RU2590311C1

RU2590311C1 - Laser range finder

Info

Publication number: RU2590311C1
Application number: RU2015106621/28A
Authority: RU
Inventors: Павел Александрович Тарасов; Борис Борисович Иванов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева"
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: laser range-finder comprises a pulsed semiconductor laser, an optical system, a clock pulse generator, pulse counter, a device with an indicator, a key circuit, a photodetector, a delay line, a coincidence circuit. Also rangefinder comprises an adder and an image rotation device providing image rotation - prism Dove - emitting area pulsed semiconductor laser so that two flat shape figures, symmetric relative to centre, and boundaries of each figure formed by an oval in a plane perpendicular to line of sight, alternately formed, long axis perpendicular to symmetry of two figures.

EFFECT: technical result consists in improvement of accuracy of measurements.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам измерения расстояния до объектов на местности с использованием лазерного излучения.The invention relates to technical means for measuring the distance to objects on the ground using laser radiation.

Известны лазерные импульсные дальномеры, рассмотренные в книге: Бокшанский В.К., Бондаренко Д.А., Вязовых М.В.и др. Лазерные приборы и методы измерения дальности. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012, принцип действия которых основан на измерении интервала времени между моментом зондирующего лазерного импульса и моментом приема излучения, отраженного от объекта. На странице 22 книги отмечено, что для получения достоверного результата необходимо, чтобы линейные размеры лазерного пятна на объекте были меньше линейных размеров объекта. В противном случае, что наиболее вероятно при измерении расстояния до малоразмерных объектов с помощью дальномеров на основе импульсных полупроводниковых лазеров, могут возникнуть отражения лазерного излучения от посторонних предметов, влияющие на результат измерения. Для уменьшения расходимости пучка излучения импульсного полупроводникового лазера предложены различные устройства, например рассмотренное в патенте РФ на изобретение №2481605, МПК G02B 27/00, G02B 27/09, дата публикации 10.05.2013, но подобные технические решения существенно усложняют оптическую систему лазерного дальномера.Known laser pulsed rangefinders, discussed in the book: Bokshansky VK, Bondarenko DA, Vyazovykh MV and other Laser devices and methods for measuring range. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman. 2012, the principle of which is based on measuring the time interval between the moment of the probe laser pulse and the moment of reception of radiation reflected from the object. On page 22 of the book, it is noted that to obtain a reliable result, it is necessary that the linear dimensions of the laser spot on the object are smaller than the linear dimensions of the object. Otherwise, which is most likely when measuring the distance to small-sized objects using range finders based on pulsed semiconductor lasers, reflections of laser radiation from foreign objects can occur, affecting the measurement result. To reduce the divergence of the radiation beam of a pulsed semiconductor laser, various devices have been proposed, for example, discussed in RF patent for invention No. 2481605, IPC G02B 27/00, G02B 27/09, publication date 05/10/2013, but similar technical solutions significantly complicate the optical system of the laser rangefinder.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является лазерный дальномер по патенту РФ на изобретение №2343413, МПК G03C, дата публикации 10.01.2009. Лазерный дальномер содержит два импульсных полупроводниковых лазера; светоделитель, на выходе которого расположена формирующая оптическая система; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов, а выход счетчика импульсов - со считывающим устройством с индикатором; ключевую схему, вход которой связан с внешним сигналом измерения дальности, а выход - с одним из импульсных полупроводниковых лазеров через первую линию задержки, выход первой линии задержки связан с входом СТАРТ счетчика импульсов; приемную оптическую систему, на выходе которой установлен фотоприемник, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения, выход схемы совпадения подключен к входу СТОП счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково. Недостатком лазерного дальномера является применение двух импульсных полупроводниковых лазеров, что усложняет конструкцию устройства и технологический процесс его настройки.The closest analogue to the claimed solution is a laser rangefinder according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2343413, IPC G03C, publication date 10.01.2009. The laser range finder contains two pulsed semiconductor lasers; a beam splitter, at the output of which a forming optical system is located; a clock pulse generator, the output of which is connected to the input of the PULSE SEQUENCE of the pulse counter, and the output of the pulse counter - with a reader with an indicator; a key circuit whose input is connected to an external ranging signal, and the output to one of the pulsed semiconductor lasers through the first delay line, the output of the first delay line is connected to the START input of the pulse counter; receiving optical system, at the output of which a photodetector is installed, the electrical output of which is connected to the input of the second delay line and to the first input of the matching circuit, the output of the matching circuit is connected to the STOP input of the pulse counter, and the delay time of the pulses in the first and second delay lines is the same. The disadvantage of the laser range finder is the use of two pulsed semiconductor lasers, which complicates the design of the device and the technological process of its adjustment.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик.The problem to which the invention is directed, is to increase operational characteristics.

