способ лазерного зондирования удаленного объекта

Классы МПК:G01C3/08 с использованием детекторов излучения 
G01S17/02 системы с использованием отражения электромагнитных волн, иных чем радиоволны
Автор(ы):, , , , , ,
Патентообладатель(и):Вильнер Валерий Григорьевич (RU),
Вильнер Ирина Вольфовна (RU),
Волобуев Владимир Георгиевич (RU),
Дубинин Владимир Иванович (RU),
Значко Константин Витальевич (RU),
Рудь Евгений Леонидович (RU),
Рябокуль Борис Кириллович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2007-06-15
публикация патента:

Способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, отличающийся тем, что после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени ts=2r/c+способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 T, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т=2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/с; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу. Технический результат заключается в одновременном, максимально точном определении пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903

Формула изобретения

1. Способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, отличающийся тем, что после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени ts=2r/c+способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 T, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т=2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/с; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение времени ts регистрируют выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 t<2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/c, где способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на лазер подают избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включают добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Тизл=Т3-Т1.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что накачку лазера производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Tизл=2Rмакс/c, где Rмакс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей.

Описание изобретения к патенту

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

Известны способы лазерного зондирования удаленных объектов для получения информации об их дальности и других характеристиках. Известен способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [1]. Этот способ позволяет, в частности, определять высоту летательного аппарата над подстилающей поверхностью, а при достаточно высокой частоте зондирований - снимать профиль подстилающей поверхности. Данный способ реализуется, например, лазерным высотомером-дальномером ДЛ-1 с помощью полупроводникового импульсного лазера [2]. Указанный прибор предназначен для измерения расстояния до естественных объектов и определения профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и разрешающей способностью. Однако низкая мощность полупроводникового лазера не позволяет обеспечить дальность действия более 1000 м.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [3]. Дальность лазерного зондирования при этом может достигать 20000 м и более.

Недостатком указанного способа является его практическая непригодность для регистрации формы отраженного объектом сигнала, которая может нести важную информацию о протяженности объекта вдоль трассы зондирования (так, при съемке профиля подстилающей поверхности форма отраженного сигнала характеризует высоту растительности). Этот недостаток вызывается двумя причинами. Первая из них - необходимость регистрации структуры принимаемого сигнала практически на протяжении всей трассы зондирования от прибора до зондируемого объекта или, в лучшем случае, на ограниченном отрезке трассы, на котором по априорным данным находится объект. Эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров, что требует большого объема памяти при регистрации сигнала. Вторая причина - необходимость осуществлять одновременное измерение дальности и регистрации формы сигнала. В этом случае электрические наводки, неизбежные в процессе измерения дальности, искажают принимаемый сигнал и не позволяют регистрировать его форму с достаточной точностью.

Задачей изобретения является одновременное определение с максимальной точностью пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе лазерного зондирования удаленного объекта, включающем посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени ts=2r/c+способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т=2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/с; способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.

Для регистрации формы принимаемого сигнала в течение времени ts можно регистрировать выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 t<2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/с, где способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.

Для формирования первого и второго лазерных зондирующих импульсов можно подавать на лазер избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включать добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Тизл=Т3-Т1.

При использовании лазера с пассивной модуляцией добротности накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Тизл=2Rмакс/2, где R макс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей.

На чертеже представлена временная диаграмма процесса зондирования.

В направлении объекта посылают первый лазерный зондирующий импульс 1, принимают первый отраженный объектом импульс 2, затем посылают второй зондирующий импульс 3 и принимают второй отраженный импульс 4. При превышении первым 1 и вторым 3 зондирующими импульсами порога 5 формируют соответственно первый 6 и второй 7 стартовые сигналы. При превышении первым отраженным импульсом 2 порога 8 формируют стоповый импульс 9. Регистрируют моменты формирования первого и второго стартовых сигналов Т1 и Т3 и момент формирования первого стопового сигнала Т2. Определяют интервал времени Т между моментами Т1 и Т2. Затем, начиная с момента Т3, формируют временной интервал Т' и по его окончании в момент времени Т4 регистрируют отрезок 10 реализации принятого сигнала длительностью ts. Например, при определении структуры нижней границы облаков глубина подлежащей регистрации облачной структуры r=50 м, а протяженность подоблачного слоя, влияющего на результаты анализа, способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r=20 м. Тогда способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т=2способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 r/с=133 нс, а величина исследуемого интервала ts =2r/c+способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т=467 нс.

