пример ВКФ: τ
Rxyi ) = \ x(t)y(t - )dt , где [0, T] интервал интегрирования, причём длительность опорного сигнала y(t), как правило, существенно меньше Т.
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 х и у.
Дополнительные последовательности. Известны дополнительные последовательности, (См. Варакин Л.Е. - «Системы связи с шумоподобными сигналами» М.: Радио и связь, 1985.)
Последовательности {ап} и {ап} называются дополнительными, если
R + R = 2 при μ=0 или R + R = 0 п и μ=+/-1 , ... , +/- (Ν-1 ), где
Figure imgf000004_0001
Примером таких последовательностей являются D-коды.
Квантовая эффективность - вероятность генерации попадающим на приемное устройство фотоном свободного носителя, который достигнет области высокого поля, достаточного для ударной ионизации.
Оптическое излучение - в настоящем патенте под оптическим изучением понимаются электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 3000 гп до 0.25 т.
ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) - является количественной мерой свойства объекта рассеивать оптическое излучение по направлению к приемному сенсору.
ЛЧМ - линейная частотная модуляция, вид частотной модуляции при которой частота несущего сигнала изменяется линейно.
Уровень техники.
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 соединённых каскадов каждый из которых содержит линию задержки и два сумматора. Схема такого каскада приведена на фигуре 1 .
Последовательно соединяя такие каскады, как показано на фигуре 2 можно генерировать дополнительные последовательности, для чего на вход 2-1 и вход 2-2 первого каскада одновременно подаётся единичной импульс, а с выходов 2-1 ' и 2-2' последнего каскада считываются дополнительные последовательности.
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 перекрёстно выход 2-1 ' к входу 2-2 и наоборот.
Величина тактов задержки для линии задержки в каждом каскаде определяется, как
2(F(( -i ) где j номер каскада p(i) - произвольная функция перестановок.
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.
Длина дополнительных последовательностей равна
2N, где N - число каскадов в схеме.
Например, схема, приведённая на фигуре 2 генерирует два дополнительных кода длины 23=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.
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» (Chirped pulse amplification).
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.
Пример 1. Используется лазер YLMO компании MenloSystems с длительностью импульса менее 150 fs и частотой повторения 100 MHz. За время 300 β 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 приёмника), 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 1 1 раз.
Для целей зондирования, рефлектометрии, волоконно-оптической коммуникации, сжатие чирпированных импульсов может происходить и в приёмном 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. 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 тонкоплёночных сверхпроводниковых структур.
Подобного рода сенсоры характеризуются
1 ) квантовой эффективностью до 80- 90%,
2) рабочими диапазонами длин волн регистрируемого излучения от 0.25 до 3 μηι,
3) временным разрешение до 25 ps,
На основе подобных приёмников, создаются интегральные системы регистрации, имеющие десятки каналов (пикселов).
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 счётчика Гейгера (SPAD), систему измерения времени пролёта испускаемого оптического импульса до поверхности объекта и обратно до фотопиемного устройства, вычислительного устройства (процессора) и дисплея для отображения информации. Система подсчёта 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.
Сенсоры так же могут срабатывать от сторонних источников излучения и самопроизвольно с определённой средней частотой. Процесс испускания оптических импульсов и вероятностной регистрации/приема порождённых 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.
В данном патенте приведён пример надёжного измерения расстояния до поверхности объекта при вероятности срабатывания сенсора от отражённого сигнала, порождённого единичным зондирующим импульсом, которая составляет всего 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.
Так допустим, если вероятность обнаружения отражённого сигнала, порождённого единичным излучающим импульсом (отражённым от отражающего объект), на отрезке времени Т0 составляет 5%, то для измерения относительной отражающей способности от объекта (измеряемой в срабатываниях сенсора в сек.) со среднеквадратическим отклонением 5% необходимо произвести подсчёт принятых фотонов на 8000 отрезках Т0 о = 0.05 = 1/(0.05*8000)1 2.
Таким образом, время измерения возрастает до
8000*TR , где TR - рекуррентный период, который не может быть меньше чем Rmax * 2/С, где Rmax - максимальная разрешаемая дальность, а С - скорость света.
Так для Rmax =10 км при накоплении сигнала за 8000 рекуррентных периодов потребуется не менее 0.53 с.
Данный недостаток устраняется за счёт 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.
В заявке на патент США 20150120241 , опубликованной в апреле 2015, указано, что для приёма отражённых от объекта оптических ПШП можно использовать так называемые SPAD (однофотонные лавинные диоды). Однако, использование методов зондирования с использованием ПШП имеет недостатком то, что в силу ограниченности динамического диапазона приёмного устройства, при приёме сигнала, представляющего собой суперпозицию двух и более оптических ПШП и шумовой составляющей сигнала, суммарная измеряемая интенсивность излучения не всегда может быть измерена корректно.
