Дифракционный лидар
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается дифракционного лидара. Лидар включает в себя лазерный излучатель, блок управления, передающий оптический тракт, приемный оптико-электронный тракт, цифровой вычислитель и потребитель информации. Передающий оптический тракт включает в себя горизонтальный модулятор, горизонтальный фазовый фильтр и адаптивную оптику. Горизонтальный модулятор содержит нанесенный на первую диэлектрическую прозрачную подложку прозрачный электропроводящий слой, покрытый прозрачным гелеобразным слоем, и систему линейчатых прозрачных горизонтальных электродов, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке. Электроды размещены с зазором над гелеобразным слоем и электрически соединены через источники сигналов с блоком управления. Фазовый фильтр содержит отверстие, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после горизонтального модулятора. Приемный оптико-электронный тракт включает в себя объектив, полосовой оптический фильтр и фотоприемник. Технический результат заключается в повышении эффективности использования лазерного излучения и увеличении быстродействия лидара. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Изобретение относится к сканированию лазерным излучением без подвижных частей с помощью перестраиваемых фазовых оптических дифракционных решеток с возможностью управления направлением, интенсивностью, частотой и фазовыми характеристиками светового излучения, и может найти применение в авиационной, космической и автомобильной промышленности, а также в ряде специальных областях, в оптической локации, логистике, системах управления робототехническими - комплексами, системах помощи водителям автотранспортных средств, системах предупреждения столкновения с препятствиями, картографирования и навигации.
Уровень техники
Известен лидар, содержащий вращающуюся призму, двигатель для вращения призмы, лазерный источник света, передающий и приемный тракты. Недостатком этого устройства является необходимость стабилизации вращающейся призмы, существенные ограничения по угловым скоростям и ускорениям сканирующей системы, недолговечность работы устройств вращения, а также большие масс-габаритные параметры и энергопотребление [патент US 20110216304 А1 (High definition lidar system].
Известен лидар, содержащий матрицу излучающих лазерных диодов, матрицу фотоприемных элементов, диаграмма направленности которых формирует поле зрения, систему коммутации, усиления, фильтрации и согласования сигнала, быстродействующую схему аналого-цифрового преобразователя, схему цифровой обработки сигнала, выполненную на программируемой логической интегральной схеме. Недостатком этого лидара является малое угловое разрешение, ограниченное количеством пар «приемник - передатчик», малое быстродействие вследствие использования фазового метода измерения дальности и использования аналого-цифрового преобразователя [патент US 20150219764 A1].
Наиболее близким изобретением является лидар, содержащий передающий "оптический тракт, приемный оптический тракт, цифровой вычислитель, потребитель информации, лазерный излучатель с лазерным источником света и коллиматором. [J. Stockley and S. Serati, "Cascaded One-Dimensional Liquid Crystal OPAs for 2-D Beam Steering," IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, 2003].
Недостатком такого лидара является низкое быстродействие и низкий КПД модулятора.
Задачей настоящего изобретения является расширение сферы применения, эффективное использование лазерного излучателя, увеличение быстродействия лидара, повышение КПД и улучшение качества работы системы.
Сущность изобретения
Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.
Дифракционный лидар согласно нашему изобретению содержит лазерный излучатель, горизонтальный модулятор, систему управления, передающий оптический тракт, направленный на объект наблюдения, приемный оптико-электронный тракт, цифровой вычислитель и потребитель информации, причем горизонтальный модулятор содержит нанесенную на первую диэлектрическую прозрачную подложку прозрачный электропроводящий слой, покрытый прозрачным гелеобразным слоем, и систему n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке и размещенных с зазором над прозрачным гелеобразным слоем, и соединенных электрически через источники сигналов с системой управления, при том прозрачный электропроводящий слой электрически соединен через источник опорного напряжения с системой n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов, при этом n выходов системы управления, соединены с n входами системы линейчатых прозрачных электродов, при этом система линейчатых прозрачных горизонтальных n электродов покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки, при этом все линейчатые прозрачные горизонтальные n электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель, система управления, приемный оптико-электронный тракт и потребитель информации электрически соединены с цифровым вычислителем, причем лазерный излучатель содержит лазерный источника света, коллиматор, при этом передающий оптический тракт содержит последовательно расположенные на оптической оси горизонтальный модулятор, горизонтальный фазовый фильтр и адаптивную оптику, причем фильтр содержит отверстие, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучателя от горизонтального модулятора, причем приемный оптико-электронный тракт содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемник, при этом фотоприемник электрически соединен с блоком обработки аналогово сигнала, при этом блок обработки аналогово сигнала электрически соединен с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с потребителем информации и лазерным излучателем.