Сигнал на временном отрезке t s можно представить последовательностью выборок с аналого-цифровым преобразованием каждой выборки. Например, при дискретности 10 нс для приведенного примера с величиной ts=467 нс объем полученного массива данных составляет 47 выборок.

При реализации способа с помощью твердотельного импульсного лазера с модулированной добротностью возможно излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки лазера. Для этого подают на лазерный излучатель энергию накачки, достаточную для излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и дважды включают добротность с интервалом Тизл=Т3-Т1. При использовании управляемых затворов (например, электрооптического затвора) управляющий сигнал на открывание затвора подают дважды с интервалом Tизл .

Возможно также излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки при использовании лазера с фототропным затвором. Для этого накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Тизл=2Rмакс /с, где Rмакс - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей, а с - скорость света.

Данный способ позволяет максимально сократить длительность регистрируемой реализации принимаемого сигнала за счет синхронизации начала процесса регистрации с началом сигнала. Способ позволяет также начинать регистрацию сигнала с некоторым опережением способ лазерного зондирования удаленного объекта, патент № 2352903 Т, необходимым, если представляет интерес характер возникновения и нарастания сигнала. Поскольку при повторном зондировании пороговая обработка принимаемого сигнала может не проводиться, процесс регистрации сигнала не сопровождается помехами, возникающими при пороговой обработке и формировании стопового импульса. Это повышает качество регистрации сигнала. Благодаря минимизации интервала дискретизации и точной его привязке к регистрируемому сигналу предельно упрощается регистрирующая аппаратура и необходимый объем памяти.

Использование для зондирования импульсного лазера с модулированной добротностью позволяет предельно сократить интервал между первым и вторым зондированиями, что повышает достоверность регистрации данных. Так при зондировании лесного массива с летательного аппарата при максимальной высоте полета Rмакс=3000 м интервал между излучениями может составлять Тизл =20 мкс. При скорости летательного аппарата 200 км/ч за это время он переместится на 1 мм, то есть результаты измерения дальности до объекта и регистрации его профиля получаются практически из одной точки. При одноимпульсном зондировании это было бы невозможно.

Предлагаемый способ лазерного зондирования удаленного объекта обеспечивает одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры и максимальной точности.

Источники информации

1. В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», М., 1973 г., с.189.

2. "Техномир" № 1 (31), 2009 г., с.48.

3. В.А. Волохатюк, В.М. Кочетков, P.P. Красовский "Вопросы оптической локации" Изд. "Советское радио", М., 1971 г., с.177, 196 - прототип.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2352903

patent-2352903.pdf

Класс G01C3/08 с использованием детекторов излучения 

устройство калибровки, система измерения расстояния, способ калибровки и программа калибровки -  патент 2529594 (27.09.2014)
приемная линзовая система и оптический дальномер -  патент 2529439 (27.09.2014)
способ измерения линейных перемещений объекта -  патент 2521220 (27.06.2014)
способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления -  патент 2521203 (27.06.2014)
лазерный дальномер -  патент 2518588 (10.06.2014)
лазерный дальномер -  патент 2516165 (20.05.2014)
телевизионно-лазерный визир-дальномер -  патент 2515766 (20.05.2014)
лазерный монокулярный дальномер -  патент 2515418 (10.05.2014)
способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера -  патент 2515083 (10.05.2014)
способ измерения расстояний на цифровой фотокамере -  патент 2485443 (20.06.2013)

Класс G01S17/02 системы с использованием отражения электромагнитных волн, иных чем радиоволны

система импульсной лазерной локации -  патент 2528109 (10.09.2014)
устройство лазерной локации заданной области пространства -  патент 2516376 (20.05.2014)
гидроакустическая станция для надводного корабля -  патент 2502085 (20.12.2013)
имитатор морской поверхности для статистического исследования распределения морских бликов при работе лазерных доплеровских локаторов по низколетящим ракетам -  патент 2488138 (20.07.2013)
лазерный измеритель расстояний -  патент 2471203 (27.12.2012)
лазерный локатор -  патент 2456636 (20.07.2012)
способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала -  патент 2451950 (27.05.2012)
способ измерения дальности -  патент 2451904 (27.05.2012)
имитатор бликовых переотражений лазерного излучения морской поверхностью -  патент 2451302 (20.05.2012)
способ регистрации статистического распределения переотражений лазерного излучения от низколетящей ракеты бликами морской поверхности и устройство для его реализации -  патент 2451301 (20.05.2012)
Наверх