Так, например, в случае использования в качестве приёмника излучения лавинного диода, работающего в нелинейном режиме счётчика Гейгера, существует отрезок времени между моментом образования лавины, инициированной принятым фотоном, ее гашением, а также между гашением и восстановлением (этот отрезок времени называют мёртвым временем, обозначаемым как, Td). В этот промежуток времени регистрация других дополнительных фотонов невозможна.
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 приёмную поверхность сенсора, работающего в нелинейном режиме счетчика Гейгера и измеряемые в количестве срабатываний сенсора за единицу времени, большие чем 1 /Td, измеряться не могут.
Параметр 1 /Td называется максимальной частотой счета/регистрации фотонов и определяет верхнюю границу динамического диапазона приёмных устройств на основе приёмников единичных фотонов.
Параметр, определяемый, как среднее количество ложных регистраций фотонов за единицу времени определяет соответственно нижнюю границу динамического диапазона однофотонного приёмного устройства (может составлять единицы ложных срабатываний в секунду).
Недостатком лидаров, рефлектометров, использующих в качестве зондирующих сигналов оптические ПШП, а качестве приёмных сенсоров устройства, работающие в нелинейном режиме, характеризующиеся ограничением роста тока при увеличении интенсивности принимаемого излучения, или лавинообразным увеличение роста тока, обусловленного ударной ионизацией (режим счётчика Гейгера), является то, что отражённый принимаемый сигнал будет являться суперпозицией оптических сигналов от объекта/-ов расстояние до которого измеряется, так и сигналы от других (объектов). Причём интенсивность сигналов от всех или некоторых объектов может быть выше верхнего порога линейности приемного устройства.
На фигуре 3 приведена экспериментально полученная зависимость вероятности обнаружения фотона за время Т0 = 490 ps от интенсивности излучения, выраженной в среднем числе фотонов поступающих на поверхность исследуемого сенсора за время Т0. Фигура 1 взята из Optics Express Vol. 18 (2010), Issue 6, pp. 5906-591 1 // 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
Действительно, если внутри временного интервала Т0, вероятность срабатывания приемного устройства (сенсора) работающего в режиме счетчика Гейгера от излучения, порождённого первым источником излучения, составляет 10%, а вероятность срабатывания того же сенсора от излучения, порождённого вторым источником излучения составляет 98%, то вероятность обнаружения за время Т0 излучения, являющегося суперпозицией излучений от обоих источников будет близка к 98%.
При сложении излучений от двух источников вероятность обнаружения фотона от которых за время Т0 составляет 5%, вероятность обнаружения будет близка к 10%, т.е. вероятность срабатывания сенсора за время Т0 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.
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.
Если в моноимпульсных лидарах, в том числе и с накоплением принимаемого сигнала, возможно устранение отражённых сигналов, от посторонних объектов, (которыми могут быть сетка/забор, кустарник, аэрозоль), эффективно отражающих оптический сигнал и расположенных перед/после объекта, расстояние до которого измеряется путём 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.
Приведём примеры, показывающие существующее снижение возможностей по обнаружению/выделению оптического псевдошумового сигнала, отражённого от зондируемого объекта при смешении его с другими оптическими псевдошумовыми сигналами, интенсивности оптических импульсов в которых существенно превышают диапазон линейности приёмного устройства, работающего в режиме счета фотонов и примеры показывающие преодоление этого недостатка.
Пример. 2 ( Два «слабых» сигнала).
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 50Т0. Оптические сигналы «один» и «два» моделируют отражённые 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 25Т0/С, чем объект «один». Т0 составляет 500 ps, частота ложных срабатываний приёмного сенсора составляет 3 MHz. Время в цикле зондирования отсчитывается от начала цикла зондирования по синхроимпульсам с периодом повторения Т0. Момент времени, в цикле зондирования, попадающий во временной интервал начало которого «Т0 * (п-1 ) и окончание яТ0 *(п) приурочивается к номеру синхроимпульса п отсчитываемому в каждом цикле зондирования от начала цикла зондирования.
Осуществляются четыре цикла зондирования. В каждом цикле зондирования используется своя уникальная зондирующая оптическая ПШП, состоящая из 512 позиций занимающих временной интервал 4*Т0, каждая. На временной позиции происходит излучение или не излучение оптического импульса длительности Ti менее или немного более Т0. 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 путём 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 ».
Приём оптического сигнала осуществляется следующим образом. В каждом цикле зондирования, при регистрации оптического излучения в момент времени, приуроченный к номеру синхроимпульса п, на вычислитель/согласованный фильтр на п-ом такте (отсчитываемом от начала цикла зондирования) подается «1 » в циклах зондирования с четными номерами или «-1 » в циклах зондирования с нечётными 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.