Технический результат заключается в снижении стоимости лазерного дальномера и трудоемкости его настройки.The technical result is to reduce the cost of the laser rangefinder and the complexity of its settings.

Указанный технический результат достигается с помощью лазерного дальномера, содержащего импульсный полупроводниковый лазер, на выходе которого расположена формирующая оптическая система; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов, а выход счетчика импульсов - со считывающим устройством с индикатором; ключевую схему, вход которой связан с внешним сигналом измерения дальности, а выход - с импульсным полупроводниковым лазером через первую линию задержки, кроме того, внешний сигнал измерения дальности связан с входом СБРОС счетчика импульсов, второй вход схемы совпадения подключен к выходу второй линии задержки, выход первой линии задержки связан с входом СТАРТ счетчика импульсов; приемную оптическую систему, на выходе которой установлен фотоприемник, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения, выход схемы совпадения подключен к входу СТОП счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково, в отличие от известного, после первой линии задержки дополнительно введен сумматор, а за формирующей оптической системой - устройство поворота изображения, обеспечивающее поворот изображения излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поочередно будут сформированы две плоские фигуры, симметричные относительно центра, причем границы каждой фигуры образованы овалом, большие оси симметрии двух фигур перпендикулярны, электрический вход импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу сумматора, два входа сумматора подключены соответственно к выходу первой линии задержки и выходу ключевой схемы, вход первой линии задержки подключен к выходу ключевой схемы, а выход устройства поворота связан со вторым входом ключевой схемы.The specified technical result is achieved using a laser rangefinder containing a pulsed semiconductor laser, the output of which is a forming optical system; a clock pulse generator, the output of which is connected to the input of the PULSE SEQUENCE of the pulse counter, and the output of the pulse counter - with a reader with an indicator; a key circuit whose input is connected to an external ranging signal, and the output to a pulsed semiconductor laser through the first delay line, in addition, an external ranging signal is connected to the RESET input of the pulse counter, the second input of the matching circuit is connected to the output of the second delay line, output the first delay line is connected to the START input of the pulse counter; receiving optical system, at the output of which a photodetector is installed, the electrical output of which is connected to the input of the second delay line and to the first input of the matching circuit, the output of the matching circuit is connected to the STOP input of the pulse counter, and the delay time of the pulses in the first and second delay lines is the same, unlike from the known, after the first delay line, an adder is additionally introduced, and behind the forming optical system is an image rotation device that provides image rotation of the radiating area of the pulse of the semiconductor laser in such a way that in the plane perpendicular to the line of sight, two planar figures symmetrical with respect to the center are alternately formed, the boundaries of each figure being formed by an oval, the large axis of symmetry of the two figures are perpendicular, the electrical input of the pulsed semiconductor laser is connected to the output of the adder, two the adder inputs are connected respectively to the output of the first delay line and the output of the key circuit, the input of the first delay line is connected to the output of the key circuit, and the output q rotation device is connected to the second input of the key circuit.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства.In FIG. 1 shows a functional diagram of the device.

Фиг. 2 иллюстрирует сечение пучка лазерного излучения в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе объекта, до которого измеряется расстояние.FIG. 2 illustrates a cross section of a laser beam in a plane perpendicular to the line of sight in the region of an object to which the distance is measured.

