RU2684445C1 - Дальномерное устройство - Google Patents
Дальномерное устройство Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684445C1 RU2684445C1 RU2018123152A RU2018123152A RU2684445C1 RU 2684445 C1 RU2684445 C1 RU 2684445C1 RU 2018123152 A RU2018123152 A RU 2018123152A RU 2018123152 A RU2018123152 A RU 2018123152A RU 2684445 C1 RU2684445 C1 RU 2684445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving channel
- receiving
- channel
- laser
- field
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims abstract description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
- G01C3/02—Details
- G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
- G01C3/08—Use of electric radiation detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерным дальномерным устройствам с несоосными приемными и передающими каналами. Устройство содержит передающий канал для формирования пучка зондирующего излучения и направления его на цель, включающий лазерный излучатель и оптически связанный с ним коллимирующий выходной объектив, а также приемный канал для приема отраженного целью сигнала, включающий фотоприемное устройство и оптически связанный с ним входной объектив. При этом оптическая ось приемного канала повернута в сторону передающего канала на такой угол, чтобы на предельной дальности измерений поле зрения приемного канала перекрывало лазерное пятно, касаясь своим внешним краем внутреннего края лазерного пятна. Причем угол поворота оптической оси приемного канала находится какгде γ - угол поворота оптической оси приемного канала; D- диаметр зрачка входного объектива; t - минимальное расстояние между коллимирующим выходным объективом и входным объективом; L - максимальная (предельная) дистанция измерения; ωи ω- углы, определяемые из расходимостей 2ωи 2ωлазерного излучения и поля зрения приемного канала соответственно. Технический результат - уменьшение размера теневой зоны без увеличения поля зрения приемного канала и без использования дополнительных элементов. 3 ил.
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерным дальномерным устройствам с несоосными приемными и передающими каналами.
Известно устройство измерения расстояния с использованием полупроводникового лазера [Патент США №5241360, МКИ G01C 3/08, НКИ 356/5, опубликовано 31.08.1993]. Устройство содержит излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптически связанного с ним коллиматора; приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемы обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы; устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов.
Измерение расстояния с помощью этого устройства может осуществляться за счет использования в качестве фотоприемника лавинного фотодиода, обеспечивающего большое усиление сигнала и имеющего небольшую чувствительную площадь. В предпочтительном осуществлении изобретения применяется "бинокулярная оптическая система", т.е. такая, в которой оптические оси передающего и приемного каналов пространственно разнесены.
Известно, что в схеме с разнесенными параллельными осями приемного и передающего каналов при изменении расстояния от дальномера до объекта изображение пятна лазерного излучения в плоскости фотоприемника будет смещаться [Патент Японии №4-67606, МКИ G01C 3/06, опубликовано 28.10.1992, "Изобретения стран мира", выпуск 82, 1994, БИ №15-16, с. 32], поэтому, начиная с некоторого расстояния L0, при приближении объекта к дальномеру оптический сигнал на площадке приемника будет отсутствовать вследствие того, что поле зрения приемного канала не пересекается с лазерным лучом, и измерение расстояния становится невозможным.
Оценим величину теневой зоны L0, для этого обратимся к фиг. 1, на которой изображены коллиматор лазерного излучателя дальномерного устройства диаметром D1 и приемный объектив диаметром D2, расположенный на расстоянии t от коллиматора. Расходимости лазерного излучения и поля зрения приемного канала 2ω1 и 2ω2 соответственно, при этом оптические оси лазерного излучателя и приемного канала параллельны. Выберем за начало координат центр коллиматора лазерного излучателя. Для нахождения длины L0 теневой зоны достаточно найти х-координату точки пересечения крайних внутренних лучей лазерного излучения (луч 1) и поля зрения приемного канала (луч 2). Запишем уравнения для лучей 1 и 2 соответственно в выбранной системе координат:
Для нахождения х-координаты точки пересечения лучей достаточно воспользоваться следующим соотношением [Цыпкин А.Г., Цыпкин Г.Г. Математические формулы. Алгебра. Геометрия. Математический анализ: Справочник. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит-ры, 1985]:
После преобразования получим:
Формулы (1), (2) и (4) верны для малых углов, т.е. когда выполняется условие tg(ω)≈ω. Анализ приведенной зависимости показывает, что уменьшение размера теневой зоны возможно путем уменьшения расстояния t между передающим и приемным каналом и(или) увеличением расходимости лазерного излучения 2ω1 и поля зрения приемного канала 2ω2. Однако уменьшению расстояния t мешают, как правило, конструктивные особенности объективов, увеличение расходимости 2ω1 отрицательно сказывается на локальности измерений, а увеличение поля зрения 2ω2 отрицательно сказывается на отношении сигнал/шум, поскольку приводит к увеличению оптических шумов, собираемых фотоприемником в широком поле, и, в результате, к уменьшению предельной дальности измерений.