Кроме того дифракционный лидар по настоящему изобретению содержит горизонтальный фазовый фильтр с дополнительным отверстием, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона минус первых порядков дифракции, причем в отверстии расположена оптическая линия, задержки для длины волны излучения лазерного излучателя от горизонтального модулятора.
Кроме того дифракционный лидар по настоящему изобретению содержит лазерный излучатель с коллиматором, выполненным в виде цилиндрического объектива, причем образующая цилиндрического объектива параллельна системе линейчатых прозрачных электродов, а оптико-электронный фотоприемный тракт содержит объектив, выполненный в виде цилиндрического объектива, образующая которого перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, при этом фотоприемник выполнен в виде прямоугольной матрицы светочувствительных элементов, причем одна из осей матрицы перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, а каждый элемент матрицы электрически соединен с блоком обработки аналогового сигнала.
Кроме того дифракционный лидар по настоящему изобретению содержит горизонтальный модулятор, содержащий р штук секторов произвольной формы, каждый из которых соединен с блоком управления, при этом каждый сектор содержит систему из k штук линейчатых прозрачных электродов, причем ориентация электродов во всех р штук секторах различна, при этом коллиматор выполнен в виде матрицы из р штук сферических или цилиндрических объективов, а фильтр содержит р штук отверстий, апертура каждого из которых по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции для каждого из р штук секторов горизонтального модулятора.
Кроме того, дифракционный лидар по настоящему изобретению дополнительно содержит лазерный излучатель, вертикальный модулятор, блок управления, передающий оптический тракт, направленный на объект наблюдения, приемный оптико-электронный тракт, цифровой вычислитель и потребитель информации, причем вертикальный модулятор содержит нанесенную на первую диэлектрическую прозрачную подложку прозрачный электропроводящий слой, покрытый прозрачным гелеобразным слоем, и систему m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке, и размещенных с зазором над прозрачным гелеобразным слоем, и соединенных электрически через источники сигналов с блоком управления, при этом направление системы m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов ортогонально направлению системы n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов, при этом прозрачный электропроводящий слой электрически соединен через источник опорного напряжения с системой m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов, при этом m выходов блока управления, соединены с m входами системы линейчатых прозрачных вертикальных электродов, при этом система линейчатых прозрачных вертикальных m электродов покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки, при этом все линейчатые прозрачные вертикальные m электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель, блок управления, приемный оптико-электронный тракт и потребитель информации электрически соединены с цифровым вычислителем, причем лазерный излучатель содержит лазерный источник света, коллиматор, при этом длина волны лазерного излучателя может отличаться от длины волны лазерного источника, при этом передающий оптический тракт содержит последовательно расположенные на оптической оси вертикальный модулятор, вертикальный фазовый фильтр и адаптивную оптику, причем вертикальный фазовый фильтр содержит отверстие, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после вертикального модулятора, причем приемный оптико-электронный тракт содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемник, при этом фотоприемник электрически соединен с блоком обработки аналогово сигнала, а блок обработки аналогового сигнала электрически соединен с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с потребителем информации и лазерным излучателем, а также дополнительно содержит блок синхронизации, электрически соединенный с цифровыми вычислителями.
Перечень фигур
На Фиг. 1 показана общая конструкция дифракционного лидара.
На Фиг. 2 показан пример конструкции горизонтального модулятора.
На Фиг. 3. показан пример формирования дифракционной решетки произвольного пространственного разрешения: а - формирование рельефа с пространственным периодом l0; б - формирование рельефа с пространственным периодом 2l0.
На Фиг. 4. показан пример конструкции лазерного излучателя и передающего оптического тракта.
На Фиг. 5 показан пример конструкции передающего оптического тракта.
На Фиг. 6. показан пример конструкции оптико-электронного фотоприемного тракта.