На фигуре 5 приведён 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.
Видны отклики 5-1 и 5-2, позволяющие различить/обнаружить сигнал «один» и сигнал «два» и определить задержку между ними, равную 50Т0.
Пример 3. («слабый» сигнал при наличии «сильных»)
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 отражённые на фиг. 4.
Как отображено на фиг 4, перед зондируемым объектом 4-2 расположен протяжённый 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), отражённого от объекта 4-2 и принимаемого сенсором, работающем в режиме счётчика Гейгера составляет «10%. Вероятность срабатывания сенсора от единичного оптического импульса отражённого от объекта 4-3 (отражающая перегородка) составляет «98%. Протяжённый 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 5Т0, характеризующее протяжённость объекта 4- 1 .
Расстояние от фронтальной к источнику излучения поверхности передней кромке объекта 4-1 до зондируемого объекта составляет 25Т0/С, а до отражающей перегородки 50Т0/С.
На фиг. 6 приведён 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 протяжённого объекта 4-1 , зондируемого объекта 4-2 и отражающей перегородки 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.
На фиг 7 приведён 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 протяжённого объекта 4-1 и отражающей перегородки 4-3. Сигнал от объекта 4-2 по амплитуде не выделяется на фоне шумовой составляющей рефлектограммы.
Пример 5 отличается от примера 3 тем что, вероятность срабатывания сенсора от каждого одиночного оптического импульса отражённого 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.
На фиг. 8 приведён 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 протяжённого 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.
В ходе исследований было сделано наблюдение о том, что использование способа (модулирования зондирующих сигналов и их последующей обработки), описанного в патенте РФ N° 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.
Было так же обнаружено, что этот же эффект сохраняется и при замене приемного устройства генерирующего ток, интегрируемый на отрезках Т0, на бинарное приёмное устройство, работающее в режиме счетчика Гейгера. Например т.н. SPAD или SSPD (сверхпроводящий счётчик 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/Т0. Предпочтительно чтобы средняя частота срабатываний сенсора была менее чем 50% от частоты повторения синхроимпульсов.
Оптическое устройство для определения расстояний до объекта по указанном уровняю техники, описанном в патенте РФ N° 2605628, опубликован в 2016 году, включает в себя
• источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом
• генератора создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом
• генератора тактового сигнала,
• оптическое приемное устройство, выход которого соединен с входом
• мультиплексора, выход которого соединен с первым входом
• первого блока накопления сигнала, выход которого соединен с первым входом
• модуля вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого (детектированного) сигналов, выход которого соединен с первым входом
• второго блока накопления сигнала, выход которого соединен с входом
• демультиплексора, выход которого соединен с входом
• модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом
• модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке принятого сигнала, включающего
• модуль вычисления временной задержки принятого сигнала.
Данное устройство является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрано за прототип предлагаемого изобретения.
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% .
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.
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%.
Раскрытие изобретения.
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%.
Для достижения этой цели:
• устройство включает в себя модуль формирования сигнала на каждом такте п, соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано сенсором на интервале времени начинающемуся по синхроимпульсу п и заканчивающемуся по синхроимпульсу п+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,
• 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
• блока подсчёта циклов зондирования, выход которого соединен с входом
• 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.
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/Т0 .
Существует вариант изобретения, в котором 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,
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность производить накопление сигнала только во временных интервалах в которых находятся сигналы, расстояние до которых определяется. Это позволяет сократить вычисления и необходимое число ячеек памяти в блоках накопления, если диапазон разрешаемых дальностей (расстояний до зондируемых объектов) априори известен.
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.
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.
Существует кроме того вариант изобретения, в котором сенсор детектирования отражённого оптического сигнала или само оптическое устройство, или приёмный тракт оптического устройства расположен на устройстве оптической стабилизации или оснащен устройством оптической стабилизации. 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.
