RU2680655C2

RU2680655C2 - Diffraction lidar

Info

Publication number: RU2680655C2
Application number: RU2017126365A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Гущо; Марина Алексеевна Гущо
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НаноРельеф Дисплей"
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-02-25
Also published as: RU2017126365A3; RU2017126365A

Abstract

FIELD: optics; instrument engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of optical instrument engineering and relates to the diffraction lidar. Lidar includes laser emitter, control unit, transmission optical path, opto-electronic receiving path, digital calculator and information consumer. Transmission optical path includes horizontal modulator, a horizontal phase filter and adaptive optics. Horizontal modulator comprises transparent electrically conductive layer applied on the first dielectric transparent substrate, covered with transparent gel-like layer, and the linear transparent horizontal electrodes system arranged on the second dielectric transparent substrate in the same plane. Electrodes are with the clearance placed above the gel-like layer and are electrically connected to the control unit via the signals sources. Phase filter contains opening, which aperture is at least equal to the predetermined range of the laser radiation diffraction after the horizontal modulator plus the first orders. Receiving opto-electronic path includes lens, band-pass optical filter and photodetector.EFFECT: technical result consists in increasing the laser radiation using efficiency and increasing the lidar speed.5 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.The invention relates to scanning by laser radiation without moving parts using tunable phase optical diffraction gratings with the ability to control the direction, intensity, frequency and phase characteristics of light radiation, and can find application in the aviation, space and automotive industries, as well as in a number of special areas, in optical location, logistics, control systems for robotic systems, assistance systems for drivers of vehicles, warning systems ezhdeniya collision with obstacles, mapping and navigation.

Уровень техникиState of the art

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].Known lidar containing a rotating prism, an engine for rotating the prism, a laser light source, transmitting and receiving paths. The disadvantage of this device is the need to stabilize the rotating prism, significant restrictions on the angular velocities and accelerations of the scanning system, the fragility of the rotation devices, as well as the large mass-dimensional parameters and power consumption [patent US 20110216304 A1 (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].A known lidar containing a matrix of emitting laser diodes, a matrix of photodetector elements whose radiation pattern forms a field of view, a switching, amplification, filtering and signal matching system, a high-speed circuit of an analog-to-digital converter, a digital signal processing circuit made on a programmable logic integrated circuit. The disadvantage of this lidar is the small angular resolution, limited by the number of pairs of "receiver - transmitter", low speed due to the use of the phase method of measuring range and the use of an analog-to-digital converter [patent 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].The closest invention is a lidar containing a transmitting optical path, a receiving optical path, a digital computer, an information consumer, a laser emitter with a laser light source and a collimator. [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.The disadvantage of this lidar is its low speed and low modulator efficiency.

Задачей настоящего изобретения является расширение сферы применения, эффективное использование лазерного излучателя, увеличение быстродействия лидара, повышение КПД и улучшение качества работы системы.The objective of the present invention is to expand the scope, the effective use of a laser emitter, increase the speed of the lidar, increase efficiency and improve the quality of the system.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Эти задачи решаются созданием настоящего изобретения.These problems are solved by the creation of the present invention.

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.The diffraction lidar according to our invention comprises a laser emitter, a horizontal modulator, a control system transmitting an optical path directed to the object of observation, a receiving optical-electronic path, a digital computer and an information consumer, the horizontal modulator comprising a transparent electrically conductive layer deposited on a first dielectric transparent substrate, covered with a transparent gel-like layer, and a system of n pieces of ruled transparent horizontal electrodes located in one square on the second dielectric transparent substrate and placed with a gap over the transparent gel-like layer and electrically connected through signal sources to the control system, while the transparent electrically conductive layer is electrically connected through the reference voltage source to a system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes, while n outputs of the system control, connected to n inputs of a system of linear transparent electrodes, while the system of linear transparent horizontal n electrodes covers aperture of the second dielectric transparent substrate, wherein all linear transparent horizontal n electrodes are electrically isolated from each other, the laser emitter, the control system, the receiving optoelectronic path and the information consumer are electrically connected to a digital computer, the laser emitter containing a laser light source, a collimator, while the transmitting optical path contains a horizontal modulator sequentially located on the optical axis, a horizontal phase a liter and adaptive optics, moreover, the filter contains an aperture whose aperture is at least not less than the specified range plus the first orders of diffraction of the laser emitter from the horizontal modulator, the receiving optoelectronic path comprising a lens, a bandpass optical filter, and a photodetector in series with the photodetector is electrically connected to the analog signal processing unit, while the analog signal processing unit is electrically connected to the digital computer, at m digital computer electrically connected to the information consumer and the laser emitter.