На фиг. 3 показаны эпюры импульсных последовательностей на функциональных элементах устройства.In FIG. 3 shows diagrams of pulse sequences on the functional elements of the device.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит импульсный полупроводниковый лазер 1 с формирующей оптической системой 2, последовательно с которой размещено устройство поворота изображения 3, состоящее из призмы 4, датчика угла 5 и электропривода 6. Электрический вход импульсного полупроводникового лазера 1 подключен к выходу сумматора 7. Два входа сумматора 7 подключены к выходу первой линии задержки 8 и к выходу ключевой схемы 9. Выход генератора тактовых импульсов 10 присоединен к входу ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов 11. Вход первой линии задержки 8 подключен к выходу ключевой схемы 9, выход первой линии задержки 8 подключен к входу СТАРТ счетчика импульсов 11. Кроме входа СТАРТ и ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчик импульсов 11 имеет еще два входа, СБРОС, СТОП и один выход КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ. На первый вход ключевой схемы 9 поступает сигнал измерения дальности, на второй - сигнал с датчика угла 5. Время задержки импульсов в первой линии задержки 8 и второй линии задержки 14 одинаково. Выход КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ счетчика импульсов 11 подключен к входу считывающего устройства 12. Выход схемы совпадения 13 подключен к входу СТОП счетчика импульсов 11. Второй вход схемы совпадения 13 подключен к выходу второй линии задержки 14. К входу второй линии задержки 14 и к первому входу схемы совпадения 13 подключен электрический выход фотоприемника 15, установленного последовательно с приемной оптической системой 16.The laser range finder (Fig. 1) contains a pulsed semiconductor laser 1 with a forming optical system 2, in series with which a device for image rotation 3, consisting of a prism 4, an angle sensor 5 and an electric drive 6. is placed. The electrical input of the pulsed semiconductor laser 1 is connected to the output of the adder 7 Two inputs of adder 7 are connected to the output of the first delay line 8 and to the output of the key circuit 9. The output of the clock pulse generator 10 is connected to the input. The PULSE SEQUENCE of the pulse counter 11. The input of the first inii delay 8 connected to an output gating circuit 9, the output of the first delay line 8 is connected to the input of START pulse counter 11. Also input and START PULSE SEQUENCE pulse counter 11 has two more input RESET STOP and an output pulse number. At the first input of the key circuit 9, a ranging signal is received, at the second, a signal from the angle sensor 5. The delay time of the pulses in the first delay line 8 and the second delay line 14 is the same. The output NUMBER OF PULSES of the pulse counter 11 is connected to the input of the reader 12. The output of the matching circuit 13 is connected to the STOP input of the pulse counter 11. The second input of the matching circuit 13 is connected to the output of the second delay line 14. To the input of the second delay line 14 and to the first input of the matching circuit 13 connected to the electrical output of the photodetector 15, mounted in series with the receiving optical system 16.

Излучающая площадка импульсного полупроводникового лазера 1 размещена в фокальной плоскости формирующей оптической системы 2. На фиг. 2 в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе малоразмерного объекта 17, до которого измеряется расстояние, поперечное сечение пучка излучения 18 от импульсного полупроводникового лазера показано в виде плоской фигуры, границы которой представляют, в общем случае, овал. При повороте призмы 4 на определенный угол вокруг оптической оси формирующей оптической системы 2 поперечное сечение пучка излучения займет позицию, обозначенную 19. Также изображен предмет 20, расположенный позади объекта 17, до которого измеряется расстояние.The emitting area of a pulsed semiconductor laser 1 is placed in the focal plane of the forming optical system 2. FIG. 2 in a plane perpendicular to the line of sight, in the region of the small-sized object 17 to which the distance is measured, the cross section of the radiation beam 18 from the pulsed semiconductor laser is shown in the form of a flat figure, the boundaries of which are, in general, an oval. When the prism 4 is rotated by a certain angle around the optical axis of the forming optical system 2, the cross section of the radiation beam will occupy the position indicated by 19. Also shown is an object 20 located behind the object 17 to which the distance is measured.

Все элементы, входящие в лазерный дальномер, являются известными. В качестве импульсного полупроводникового лазера 1 может быть использован лазерный диод, например типа PGEW1S09 фирмы PerkinElmer, в качестве фотоприемника 15 - любой высокочувствительный фотодиод, например фотодиод С30724 фирмы EG&G Canada. Формирующая оптическая система 2 и приемная оптическая система 16 могут быть выполнены как линзовые объективы.All elements included in the laser rangefinder are known. As a pulsed semiconductor laser 1, a laser diode, for example, type PGEW1S09 from PerkinElmer, can be used, and as a photodetector 15, any highly sensitive photodiode, for example, C30724 photodiode from EG&G Canada. The forming optical system 2 and the receiving optical system 16 can be made as lens lenses.