На Фиг. 7. показан конструкции передающего оптического тракта с оптической линией задержки для минус первых порядков дифракции.
На Фиг. 8. показано пояснение к работе дифракционного лидара с фотоприемником в виде прямоугольной матрицы светочувствительных элементов.
На Фиг. 9. показан пример топологии электродов модулятора с разбиением на р штук секторов с различной ориентацией системы из k штук линейчатых прозрачных электродов в каждом секторе.
На Фиг. 10. показана конструкция дифракционного лидара с двумя линейными ортогонально ориентированными модуляторами.
На Фиг. 11. показан пример конструкции вертикального модулятора.
На Фиг. 12. показаны пространственная (а) и временная (б) диаграммы вертикального и горизонтального сканирования.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Дифракционный лидар (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) содержит лазерный излучатель 1, горизонтальный модулятор 2, систему управления 3, передающий оптический тракт 4, направленный на объект наблюдения 5, приемный оптико-электронный тракт 6, цифровой вычислитель 7 и потребитель информации 8, причем горизонтальный модулятор 2 содержит нанесенную на первую диэлектрическую прозрачную подложку 9 прозрачный электропроводящий слой 10, покрытый прозрачным гелеобразным слоем 11, и систему n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке 13 и размещенных с зазором 14 над прозрачным гелеобразным слоем 11, и соединенных электрически через источники сигналов 15 с системой управления 3, при том прозрачный электропроводящий слой 10 электрически соединен через источник опорного напряжения 16 с системой n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, при этом n выходов системы управления 3, соединены с n входами системы линейчатых прозрачных электродов 12, при этом система линейчатых прозрачных горизонтальных n электродов 12 покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки 13, при этом все линейчатые прозрачные горизонтальные n электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель 1, система управления 3, приемный оптико-электронный тракт 6 и потребитель информации 8 электрически соединены с цифровым вычислителем 7, причем лазерный излучатель 1 содержит лазерный источник света 17, коллиматор 18, при этом передающий оптический тракт 4 содержит последовательно расположенные на оптической оси горизонтальный модулятор 2, горизонтальный фазовый фильтр 19 и адаптивную оптику 20, причем горизонтальный фазовый фильтр 19 содержит отверстие 21, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после горизонтального модулятора 2, причем приемный оптико-электронный тракт 6 содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 22, полосовой оптический фильтр 23, фотоприемник 24, при этом фотоприемник 24 электрически соединен с блоком обработки аналогового сигнала 25, при этом блок обработки аналогового сигнала 25 электрически соединен с цифровым вычислителем 7, при этом цифровой вычислитель 7 электрически соединен с потребителем информации 8 и лазерным излучателем 1.
В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 7) в горизонтальный фазовый фильтр 19 введено дополнительное отверстие 26, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона минус первых порядков дифракции, причем в отверстие 26 введена оптическая линия задержки 27 для длины волны излучения лазерного излучателя 1 от горизонтального модулятора 2.
В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 8) коллиматор 18, выполнен в виде цилиндрического объектива, причем образующая цилиндрического объектива параллельна системе линейчатых прозрачных электродов 12, а оптико-электронный фотоприемный тракт 6 содержит объектив 22 выполненный в виде цилиндрического объектива, образующая которого перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, при этом фотоприемник 24, выполнен в виде прямоугольной матрицы светочувствительных элементов, причем одна из осей матрицы перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, а каждый элемент матрицы электрически соединен с блоком обработки аналогового сигнала 25.
В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 9) горизонтальный модулятор 2 состоит из р штук секторов произвольной формы, каждый из которых соединен с блоком управления 3, при этом каждый сектор содержит систему из k штук линейчатых прозрачных электродов 28, причем ориентация электродов 28 во всех р штуках секторах различна, при этом коллиматор 18 выполнен в виде матрицы из р штук сферических или цилиндрических объективов, а фильтр 19 содержит р штук отверстий 29, апертура каждого из которых по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции для каждого из р штук секторов горизонтального модулятора 2.