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.In addition, the diffraction lidar of the present invention contains a horizontal phase filter with an additional hole, the aperture of which is at least not less than the specified range minus the first diffraction orders, and an optical line is located in the hole, delays for the wavelength of the laser radiation from the horizontal modulator.

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.In addition, the diffraction lidar according to the present invention contains a laser emitter with a collimator made in the form of a cylindrical lens, and the generatrix of the cylindrical lens is parallel to the line of transparent transparent electrodes, and the optoelectronic photodetector path contains a lens made in the form of a cylindrical lens, the formation of which is perpendicular to the spectral line plus first-order diffraction, while the photodetector is made in the form of a rectangular matrix of photosensitive elements, when than one of the matrix axes is perpendicular to the spectral line plus the first diffraction order, and each matrix element is electrically connected to the analog signal processing unit.

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.In addition, the diffraction lidar of the present invention contains a horizontal modulator containing p pieces of sectors of arbitrary shape, each of which is connected to a control unit, each sector containing a system of k pieces of linear transparent electrodes, and the orientation of the electrodes in all p pieces of sectors is different, with this collimator is made in the form of a matrix of p pieces of spherical or cylindrical lenses, and the filter contains p pieces of holes, the aperture of each of which is at least not less than a given range pole of the first diffraction orders for each of p pieces of the horizontal sectors modulator.

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.In addition, the diffraction lidar of the present invention further comprises a laser emitter, a vertical modulator, a control unit transmitting an optical path directed to the object of observation, a receiving optical-electronic path, a digital computer and a consumer of information, the vertical modulator containing deposited on the first dielectric transparent substrate a transparent electrically conductive layer coated with a transparent gel-like layer, and a system of m pieces of linear transparent vertical electrodes located in the same plane on the second dielectric transparent substrate, and placed with a gap above the transparent gel-like layer, and electrically connected through signal sources to the control unit, while the direction of the system of m pieces of linear transparent vertical electrodes is orthogonal to the direction of the system of n pieces of transparent transparent horizontal electrodes, at this transparent electrically conductive layer is electrically connected through a reference voltage source with a system of m pieces of linear transparent vertical electrodes wherein the m outputs of the control unit are connected to m inputs of a system of linear transparent vertical electrodes, while the system of linear transparent vertical m electrodes covers the light aperture of the second dielectric transparent substrate, while all linear transparent vertical m electrodes are electrically isolated from each other, and the laser the emitter, the control unit, the receiving optoelectronic path and the information consumer are electrically connected to a digital computer, the laser emitter containing it means a laser light source, a collimator, while the wavelength of the laser emitter may differ from the wavelength of the laser source, while the transmitting optical path contains a vertical modulator, a vertical phase filter and adaptive optics sequentially located on the optical axis, the vertical phase filter containing a hole, an aperture which is at least not less than a given range plus the first orders of diffraction of laser radiation after a vertical modulator, and the receiving optical-electron the path includes a lens sequentially located on the optical axis, a band-pass optical filter, a photodetector, the photodetector is electrically connected to the analog signal processing unit, and the analog signal processing unit is electrically connected to the digital computer, and the digital computer is electrically connected to the information consumer and the laser emitter and also further comprises a synchronization unit electrically connected to digital computers.

Перечень фигурList of figures

На Фиг. 1 показана общая конструкция дифракционного лидара.In FIG. 1 shows the general construction of a diffraction lidar.

На Фиг. 2 показан пример конструкции горизонтального модулятора.In FIG. 2 shows an example construction of a horizontal modulator.

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.In FIG. 3. An example of the formation of a diffraction grating of arbitrary spatial resolution is shown: a — formation of a relief with a spatial period l ₀ ; b - formation of a relief with a spatial period of 2l ₀ .

На Фиг. 4. показан пример конструкции лазерного излучателя и передающего оптического тракта.In FIG. 4. shows an example of the design of a laser emitter and a transmitting optical path.

На Фиг. 5 показан пример конструкции передающего оптического тракта.In FIG. 5 shows an example of the construction of a transmitting optical path.

На Фиг. 6. показан пример конструкции оптико-электронного фотоприемного тракта.In FIG. 6. shows an example of the design of the optoelectronic photodetector path.

На Фиг. 7. показан конструкции передающего оптического тракта с оптической линией задержки для минус первых порядков дифракции.In FIG. 7. shows the design of the transmitting optical path with an optical delay line for minus the first diffraction orders.

На Фиг. 8. показано пояснение к работе дифракционного лидара с фотоприемником в виде прямоугольной матрицы светочувствительных элементов.In FIG. 8. An explanation of the operation of the diffraction lidar with a photodetector in the form of a rectangular matrix of photosensitive elements is shown.