Существует возможный вариант изобретения, в котором оптически чувствительный элемент детектирования отражённого оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещённый перед входом оптического сигнала на оптически чувствительный элемент.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность повышать соотношение сигнал/шум и, следовательно, повышать точность измерений расстояний до отражающих объектов.
Существует возможный вариант изобретения, в котором сенсор детектирования отраженного оптического сигнала от объекта выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность одновременно получать рефлектограммы / измерять расстояния до множества объектов лежащих в угле поля зрения оптического тракта сенсора.
Существует возможный вариант изобретения, в котором сенсор детектирования отраженного оптического сигнала выполнен в виде сенсора, имеющего возможность работать в режиме счетчика Гейгера со стробированием. (Например, счетчика Гейгера со стробированием). Благодаря данной выгодной характеристике появляется избежать срабатываний сенсора от части попадающих на поверхность сенсора оптических импульсов, препятствующих срабатыванию сенсора от слабых оптических импульсов, попадающих на поверхность оптического сенсора в период времени в течении которого происходит восстановление способности сенсора к приему следующего оптического импульса.
Сенсор детектирования отраженного оптического сигнала может быть выполнен в виде сенсора, работающего в режиме синусоидального стробирования, что дает возможность снизить период времени в течении происходит восстановление способности сенсора к приему следующего оптического импульса и соответственно увеличить максимальную частоту счета фотонов. 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».
Краткое описание чертежей.
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:
- фигура 1 изображает схему последовательно соединённых каскадов каждый из которых содержит линию задержки и два сумматора, согласно уровню техники,
- фигура 2 изображает последовательность соединения каскадов их фигуры 1 для генерирования дополнительных последовательностей, согласно уровню техники,
- фигура 3 изображает экспериментально полученную зависимость вероятности обнаружения фотона за время Т0 от интенсивности излучения выраженной в среднем числе фотонов поступающих на поверхность исследуемого сенсора за время Т0, согласно уровню техники,
- фигура 4 изображает схему расположения объектов в створе направленного излучения лидара.
- фигуры 5-8 изображают фрагменты дискретной последовательности, полученной в результате считывания содержимого ячеек памяти, согласно уровню техники,
- фигура 9 изображает функциональную схему оптического устройства для определения расстояний до объекта, согласно изобретению,
- фигура 10 изображает этапы работы оптического устройства для определения расстояний до объекта, согласно изобретению.
Описание устройства.
Согласно фигуре 9 оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя: • источник излучения 1 на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом
• генератора 3 создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом
• генератора 4 тактового сигнала,
• оптическое приёмное устройство 5, работающее в нелинейном режиме, выход которого соединен с входом
• мультиплексора 6, выход которого соединен с первым входом
• первого блока накопления сигнала 7, выход которого соединен с первым входом
• модуля 8 вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого сигналов, выход которого соединен с первым входом
• второго блока накопления сигнала 9, выход которого соединен с входом
• демультиплексора 10, выход которого соединен с входом
• модуля 1 1 порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом
• модуля 12 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, включающего
• модуль 13 вычисления временной задержки отраженного сигнала,
• устройство включает в себя модуль 14 формирования сигнала на каждом интервале времени начинающемуся по синхроимпульсу п и заканчивающемуся по синхроимпульсу п+1 , соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано на приуроченном к такту п интервалу времени, и 1 или -1 если излучение зафиксировано на том же интервале времени, первый вход которого соединен с выходом приёмного устройства (оптического сенсора) 5, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактового сигнала 4, и выход которого соединен с входом мультиплексора 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,
• 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
• блока 17 подсчёта циклов зондирования, выход которого соединен с входом
• 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.
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.
Источник излучения 1 на объект/среду модулированного бинарного оптического сигнала может содержать последовательно соединённые 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 фигуре 9 не показаны.
Сенсор (приемное устройства) 5 (он же оптически чувствительный элемент детектирования отражённого оптического сигнала или само оптическое устройство или приёмный тракт оптического устройства) может быть расположен на устройстве гироскопической стабилизации или содержит устройство оптической стабилизации. На фигуре 9 не показаны. Сенсор 5 может иметь поляризационный фильтр, размещённый перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент. На фигуре 9 не показаны.