В другом варианте осуществления устройства (Фиг. 2, 3, 5, 6, 10, 11, 12). дополнительно введены лазерный излучатель 30, вертикальный модулятор 31, блок управления 32, передающий оптический тракт 33, направленный на объект наблюдения 5, приемный оптико-электронный тракт 34, цифровой вычислитель 35 и потребитель информации 8, причем вертикальный модулятор 31 содержит нанесенную на первую диэлектрическую прозрачную подложку 36 прозрачный электропроводящий слой 37, покрытый прозрачным гелеобразным слоем 38, и систему m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке 40, и размещенных с зазором 41 над прозрачным гелеобразным слоем 38, и соединенных электрически через источники сигналов 42 с блоком управления 32, при этом направление системы m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39 ортогонально направлению системы n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, при этом прозрачный электропроводящий слой 37 электрически соединен через источник опорного напряжения 43 с системой m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, при этом m выходов блока управления 32, соединены с m входами системы линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, при этом система линейчатых прозрачных вертикальных m электродов 39 покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки 40, при этом все линейчатые прозрачные вертикальные m электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель 30, блок управления 32, приемный оптико-электронный тракт 34 и потребитель информации 8 электрически соединены с цифровым вычислителем 35, причем лазерный излучатель 30 содержит лазерный источник света 44, коллиматор 45, при этом длина волны лазерного излучателя 30 может отличаться от длины волны лазерного источника 17, при этом передающий оптический тракт 33 содержит последовательно расположенные на оптической оси вертикальный модулятор 31, вертикальный фазовый фильтр 46 и адаптивную оптику 47, причем фильтр 46 содержит отверстие 48, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после вертикального модулятора 31, причем приемный оптико-электронный тракт 34 содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 49, полосовой оптический фильтр 50, фотоприемник 51, при этом фотоприемник 51 электрически соединен с блоком обработки аналогово сигнала 52, а блок обработки аналогового сигнала 52 электрически соединен с цифровым вычислителем 35, при этом цифровой вычислитель 35 электрически соединен с потребителем информации 8 и лазерным излучателем 30, а также дополнительно содержит блок синхронизации 53, электрически соединенный с цифровыми вычислителями 7 и 35.
Предложенное устройство работает следующим образом.
В предложенном устройстве дифракционного лидара (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6) в лазерном излучателе 1 лазерный источник света 17 с помощью коллиматора 18 освещает горизонтальный модулятор 2 (Фиг. 2). С помощью системы управления 3 на прозрачном гелеобразном слое 11 создается фазовый рельеф за счет электрических пондеромоторных сил на электродах 12. Пространственная частота рельефа формируется включением соответствующих комбинаций электродов 12 (Фиг. 3). Как известно, для фазовых дифракционных решеток максимальная величина светоотдачи достигает единицы при набеге фазы 2.41 радиан. Угол набега фазы для первой диэлектрической прозрачной подложки 9 в виде плоскопараллельной пластины (Фиг. 2.) определяется по формуле:
ψ=2nω1A,
где A - глубина рельефа; ω1=2π/λ1; λ1 - длина волны считывающего излучения; n=1,41 - коэффициент преломления гелеобразного слоя.
Другими словами, для всех пространственных частот глубина рельефа Aoptim зависит только от длины волны считывающего излучения и равна Aoptim. При ψ=2.41 для просветного модулятора (Фиг. 2) получим максимальную глубину рельефа Aoptim=1,2/ω1n, или Aoptim=0,137λ1. Например, для излучения λ1=0,636 мкм получим: Aoptim=87 нм. Одной из важных причин быстродействия разработанного нами модулятора 2 является наноперемещение пикселя, в то время как в модуляторах, основанных на жидких кристаллах и микрозеркалах, перемещение измеряется в микронах.
Угол набега фазы для первой диэлектрической прозрачной подложки 9 в виде призмы полного внутреннего отражения (Фиг. 4.) определяется по формуле:
В этом случае Aoptim=67 нм. Таким образом, чувствительность для первой диэлектрической прозрачной подложки 9 в виде призмы полного внутреннего отражения в 1,41 раза выше, чем для первой диэлектрической прозрачной подложки 9 в виде плоскопараллельной пластины. Более того, при использовании призмы полного внутреннего отражения исключаются шумы, образующиеся на границах прозрачных электродов 12, в модуляторе 2, работающем на просвет.
