Устройство временной привязки лазерного дальномера

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Устройство временной привязки лазерного дальномера содержит первое дифференцирующее звено и нуль-компаратор, последовательно с первым дифференцирующим звеном введено второе дифференцирующее звено с постоянной дифференцирования τ_д', причем 0,3t_и<τ_д'<5t_и, где t_и - длительность импульса на входе устройства временной привязки. Технический результат изобретения состоит в обеспечении максимальной точности измерений лазерного дальномера в широком диапазоне измеряемых дальностей за счет реализации принципа пересечения нуля в устройстве временной привязки. 3 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен оптический импульсный дальномер, содержащий передающее и приемное устройства, а также измеритель временного интервала между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного объектом импульса [1]. Приемное устройство такого дальномера содержит линейный приемно-усилительный тракт и устройство временной привязки излученного и принятого импульсов. Наибольшую точность обеспечивает временная привязка (фиксация) импульсов по положению их максимальных значений [2, 3].

Недостатком таких устройств является их сложность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство временной привязки, построенное по принципу пересечения нуля [4]. Указанное устройство содержит последовательно включенные дифференцирующее звено с постоянной дифференцирования τ_д>0 и нуль-компаратор.

Указанное устройство обеспечивает высокую точность временной привязки в линейном диапазоне входных сигналов, однако, утрачивает свои преимущества в широком динамическом диапазоне входных сигналов, характерном для лазерной локации (дальнометрии). Так, если минимальная измеряемая дальность R_min=20 м, а максимальная дальность R_max=20000 м, то динамический диапазон принимаемых сигналов D=(R_max/R_min)²=10⁶. Обычно линейный динамический диапазон приемно-усилительных схем не превышает 10³-10⁴. Это означает, что прием сигналов сопровождается не только нелинейными искажениями, но и существенным амплитудным ограничением [5], что делает невозможным применение принципа пересечения нуля в лазерных дальномерах.

Задачей изобретения является обеспечение максимальной точности измерений лазерного дальномера в широком диапазоне измеряемых дальностей за счет реализации принципа пересечения нуля в устройстве временной привязки.

Указанная задача решается за счет того, что в известном устройстве временной привязки лазерного дальномера, содержащем дифференцирующее звено и нуль-компаратор, последовательно с дифференцирующим звеном введено второе дифференцирующее звено с постоянной дифференцирования τ_д',

причем 0,3t_и<τ_д'<5t_и, где t_и - длительность импульса на входе устройства временной привязки. Как показало моделирование, при указанном соотношении постоянной дифференцирования второго дифференцирующего звена и длительности импульса снижается неопределенность временной привязки во всем динамическом диапазоне сигналов лазерного дальномера, результатом чего является повышение точности измерений.

На фиг.1 приведены два варианта блок-схемы приемного устройства лазерного дальномера.

На фиг.2 и фиг.3 представлены временные диаграммы сигналов на входе нуль-компаратора соответственно при одном и двух дифференцирующих звеньях в линейном тракте.

Приемное устройство лазерного дальномера (фиг.1а) содержит последовательно включенные фотоприемник 1 и устройство временной привязки, состоящее из последовательно соединенных первого дифференцирующего звена 2, второго дифференцирующего звена 3 и нуль-компаратора 4, выход которого подключен к первому входу схемы совпадений 5. Ко второму входу схемы совпадений подключен выход порогового устройства 6, вход которого связан с выходом фотоприемника 1.

Устройство работает следующим образом. При поступлении на фотоприемник 1 принимаемых световых импульсов на его выходе формируются электрические сигналы 7-9, причем сигнал 7 соответствует линейному диапазону, сигнал 8 - перегрузке 10³, а сигнал 9 - перегрузке 10⁶. На выходе первого дифференцирующего звена формируются соответствующие им сигналы 10-12, а на выходе второго дифференцирующего звена - сигналы 13-15. При пересечении входным сигналом нулевого уровня на выходе нуль-компаратора формируется единичный сигнал в уровнях логики последующего цифрового тракта. Этот сигнал подается на первый вход схемы совпадений 5. Эта схема срабатывает при условии, что на ее второй вход также поступает единичный сигнал, формируемый пороговым устройством 6, если на его входе сигнал с выхода фотоприемника 1 превышает заданный пороговый уровень. Таким образом, на выходе приемного устройства формируются импульсы, стабильно привязанные к временному положению входного сигнала независимо от его амплитуды и имеющихся нелинейных искажений. При этом выходные импульсы формируются только при условии превышения входным сигналом порогового уровня.

Возможен и другой вариант реализации изобретения - с предварительным ограничением принимаемого сигнала [2]. В этом случае (фиг.1б) между приемником 1 и первым дифференцирующим устройством 2 устройства временной привязки введен ограничитель снизу 7, не пропускающий на устройство временной привязки импульсы амплитудой меньше заданного порогового уровня.

Необходимо отметить, что временная привязка импульса в рассматриваемом устройстве осуществляется не по максимуму сигнала, а с некоторым запаздыванием, что и обеспечивает решение поставленной задачи.

Графики на фиг.2 и фиг.3 построены для импульса длительностью t_и=12 нс. Постоянные времени первого и второго дифференцирующих звеньев, соответственно, τ_д˜7 нс, τ_д'˜3t_и=36 нс. Одно деление оси абсцисс соответствует 1 м. Шкала ординат - относительная. Видно, что известное устройство временной привязки в заданном динамическом диапазоне характеризуется временной неопределенностью привязки около 3-х метров, а предлагаемое устройство обеспечивает неопределенность не более 0,3-0,4 м, то есть на порядок точнее по сравнению с прототипом.

Предлагаемое устройство позволяет обеспечить максимальную точность измерений лазерного дальномера в широком диапазоне измеряемых дальностей за счет реализации принципа пересечения нуля в устройстве временной привязки.

Источники информации

1. В.А.Смирнов. Введение в оптическую радиоэлектронику. Изд. "Советское радио", Москва, 1973 г., стр.189.

2. Б.Н.Митяшев. Определение временного положения импульсов при наличии помех. "Советское радио", М., 1962 г., стр.120.

3. М.-С.Aman et al. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. Optical Engineering, vol.40, No 1, 2001, p.13-14.

4. E.A.Мелешко. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. Атомиздат, М., 1977 г., стр.76-78. - прототип.

5. Пат. США №6310682.

Устройство временной привязки лазерного дальномера, содержащее первое дифференцирующее звено и нуль-компаратор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введено второе дифференцирующее звено, при этом первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено и нуль-компаратор последовательно соединены между собой, а постоянная дифференцирования второго дифференцирующего звена τ_д' выбрана из диапазона 0,3t_и<τ_д'<5t_и, где t_и - длительность импульса на входе устройства временной привязки.