Устройство поворота изображения 3 может быть выполнено на основе призмы Дове (условное обозначение АР-90°) 4, вращающейся вокруг оптической оси формирующей оптической системы 2 с помощью электромеханического привода 6 (электродвигателя с редуктором), датчик угла 5 - контактное устройство, замыкающееся в момент поворота призмы 4 на угол, при котором сечение пучка излучения будет находиться в позиции 18 (фиг. 2). В общем случае устройство поворота изображения может быть реализовано другими техническими средствами, что не принципиально.The image rotation device 3 can be made on the basis of the Dove prism (symbol AR-90 °) 4, rotating around the optical axis of the forming optical system 2 using an electromechanical drive 6 (electric motor with gear), an angle sensor 5 is a contact device that closes at the moment rotation of the prism 4 by an angle at which the cross section of the radiation beam will be at position 18 (Fig. 2). In the General case, the device image rotation can be implemented by other technical means, which is not important.

Сумматор 7, первая линия задержки 8, ключевая схема 9, счетчик импульсов 11 генератор тактовых импульсов 10, вторая линия задержки 14, схема совпадения 13 - типовые электронные узлы, которые могут быть реализованы на стандартной электронной элементной базе. Считывающее устройство 12 может представлять собой преобразователь количества электрических импульсов в визуальную информацию, например цифровое табло.The adder 7, the first delay line 8, the key circuit 9, the pulse counter 11, the clock generator 10, the second delay line 14, the coincidence circuit 13 are typical electronic components that can be implemented on a standard electronic element base. The reader 12 may be a converter of the number of electrical pulses into visual information, such as a digital display.

Устройство работает следующим образом. Призма 4 приводится во вращение электромеханическим приводом 6. Генератор тактовых импульсов 10 (фиг. 1) вырабатывает последовательность импульсов 21, показанную на фиг. 3. Внешний сигнал измерения дальности с пульта управления (на фиг. 1 не показан), сбрасывает предыдущее показание счетчика импульсов 11, подается на ключевую схему 9 и готовит ее к открытию. На второй вход ключевой схемы 9 поступает сигнал с датчика угла 5. В момент наличия сигнала с датчика угла 5 ключевая схема 9 формирует импульс 22, поступающий на первую линию задержки 8 и один из входов сумматора 7. Задержанный на время τ₁ импульс 23 с первой линии задержки 8 подается на второй вход сумматора 7, на выходе которого формируются импульсы 22 и 23. Импульс с выхода первой линии задержки 8 запускает счетчик импульсов 11, формирующий последовательность импульсов 24. Импульсный полупроводниковый лазер 1 излучает оптические импульсы, которые проходят через формирующую оптическую систему 2; далее пучок оптического излучения проходит через призму 4 и направляется в сторону объекта 17, до которого измеряется расстояние, причем центр пучка совмещается с центром объекта 17. При подаче на импульсный полупроводниковый лазер 1 электрического импульса 22 пучок лазерного излучения будет находиться в позиции 18. Время задержки импульса в первой линии задержки 8 равно времени, за которое призма 4 поворачивается на такой угол, чтобы изображение излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера повернулось на угол 90° (при использовании призмы Дове данный угол составит 45°). При поступлении на импульсный полупроводниковый лазер 1 электрического импульса 23 импульсный полупроводниковый лазер 1 излучит второй оптический импульс, при этом пучок излучения будет находиться в позиции 19. Оптическое излучение импульсного полупроводникового лазера 1 диффузно отразится как от объекта 17, до которого измеряется расстояние, так и от предмета 20. Часть отраженного излучения проходит через приемную оптическую систему 16 и поступает на оптический вход фотоприемника 15. Импульсы 25 и 27 на электрическом выходе фотоприемника 15 обусловлены отражениями излучения импульсного полупроводникового лазера 1 от объекта 17, до которого измеряется расстояние, при поступлении на импульсный полупроводниковый лазер 1 соответственно импульсов 22 и 23, импульсы 26 обусловлен отражением излучения от далее расположенного предмета 21. На выходе второй линии задержки 14 будут сформированы импульсы 25а и 26а, задержанные относительно импульсов 25 и 26 на время τ₁. На выходе схемы совпадения 13 возникнет импульс 27. Этот импульс остановит счетчик импульсов 11, на выходе которого формируется число "n", пропорциональное измеренной дальности и поступающее на считывающее устройство 12. В результате на индикаторе считывающего устройства 12 отобразится значение измеренной дальности.The device operates as follows. The prism 4 is driven by an electromechanical drive 6. The clock generator 10 (FIG. 1) generates a pulse train 21 shown in FIG. 3. An external ranging signal from the control panel (not shown in FIG. 1), resets the previous reading of the pulse counter 11, is supplied to the key circuit 9 and prepares it for opening. The second input of the key circuit 9 receives a signal from the angle sensor 5. At the time of the signal from the angle sensor 5, the key circuit 9 generates a pulse 22, which arrives at the first delay line 8 and one of the inputs of the adder 7. The pulse 23 delayed for the first time τ ₁ from the first delay line 8 is fed to the second input of adder 7, the output of which pulses 22 and 23 are generated. A pulse from the output of the first delay line 8 starts the pulse counter 11, forming a sequence of pulses 24. Pulse semiconductor laser 1 emits optical pulses that pass through the forming optical system 2; Further, the optical beam passes through the prism 4 and is directed towards the object 17, to which the distance is measured, and the center of the beam is aligned with the center of the object 17. When an electric pulse 22 is applied to the pulsed semiconductor laser 1, the laser beam will be in position 18. The delay time the pulse in the first delay line 8 is equal to the time for which the prism 4 is rotated by such an angle that the image of the emitting area of the pulsed semiconductor laser is rotated through an angle of 90 ° (when using SRI Dove prism, this angle is 45 °). When an electrical pulse 23 is supplied to the pulsed semiconductor laser 1, the pulsed semiconductor laser 1 will emit a second optical pulse, while the radiation beam will be in position 19. The optical radiation of the pulsed semiconductor laser 1 diffusely reflects both from the object 17 to which the distance is measured and from object 20. A part of the reflected radiation passes through the receiving optical system 16 and enters the optical input of the photodetector 15. Pulses 25 and 27 at the electrical output of the photodetector 15 about are determined by the reflections of the radiation of the pulsed semiconductor laser 1 from the object 17 to which the distance is measured, when pulses 22 and 23 are received respectively by the pulsed semiconductor laser 1, the pulses 26 are caused by the reflection of radiation from the further located object 21. Pulses 25a will be generated at the output of the second delay line 14 and 26a, delayed relative to pulses 25 and 26 for a time τ ₁ . At the output of the matching circuit 13, a pulse 27 will occur. This pulse will stop the pulse counter 11, at the output of which a number "n" is generated, which is proportional to the measured range and fed to the reader 12. As a result, the value of the measured range is displayed on the indicator of the reader 12.