В случае дифракции на прозрачном гелеобразном слое 11 плюс первый и минус первый порядки дифракции попадают на фильтр 19, причем плюс первый порядок проходит в отверстие 21, а минус первый и все другие порядки дифракции перекрываются фильтром 19. Позиция плюс первого порядка дифракции определяется по формуле λ1/λм, где λм - период фазового рельефа, сформированного заданным распределением напряжения на электродах 12 (Фиг. 2). Меняя период фазового рельефа λм за счет переключения комбинации электродов 12, максимум плюс первого порядка дифракции будут менять свое положение в отверстии 21 и с помощью адаптивной оптики 20 будет выполняться сканирование объекта наблюдения 5 по заданной программе. Поскольку с изменением периода механического рельефа расстояние между максимумами первого порядка будут меняться, то в некоторых случаях полезно применить адаптивную оптику для коррекции равномерности сканирования по площади объекта наблюдения 5. Адаптивная оптика 20 формирует заданное распределение направления излучения в зависимости от угла охвата зоны сканирования, другими словами, адаптивная оптика управляет формой волнового фронта в зависимости от назначения дифракционного лидара. С помощью адаптивной оптики 20 можно управлять распределением как точечного сканирования объекта наблюдения 5, так и линейного сканирования объекта наблюдения 5, например, по горизонтали с заданной высотой линии (величиной угла) сканирования. Луч, отраженный от объекта наблюдения 5, попадает на объектив 22 приемного тракта, проходит полосовой оптический фильтр 23 и регистрируется на фотоприемнике 24. Далее электрические сигналы попадают в блок обработки аналогового сигнала 25 и через цифровой вычислитель 7 в потребитель информации 8.
В другом варианте изобретения (Фиг. 7) устройство работает следующим образом. В случае дифракции на прозрачном гелеобразном слое 11 плюс первый и минус первый порядки дифракции попадают на фильтр 19, причем плюс первый порядок проходит в отверстие 21, а минус первый проходит в дополнительное отверстие 26. Все другие порядки дифракции перекрываются фильтром 19. При этом в отверстие 26 введена оптическая линия задержки 27, которая позволяет разнести во времени отраженный луч плюс первого порядка и минус первого порядка для данного периода фазового рельефа λм. В этом варианте изобретения появляется возможность использовать не только плюс первый порядок, но и минус первый порядок дифракции, что увеличивает разрешение (угол охвата) дифракционного лидара и удваивает использование мощности излучения.
В другом варианте изобретения (Фиг. 8) устройство работает следующим образом. В лазерном излучателе 1 лазерный источник света 17 с помощью коллиматора 18, выполненного в виде цилиндрического объектива, причем образующая цилиндрического объектива параллельна системе линейчатых прозрачных электродов 12, освещает горизонтальный модулятор 2 (Фиг. 2). Дифракция излучения от лазерного источника света 17 на модуляторе 2 приводит к образованию различных порядков дифракции. Плюс первый порядок дифракции попадает в отверстие 21 фильтра 19 (Фиг. 5) и через адаптивную оптику 20 освещает объект наблюдения 5 (Фиг. 8). Луч, отраженный от объекта "наблюдения 5, попадает на объектив 22, выполненный в виде цилиндрического объектива, образующая которого перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, и далее проецируется через полосовой оптический фильтр 23 на фотоприемник 24, выполненный в виде прямоугольной матрицы светочувствительных элементов. С помощью блока обработки аналогового сигнала 25 на матрице фотоприемника 24 последовательно включаются горизонтальные строки матрицы. Таким образом, вторая координата сканирования осуществляется за счет переключения строк матрицы фотоприемника 24. Достигается компактность дифракционного лидара и двух координатное сканирование объекта наблюдения 5. Использование полосового оптического фильтра 23 позволяет избежать паразитной засветки от других длин волн излучения и тем самым повышает помехозащищенность дифракционного лидара.