Известен лазерный измеритель расстояний [Патент РФ на изобретение №2471203, опубликовано 27.12.2012, МПК: G01S 17/02, G01C 3/08], выбранный в качестве прототипа, содержащий передающий канал для формирования пучка зондирующего излучения и направления его на цель, включающий лазерный излучатель и передающую оптическую систему (коллимирующий выходной объектив), параллельный ему приемный канал для приема отраженного целью сигнала, включающий фотоприемное устройство и приемный (входной) объектив, световод, входное отверстие которого расположено рядом с выходным отверстием оптической системы передающего канала, а его выходное отверстие направлено на чувствительную площадку фотоприемного устройства приемного канала. Таким образом в данном устройстве осуществлено локальное увеличение поля зрения приемного канала, что позволяет сократить размер теневой зоны, и в то же время избежать существенного увеличения световой составляющей шумов, поскольку входная апертура световода невелика.
Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в том, что уменьшение размера теневой зоны реализуется исключительно при условии локального увеличения поля зрения приемного канала и только за счет усложнения конструкции путем включения в нее дополнительного элемента (световода) с необходимостью его юстировки.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на уменьшение размера теневой зоны без увеличения поля зрения приемного канала и без использования дополнительных элементов.
Технический результат достигается тем, что дальномерное устройство содержит передающий канал для формирования пучка зондирующего излучения и направления его на цель, включающий лазерный излучатель и оптически связанный с ним коллимирующий выходной объектив, а также приемный канал для приема отраженного целью сигнала, включающий фотоприемное устройство и оптически связанный с ним входной объектив. При этом оно отличается от прототипа тем, что фотоприемное устройство смещено в фокальной плоскости входного объектива таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала была повернута в сторону передающего канала на такой угол, чтобы на предельной дальности измерений поле зрения приемного канала перекрывало лазерное пятно, касаясь своим внешним краем внутреннего края лазерного пятна, при этом угол поворота оптической оси приемного канала находится как:
где γ - угол поворота оптической оси приемного канала;
D2 - диаметр зрачка входного объектива;
t - минимальное расстояние между коллимирующим выходным объективом и входным объективом;
L - максимальная (предельная) дистанция измерения;
ω1 и ω2 - углы, определяемые из расходимостей 2ω1 и 2ω2 лазерного излучения и поля зрения приемного канала соответственно.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображено дальномерное устройство согласно прототипу.
На фиг. 2-3 изображено дальномерное устройство согласно заявляемому изобретению, где:
1 - лазерный излучатель;
2 - коллимирующий выходной объектив;
3 - фотоприемное устройство;
4 - входной объектив.
Дальномерное устройство содержит передающий канал, включающий лазерный излучатель 1 и оптически связанный с ним коллимирующий выходной объектив 2, а также приемный канал, включающий фотоприемное устройство 3 и оптически связанный с ним входной объектив 4. В передающем канале формируется лазерный пучок зондирующего излучения с расходимостью 2ω1, а в приемном - поле зрение приемного канала с расходимостью 2ω2. При этом входной объектив 4 находится на расстоянии t от коллимирующего выходного объектива 2, а оптическая ось приемного канала повернута в сторону передающего канала на угол γ. Поворот оптической оси приемного канала осуществляется смещением фотоприемного устройства 3 в фокальной плоскости входного объектива 4. На фиг. 2 также показаны положения поля зрения приемного канала относительно лазерного пятна на различных дистанциях от дальномерного устройства.