Сенсор приёмного устройства 5 может быть выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы.
Осуществление изобретения.
Согласно фигуре 10 оптическое устройство для определения расстояний до объекта работает следующим образом. Приведём наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения, имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.
Этап Э1. Создают генератором 3 создания зондирующей последовательности модуляцию в виде бинарной псевдошумовой последовательности, согласованной с вычислителем ВКФ и излучают ее в пространство.
Этап Э2 Принимают отражённый от объектов сигнал оптическим приёмным устройством 5.
Этап ЭЗ. Формируют бинарный цифровой код модулем 14.
Этап Э4. Мультиплексируют с помощью модуля 6 сформированный на этапе 3 код на первый блок накопления 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.
Этап Э6. Считывают сигнал (последовательность), накопленный в ячейках памяти блока накопления 7 и подают его на модуль вычисления ВКФ 8.
Этап Э7. Подают последовательность с модуля вычисления ВКФ 8 на второй блок накопления 9 в виде дискретного сигнала путём суммирования или вычитания отсчётов, получаемых с выхода модуля вычисления ВКФ 8 с содержимым ячеек памяти. Перед пуском устройства все ячейки памяти первого блока накопления 7 обнуляются.
Этап Э8. Демультиплексируют с помощью модуля 10 (считывают в определённом порядке) содержимое ячеек памяти со второго блока накопления 9 на модуль порогового обнаружения сигнала 1 1 , соответствующий определенному пикселу (светочувствительному элементу детектирования принимаемого сигнала с приёмного устройства 5).
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.
Этап Э10. Вычисляют расстояние до отражающего объекта.
Этап Э11. Повторяют этапы Э1 -Э10.
Промышленная применимость.
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.
В соответствии с предложенным изобретением были проведены расчёты работы оптического устройства для определения расстояний до объекта.
Расчёты 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.
При этом если в способе по патенту РФ N° 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 Т0, 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. 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%.
Рекомендуется применять данное изобретение для:
- систем технического зрения, в том числе и для летательных аппаратов, робототехнических систем, некогерентных рефлектометрах, радиофотонных радарах терагерцевого диапазона.
Несмотря на то, что изобретение было подробно описана 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.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1 . Оптическое устройство для определения расстояний до объекта, включающее в себя:
• источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом
• генератора создания зондирующей последовательности, первый вход которого соединен с первым выходом
• генератора тактового сигнала,
• оптическое приёмное устройство, работающее в нелинейном режиме, выход которого соединен с входом
• мультиплексора, выход которого соединен с первым входом
• первого блока накопления сигнала, выход которого соединен с первым входом
• модуля вычисления взаимно-корреляционной функции, опорного и принятого сигналов, выход которого соединен с первым входом
• второго блока накопления сигнала, выход которого соединен с входом
• демультиплексора, выход которого соединен с входом
• модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом
• модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, включающего
• модуль вычисления временной задержки отраженного сигнала,
отличающееся тем, что
• устройство включает в себя модуль формирования сигнала на каждом такте п, соответствующего значению 0, если излучение не зафиксировано сенсором на интервале времени начинающемуся по синхроимпульсу п и заканчивающемуся по синхроимпульсу п+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,
• 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
• блока подсчёта циклов зондирования, выход которого соединен с входом
• 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 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.
2. Оптическое устройство по п.1 , отличающееся тем, что 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
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Оптическое устройство по п.1 , отличающееся тем, что сенсор детектирования отраженного оптического сигнала от объекта выполнен в виде элементов оптически чувствительной матрицы.
7. Оптическое устройство по п.1 , отличающееся тем, что сенсор детектирования отраженного оптического сигнала выполнен в виде сенсора, имеющего возможность работать в режиме стробирования.
8. Оптическое устройство по п.7, отличающееся тем, что сенсор детектирования отраженного оптического сигнала выполнен в виде сенсора, работающего в режиме синусоидального стробирования.
PCT/RU2018/050028 2017-06-06 2018-03-12 Оптическое устройство для определения расстояний до объекта WO2018226124A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119762A RU2653558C9 (ru) 2017-06-06 2017-06-06 Оптическое устройство для определения расстояний до объекта
RU2017119762 2017-06-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018226124A1 true WO2018226124A1 (ru) 2018-12-13