В другом варианте изобретения (Фиг. 9) устройство работает следующим образом. В лазерном излучателе 1 лазерный источник света 17 с помощью коллиматора 18 освещает горизонтальный модулятор 2, который выполнен в виде р штук секторов произвольной формы, каждый из которых соединен с блоком управления 3. В свою очередь каждый сектор содержит систему из k штук линейчатых прозрачных электродов 28 с неповторяющейся ориентацией электродов от сектора к сектору. Коллиматор 18 выполнен в виде матрицы из р штук сферических или цилиндрических объективов, а фильтр 19 содержит р штук отверстий 29, апертура каждого из которых по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции для каждого из р штук секторов горизонтального модулятора 2. Каждый сектор модулятора включается по очереди согласно заданной цифровым вычислителем 7 программе. Поскольку сектор содержит k штук линейчатых электродов с заданной ориентацией, то изменяя период (Фиг. 3), дифракционной решетки в каждом секторе можно сканировать первым порядком дифракции для данного сектора. Подключая последовательно секторы модулятора, мы имеем возможность просканировать во всех направлениях объект наблюдения 5 с помощью одного горизонтального модулятора 2. В этом случае по сравнению со сканированием «попиксельно», например, для двух координатного модулятора, мы экономим энергию лазерного излучения благодаря тому, что каждый сектор позволяет просканировать не одну точку, как для пиксельного двух координатного модулятора, а площадь сканирования, размер которой обратно пропорционален количеству секторов. Свет, отраженный от объекта наблюдения 5, попадает через объектив приемного тракта 22 и полосовой оптический фильтр 23 на фотоприемник 24 (Фиг. 6). Информация через блок обработки аналогово сигнала 25 попадает в цифровой вычислитель 7, который после обработки предоставляет данную информацию в потребитель информации 8, например, для визуализации просканированного объекта наблюдения 5. Полосовой оптический фильтр 23, настроенный на пропускание излучения от лазерного источника 17, позволяет подавить шумы, вызванные различными оптическими помехами.
В другом варианте изобретения (Фиг. 2, 3, 5, 6, 10, 11, 12) устройство работает следующим образом. В данном варианте изобретения действуют сразу два передающих оптических тракта 4 и 33, и два приемных оптико-электронных тракта 6 и 34. Взаимодействие этих трактов обеспечивается блоком синхронизации 53. В передающих оптических трактах 4 и 33 размещены горизонтальный модулятор 2 и вертикальный модулятор 31 соответственно. Поскольку лазерный излучатель 17 отличается по частоте излучения от лазерного излучателя 30, то излучение, отраженное от объекта наблюдения 5, фильтруемое в каждом приемном оптико-электронном тракте 6 и 34 с помощью полосовых оптических фильтров 23 и 50, защищено от перекрестных помех и идентифицируется в каждом фотоприемнике 24 и 51 соответственно. Выходами приемных оптико-электронных трактов 6 и 34 являются аналоговые сигналы. В связи с тем, что точность измерения дальности дифракционного лидара зависит от точности измерения времени распространения зондирующего сигнала, для точной временной привязки должна производится процедура восстановления огибающей принятого сигнала. Восстановление формы огибающей принятого сигнала обычно производится по четырем точкам методом интерполяции в зависимости от используемой математической модели отклика [Головков А., Пивоваров И., Кузнецов И. Компьютерное моделирование и проектирование радиоэлектронных средств. Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения. - СПб.: Питер, 2015 - 208 с.]. При совпадении откликов вертикального и горизонтального модуляторов по времени - происходит оценка координат объекта в поле зрения (Фиг. 12). Азимут и угол места относительно строительных осей дифракционного лидара соответствует диаграммам направленности, задаваемым вертикальным и горизонтальным модуляторами 2 и 31, а расстояние d до объекта наблюдения 5 при известном времени хода зондирующего сигнала может быть определено по формуле d=0,5⋅c⋅t, где с - скорость распространения зондирующего сигнала в среде, t - время полного хода зондирующего сигнала. Как и в четырех предыдущих вариантах изобретения, в случае использования призмы полного внутреннего отражения (Фиг. 4) в модуляторах 2 и 31 исключаются шумы, образующиеся на границах прозрачных электродов 12 и 39. Таким образом, в дифракционном лидаре для сканирования используется вся площадь модулятора, при этом энергия лазерного источника практически не теряется. Кроме того, есть возможность использовать несколько лазерных источников при одном и том же модуляторе. Это позволяет значительно снизить шумы, как от внешних источников, так и от внутренних оптических помех.
Пример реализации изобретения
Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.