Как следует из приведенного выше описания работы лазерного дальномера, в рассматриваемом устройстве наличие помех (отражений от посторонних предметов) не приведет к ошибкам измерения дальности при использовании одного дорогостоящего функционального элемента (импульсного полупроводникового лазера), вместо двух, примененных в наиболее близком аналоге. Отсутствует необходимость производить трудоемкие технологические операции по совмещению пучков излучения двух импульсных полупроводниковых лазеров.As follows from the above description of the operation of the laser range finder, in the device under consideration, the presence of interference (reflections from foreign objects) will not lead to range measurement errors when using one expensive functional element (pulsed semiconductor laser), instead of two applied in the closest analogue. There is no need to perform labor-intensive technological operations to combine the radiation beams of two pulsed semiconductor lasers.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечивается снижение стоимости лазерного дальномера и трудоемкость его настройки.Thus, the proposed solution provides a reduction in the cost of the laser rangefinder and the complexity of its settings.

Claims

A laser rangefinder comprising a pulsed semiconductor laser, at the output of which a forming optical system is located; a clock pulse generator, the output of which is connected to the input of the PULSE SEQUENCE of the pulse counter, and the output of the pulse counter to the reader with an indicator, the key circuit, the input of which is connected to an external ranging signal, and the output to a pulsed semiconductor laser through the first delay line, except Moreover, an external ranging signal is connected to the RESET input of the pulse counter, the second input of the matching circuit is connected to the output of the second delay line, the output of the first delay line is connected to the input C ART pulse counter, a receiving optical system, the output of which is installed a photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the second delay line and to the first input of the matching circuit, the output of the matching circuit is connected to the input STOP of the pulse counter, and the delay time of the pulses in the first and second delay lines equally, characterized in that an adder is additionally introduced after the first delay line, and behind the forming optical system is an image rotation device that provides rotation of the radiation image of the area of the pulsed semiconductor laser in such a way that in the plane perpendicular to the line of sight, two planar figures symmetrical with respect to the center are alternately formed, the boundaries of each figure being formed by an oval, the large axis of symmetry of the two figures are perpendicular, the electrical input of the pulsed semiconductor laser is connected to the output of the adder , two inputs of the adder are connected respectively to the output of the first delay line and the output of the key circuit, the input of the first delay line is connected to the output key circuit, and the output of the rotation device is connected to the second input of the key circuit.