Family

ID=62152705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/050028 WO2018226124A1 (ru) 2017-06-06 2018-03-12 Оптическое устройство для определения расстояний до объекта

Country Status (2)

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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884654A (zh) * 2019-03-14 2019-06-14 清华大学 基于扩频调制的激光测距系统和方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115900679B (zh) * 2023-03-08 2023-05-12 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种提升集成光学陀螺信噪比的方法

Citations (5)

* 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 (ru) * 2000-11-28 2002-12-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Способ измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов и устройство для его реализации
US20110205521A1 (en) * 2005-12-19 2011-08-25 Yvan Mimeault Multi-channel led object detection system and method
WO2012014077A2 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Waikatolink Limited Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects
RU2560011C1 (ru) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Лазерный дальномер

Patent Citations (5)

* 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 (ru) * 2000-11-28 2002-12-27 Научно-исследовательский институт измерительных систем Способ измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов и устройство для его реализации
US20110205521A1 (en) * 2005-12-19 2011-08-25 Yvan Mimeault Multi-channel led object detection system and method
WO2012014077A2 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Waikatolink Limited Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects
RU2560011C1 (ru) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Лазерный дальномер

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884654A (zh) * 2019-03-14 2019-06-14 清华大学 基于扩频调制的激光测距系统和方法
CN109884654B (zh) * 2019-03-14 2020-10-16 清华大学 基于扩频调制的激光测距系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2653558C9 (ru) 2018-08-17
RU2653558C1 (ru) 2018-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pawlikowska et al. Single-photon three-dimensional imaging at up to 10 kilometers range
CN106054209B (zh) 基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达
JP5138854B2 (ja) 光学距離測定
US7312855B1 (en) Combined coherent and incoherent imaging LADAR
CN105866795B (zh) 基于全光纤扫描f-p干涉仪的大动态风场探测激光雷达
US10739445B2 (en) Parallel photon counting
CN109959944B (zh) 基于宽谱光源的测风激光雷达
US20180188368A1 (en) Method of detecting objects, corresponding system and apparatus
KR102056957B1 (ko) 장거리, 소형 타겟 거리측정
CN110741281B (zh) 采用迟锁盖格模式检测的LiDAR系统及方法
CN106646426A (zh) 一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达
CN110058252A (zh) 一种激光收发装置和激光测距系统
CN103576162A (zh) 激光雷达装置及利用该装置测量目标物距离的方法
Arbel et al. Continuously operating laser range finder based on incoherent pulse compression: noise analysis and experiment
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
CN106289050A (zh) 一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法
RU2653558C9 (ru) Оптическое устройство для определения расстояний до объекта
CN110940992A (zh) 可提高激光雷达探测距离和精度的信号检测方法和系统
US20230050937A1 (en) Detection method and detection apparatus
Guo et al. 3D imaging laser radar using Geiger-mode APDs: analysis and experiments
RU2538195C1 (ru) Способ распознавания сигналов источника импульсной помехи (варианты) и комплекс для его реализации (варианты)
RU2183841C1 (ru) Способ лазерной локации и лазерное локационное устройство для его осуществления
Zhu et al. High anti-interference 3D imaging LIDAR system based on digital chaotic pulse position modulation
CN114355362A (zh) 激光雷达系统及光纤传感系统的自发辐射噪声的拟合方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18813682

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18813682

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1