Оценим величину угла поворота оптической оси приемного канала, для этого обратимся к фиг. 3, на которой: D1 - диаметр коллимирующего выходного объектива дальномерного устройства, D2 - диаметр входного объектива и t - расстояние между ними. Расходимости лазерного излучения и поля зрения приемного канала 2ω1 и 2ω2 соответственно, причем оптическая ось приемного канала повернута на угол γ к оптической оси лазерного излучателя. При этом на предельной дистанции измерения L внутренний край пятна лазерного излучения касается внешнего края поля зрения приемного канала (лучи 1 и 3 сходятся в одну точку на дистанции L). Выберем за начало координат нижний край приемного объектива и найдем в выбранных координатах уравнение внешнего луча поля зрения приемного канала (луч 3). Для этого воспользуемся следующим соотношением [Цыпкин А.Г., Цыпкин Г.Г. Математические формулы. Алгебра. Геометрия. Математический анализ: Справочник. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит-ры, 1985]:
где х1, у1 и х2, у2 - координаты двух точек, через которые проходит луч 3. Поскольку луч 3 проходит через начало координат, то х1=0 и у1=0. Координата х2=L, а для того, чтобы найти координату у2 следует записать уравнение луча 1 в новой системе координат:
и подставить в качестве аргумента L, тогда у2=-ω1L+D2+t.
Подставив полученные координаты в (6), получим уравнение луча 3:
откуда находим угол поворота оптической оси приемного канала:
Из выражения (9) можем записать необходимое нам для расчета указанное выше выражение (5).
Чтобы найти размер теневой зоны L0, следует снова воспользоваться соотношением (3) для лучей 1 и 2 (Фиг. 1). Уравнение луча 2 в новых координатах запишется как:
Подставив (7) и (10) в (3) найдем размер теневой зоны L0 как:
Формулы (7÷11) верны для малых углов, т.е. когда выполняется условие tg(ω)≈ω.
Дальномерное устройство работает следующим образом.
Лазерный излучатель 1 совместно с коллимирующим выходным объективом 2 формируют на предельной дистанции измерения L лазерное пятно, а фотоприемник 3 совместно с входным объективом 4 формируют поле зрения. При этом оптические оси передающего и приемного канала пересекаются, поскольку ось приемного канала повернута в сторону передающего канала на угол γ. В результате на предельной дистанции измерения L поле зрения приемного канала накладывается на лазерное пятно таким образом, что внешний край поля зрения касается внутреннего края лазерного пятна (сечение А на рисунке). По мере сокращения дистанции поле зрения приемного канала смещается к внутреннему краю лазерного пятна пока внешний край лазерного пятна не коснется внутреннего края поля зрения приемного канала (сечение Б на рисунке). По мере дальнейшего сокращения дистанции поле зрения продолжает смещаться и перекрывает лазерное пятно лишь частично (сечение В на рисунке), пока внутренний край поля зрения не коснется внутреннего края лазерного пятна на дистанции L0, которая и является началом теневой зоны (сечение Г на рисунке) и после которой поле зрения приемного канала и лазерного пятна не пересекаются. При этом схема измерения дистанции с пересекающимися оптическими осями приемного и передающего каналов обеспечивает меньшую длину теневой зоны L0, чем схема с параллельными оптическими осями, что подтверждается расчетом.
Рассмотрим фазовый дальномер со следующими характеристиками: предельная дальность измерений L=50 м, диаметр зрачка входного объектива D2=35 мм, расходимость лазерного луча 2ω1=1,5 мрад, поле зрения приемного канала 2ω2=6 мрад, расстояние между входным и выходным объективами t=1 мм. При измерении с использованием дальномерного устройства с пересекающимися оптическими осями приемного и передающего каналов длина теневой зоны оценивается по формуле (11). При этом расчет дает значение L0=149 мм. Теперь рассмотрим схему измерения дальномерным устройством с параллельными оптическими осями приемного и передающего каналов и оценим длину теневой зоны по формуле (4). Расчет в этом случае дает значение L0=267 мм, что более чем в полтора раза больше, чем при измерении по схеме с пересекающимися оптическими осями.
Таким образом, дальномерное устройство с пересекающимися оптическими осями позволяет уменьшить размер теневой зоны без увеличения поля зрения входного канала и без применения дополнительных элементов.