В качестве когерентного лазерного источника света 17 могут быть использованы, например, полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. Для обеспечения достаточного уровня быстродействия и высокой энергоэффективности в качестве коммутирующих элементов драйвера когерентного источника света целесообразно применять транзисторы на нитриде галлия, позволяющие формировать зондирующие импульсы длительностью менее 1 нс и оптической энергией не менее 70 нДж. Реализация устройства драйвера может быть осуществлена известными методами (Alex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David Reusch. GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 2-nd Edition).
В качестве элементов системы управления 3 могут быть использованы стандартные микросхемы, или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств. Для индивидуального управления электродами 12 и 39 горизонтального модулятора 2 и вертикального модулятора 31 соответственно для оптимизации количества электрических соединений целесообразно использовать многоканальные драйверы с последовательной загрузкой данных в регистр-защелку и возможностью последовательного объединения (например, HV583).
Система n штук линейчатых прозрачных электродов 12 и система m линейчатых прозрачных электродов 39 может быть выполнена из алюминия, хрома, молибдена, окиси индия. Зазор 14 можно выбрать, например, 20 мкм, а толщину прозрачного гелеобразного слоя 11, например, 45 мкм. Толщина линейчатых прозрачных электродов 12 и 39 может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Электрические сигналы, поступающие от блока управления 3 на вход модулятора 2, и от блока управления 32 на вход модулятора 31 могут быть, например, выбраны следующими: напряжение сигнала 15-20 В, длительность управляющего импульса 7 мкс. Первая диэлектрическая прозрачная подложка 9 и 36 и вторая диэлектрическая прозрачная подложка 13 и 40 могут быть выполнены из одного материала, например, из кварцевого стекла. Первая диэлектрическая прозрачная подложка 9 и 36 может быть выполнена в виде плоскопараллельной прозрачной диэлектрической пластины (Фиг. 2 и 11) или в виде призмы полного внутреннего отражения (Фиг. 4). Прозрачный электропроводящий слой 10 и 37 - из окиси индия.
Адаптивная оптика 20 и 47 может быть выполнена, например, в виде зеркального объектива. Форма зеркального объектива зависит от технического задания по величине угла охвата объекта наблюдения 5. Также адаптивная оптика 20 и 47 может быть выполнена из стекла К-8 или ВК-7.
Форма р секторов в горизонтальном модуляторе 2 и вертикальном модуляторе 31 может быть выбрана в виде, например, прямоугольника, шестигранника, или иной формы, при этом формы секторов в горизонтальном модуляторе 2 и вертикальном модуляторе 31 всегда совпадают.
В качестве оптических линий задержки 27 могут быть выбраны волоконно-оптические, призменно-линзовые и другие оптические линии задержки.
Прозрачный гелеобразный слой 11 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК7: G02F 1/00).
В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки.
1. Дифракционный лидар, содержащий лазерный излучатель 1, горизонтальный модулятор 2, блок управления 3, передающий оптический тракт 4, направленный на объект наблюдения 5, приемный оптико-электронный тракт 6, цифровой вычислитель 7 и потребитель информации 8, причем горизонтальный модулятор 2 содержит нанесенный на первую диэлектрическую прозрачную подложку 9 прозрачный электропроводящий слой 10, покрытый прозрачным гелеобразным слоем 11, и систему n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке 13 и размещенных с зазором 14 над прозрачным гелеобразным слоем 11, и соединенных электрически через источники сигналов 15 с блоком управления 3, при этом прозрачный электропроводящий слой 10 электрически соединен через источник опорного напряжения 16 с системой n штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, при этом n выходов блока управления 3 соединены с n входами системы линейчатых прозрачных электродов 12, при этом система линейчатых прозрачных горизонтальных n электродов 12 покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки 13, при этом все линейчатые прозрачные горизонтальные n электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель 1, блок управления 3, приемный оптико-электронный тракт 6 и потребитель информации 8 электрически соединены с цифровым вычислителем 7, причем лазерный излучатель 1 состоит из лазерного источника света 17, коллиматора 18, при этом передающий оптический тракт 4 содержит последовательно расположенные на оптической оси горизонтальный модулятор 2, горизонтальный фазовый фильтр 19 и адаптивную оптику 20, причем фильтр 19 содержит отверстие 21, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после горизонтального модулятора 2, причем приемный оптико-электронный тракт 6 содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 22, полосовой оптический фильтр 23, фотоприемник 24, при этом фотоприемник 24 электрически соединен с блоком обработки аналогового сигнала 25, при этом блок обработки аналогового сигнала 25 электрически соединен с цифровым вычислителем 7, при этом цифровой вычислитель 7 электрически соединен с потребителем информации 8 и лазерным излучателем 1.