Claims (7)
- Дальномерное устройство, содержащее передающий канал для формирования пучка зондирующего излучения и направления его на цель, включающий лазерный излучатель и оптически связанный с ним коллимирующий выходной объектив, а также приемный канал для приема отраженного целью сигнала, включающий фотоприемное устройство и оптически связанный с ним входной объектив, отличающееся тем, что фотоприемное устройство смещено в фокальной плоскости входного объектива таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала была повернута в сторону передающего канала на такой угол, чтобы на предельной дальности измерений поле зрения приемного канала перекрывало лазерное пятно, касаясь своим внешним краем внутреннего края лазерного пятна, при этом угол поворота оптической оси приемного канала находится как
- где γ - угол поворота оптической оси приемного канала;
- D2 - диаметр зрачка входного объектива;
- t - минимальное расстояние между коллимирующим выходным объективом и входным объективом;
- L - максимальная (предельная) дистанция измерения;
- ω1 и ω2 - углы, определяемые из расходимостей 2ω1 и 2ω2 лазерного излучения и поля зрения приемного канала соответственно.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123152A RU2684445C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Дальномерное устройство |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123152A RU2684445C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Дальномерное устройство |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2684445C1 true RU2684445C1 (ru) | 2019-04-09 |
Family
ID=66090068
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018123152A RU2684445C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Дальномерное устройство |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2684445C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2375665C2 (ru) * | 2007-06-04 | 2009-12-10 | Открытое Акционерное Общество "Пеленг" | Комбинированный прицел-прибор наведения |
RU96263U1 (ru) * | 2009-03-25 | 2010-07-20 | Пензенский Артиллерийский Инженерный Институт | Оптическая система канала передатчика лазерного дальномера |
WO2012153309A3 (en) * | 2011-05-11 | 2013-03-14 | Leddartech Inc. | Multiple-field-of-view scannerless optical rangefinder in high ambient background light |
US8451432B2 (en) * | 2005-06-09 | 2013-05-28 | Analog-Modules, Inc. | Laser spot tracking with off-axis angle detection |
RU2590311C1 (ru) * | 2015-02-27 | 2016-07-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Лазерный дальномер |
RU2622229C1 (ru) * | 2016-02-12 | 2017-06-13 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем |
-
2018
- 2018-06-26 RU RU2018123152A patent/RU2684445C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8451432B2 (en) * | 2005-06-09 | 2013-05-28 | Analog-Modules, Inc. | Laser spot tracking with off-axis angle detection |
RU2375665C2 (ru) * | 2007-06-04 | 2009-12-10 | Открытое Акционерное Общество "Пеленг" | Комбинированный прицел-прибор наведения |
RU96263U1 (ru) * | 2009-03-25 | 2010-07-20 | Пензенский Артиллерийский Инженерный Институт | Оптическая система канала передатчика лазерного дальномера |
WO2012153309A3 (en) * | 2011-05-11 | 2013-03-14 | Leddartech Inc. | Multiple-field-of-view scannerless optical rangefinder in high ambient background light |
RU2590311C1 (ru) * | 2015-02-27 | 2016-07-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Лазерный дальномер |
RU2622229C1 (ru) * | 2016-02-12 | 2017-06-13 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Дальномер с комбинированным лазерным полупроводниковым излучателем |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11336074B2 (en) | LIDAR sensor system with small form factor | |
RU2442107C2 (ru) | Устройство для оптического измерения расстояний | |
JP4121803B2 (ja) | 光波距離測定装置 | |
CN106291509B (zh) | 激光雷达光学*** | |
CN105929382B (zh) | 一种主动光电***的收发同轴辅助光校装置及方法 | |
US9804265B2 (en) | Radar device | |
US6833909B2 (en) | Device for optical distance measurement of distance over a large measuring range | |
WO2018176275A1 (en) | System and method for supporting lidar applications | |
RU2292566C1 (ru) | Многофункциональная оптико-локационная система | |
CN103293529B (zh) | 激光测距装置 | |
CN109839093B (zh) | 具有可切换接收孔径的光学测距仪 | |
CN110007312A (zh) | 激光雷达***及其控制方法 | |
CN109164465A (zh) | 基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学*** | |
JP2001050742A (ja) | 光学的距離測定装置 | |
US7463339B2 (en) | Device for measuring the distance to far-off objects and close objects | |
RU2335728C1 (ru) | Оптико-электронная система поиска и сопровождения цели | |
US7826039B2 (en) | Target acquisition device | |
RU2684445C1 (ru) | Дальномерное устройство | |
US20190196017A1 (en) | Measuring device with measurement beam homogenization | |
JP2016212098A (ja) | 焦点調整機構を有するスキャナ・トラッカ複合装置 | |
RU197056U1 (ru) | Двухканальный комбинированный прибор ночного видения с радиолокационным каналом | |
JP2006053055A (ja) | レーザ測定装置 | |
CN112558088A (zh) | 激光探测和激光干扰方法及装置 | |
US11372109B1 (en) | Lidar with non-circular spatial filtering | |
RU63520U1 (ru) | Оптико-электронная система поиска и сопровождения цели |