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что горизонтальный фазовый фильтр 19 содержит дополнительное отверстие 26, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона минус первых порядков дифракции, причем в отверстии 26 расположена оптическая линия задержки 27 для длины волны лазерного излучения после горизонтального модулятора 2.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лазерный излучатель 1 содержит коллиматор 18, выполненный в виде цилиндрического объектива, причем образующая цилиндрического объектива параллельна системе линейчатых прозрачных электродов 12, а оптико-электронный фотоприемный тракт 6 содержит фотоприемник 24, выполненный в виде матрицы светочувствительных элементов, причем одна из осей матрицы перпендикулярна спектральной линии плюс первого порядка дифракции, а каждый элемент матрицы электрически соединен с блоком обработки аналогового сигнала 25.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что горизонтальный модулятор 2 содержит p штук секторов произвольной формы, каждый из которых соединен с блоком управления 3, при этом каждый сектор содержит k штук линейчатых прозрачных электродов 28, причем ориентация электродов 28 во всех p штук секторах различна, при этом коллиматор 18 выполнен в виде матрицы из p штук сферических или цилиндрических объективов, а фильтр 19 содержит p штук отверстий 29, апертура каждого из которых по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции для каждого из р штук секторов горизонтального модулятора 2.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит лазерный излучатель 30, вертикальный модулятор 31, блок управления 32, передающий оптический тракт 33, направленный на объект наблюдения 5, приемный оптико-электронный тракт 34, цифровой вычислитель 35 и потребитель информации 8, причем вертикальный модулятор 31 содержит нанесенный на первую диэлектрическую прозрачную подложку 36 прозрачный электропроводящий слой 37, покрытый прозрачным гелеобразным слоем 38, и систему m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, расположенных в одной плоскости на второй диэлектрической прозрачной подложке 40 и размещенных с зазором 41 над прозрачным гелеобразным слоем 38, и соединенных электрически через источники сигналов 42 с блоком управления 32, при этом направление системы n штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39 ортогонально направлению системы m штук линейчатых прозрачных горизонтальных электродов 12, при этом прозрачный электропроводящий слой 37 электрически соединен через источник опорного напряжения 43 с системой m штук линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, при этом m выходов блока управления 32 соединены с m входами системы линейчатых прозрачных вертикальных электродов 39, при этом система линейчатых прозрачных вертикальных m электродов 39 покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки 40, при этом все линейчатые прозрачные вертикальные m электроды электрически изолированы друг от друга, причем лазерный излучатель 30, блок управления 32, приемный оптико-электронный тракт 34 и потребитель информации 8 электрически соединены с цифровым вычислителем 35, причем лазерный излучатель 30 состоит из лазерного источника света 44, коллиматора 45, при этом длина волны лазерного излучателя 30 может отличаться от длины волны лазерного источника 17, при этом передающий оптический тракт 33 содержит последовательно расположенные на оптической оси вертикальный модулятор 31, вертикальный фазовый фильтр 46 и адаптивную оптику 47, причем фильтр 46 содержит отверстие 48, апертура которого по крайней мере не меньше заданного диапазона плюс первых порядков дифракции лазерного излучения после вертикального модулятора 31, причем приемный оптико-электронный тракт 34 содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 49, полосовой оптический фильтр 50, фотоприемник 51, при этом фотоприемник 51 электрически соединен с блоком обработки аналогово сигнала 52, а блок обработки аналогового сигнала 52 электрически соединен с цифровым вычислителем 35, при этом цифровой вычислитель 35 электрически соединен с потребителем информации 8 и лазерным излучателем 30, а также дополнительно содержит блок синхронизации 53, электрически соединенный с цифровыми вычислителями 7 и 35.