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.In FIG. 9. An example of a topology of the modulator electrodes is shown with a division into p pieces of sectors with different orientations of a system of k pieces of transparent transparent electrodes in each sector.

На Фиг. 10. показана конструкция дифракционного лидара с двумя линейными ортогонально ориентированными модуляторами.In FIG. 10. shows the structure of a diffraction lidar with two linear orthogonally oriented modulators.

На Фиг. 11. показан пример конструкции вертикального модулятора.In FIG. 11. shows an example design of a vertical modulator.

На Фиг. 12. показаны пространственная (а) и временная (б) диаграммы вертикального и горизонтального сканирования.In FIG. 12. shows the spatial (a) and time (b) diagrams of vertical and horizontal scanning.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

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.The diffraction lidar (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6) contains a laser emitter 1, a horizontal modulator 2, a control system 3, a transmitting optical path 4 directed to the object of observation 5, a receiving optical-electronic path 6, and a digital computer 7 and the information consumer 8, wherein the horizontal modulator 2 comprises a transparent electrically conductive layer 10 coated on the first dielectric transparent substrate 9, coated with a transparent gel-like layer 11, and a system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes 12 located in one p gloss on the second dielectric transparent substrate 13 and placed with a gap 14 above the transparent gel-like layer 11, and electrically connected through signal sources 15 to the control system 3, while the transparent conductive layer 10 is electrically connected through a reference voltage source 16 to a system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes 12, while n outputs of the control system 3 are connected to n inputs of a system of linear transparent electrodes 12, while the system of linear transparent horizontal n electrodes Ov 12 covers the light aperture of the second dielectric transparent substrate 13, while all the linear transparent horizontal n electrodes are electrically isolated from each other, and the laser emitter 1, the control system 3, the receiving optoelectronic path 6 and the information consumer 8 are electrically connected to a digital computer 7 moreover, the laser emitter 1 contains a laser light source 17, a collimator 18, while the transmitting optical path 4 contains a horizontal module sequentially located on the optical axis torus 2, a horizontal phase filter 19 and adaptive optics 20, wherein the horizontal phase filter 19 contains an opening 21, the aperture of which is at least not less than a given range plus the first orders of diffraction of laser radiation after horizontal modulator 2, and the receiving optoelectronic path 6 contains sequentially a lens 22 located on the optical axis, a band-pass optical filter 23, a photodetector 24, while the photodetector 24 is electrically connected to the processing unit of the analog signal 25, while the processing unit ki analog signal 25 is electrically connected to the digital computer 7, the digital computer 7 is electrically connected to the information consumer 8 and a laser emitter 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.In another embodiment of the device (Fig. 7), an additional hole 26 is inserted into the horizontal phase filter 19, the aperture of which is at least not less than the specified range minus the first diffraction orders, and an optical delay line 27 for the radiation wavelength of the laser emitter 1 is introduced into the hole 26 from horizontal modulator 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.In another embodiment of the device (Fig. 8), the collimator 18 is made in the form of a cylindrical lens, and the generatrix of the cylindrical lens is parallel to the line of transparent transparent electrodes 12, and the optoelectronic photodetector 6 includes a lens 22 made in the form of a cylindrical lens, the shape of which is perpendicular to the spectral lines plus the first order of diffraction, while the photodetector 24 is made in the form of a rectangular matrix of photosensitive elements, moreover, one of the axes of the matrix of perpendiculars Molecular spectral line plus first diffraction order, and each matrix element is electrically connected to the analog signal processing unit 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.In another embodiment of the device (Fig. 9), the horizontal modulator 2 consists of p pieces of sectors of arbitrary shape, each of which is connected to the control unit 3, each sector containing a system of k pieces of ruled transparent electrodes 28, with the orientation of the electrodes 28 in all p pieces, the sectors are different, while the collimator 18 is made in the form of a matrix of p pieces of spherical or cylindrical lenses, and the filter 19 contains p pieces of holes 29, the aperture of each of which is at least at least a given range plus n The first diffraction orders for each of the p pieces of sectors of the horizontal modulator 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.In another embodiment, the device (Fig. 2, 3, 5, 6, 10, 11, 12). additionally introduced a laser emitter 30, a vertical modulator 31, a control unit 32, a transmitting optical path 33 directed to the object of observation 5, a receiving optical-electronic path 34, a digital computer 35 and an information consumer 8, and the vertical modulator 31 contains deposited on the first dielectric transparent the substrate 36 is a transparent electrically conductive layer 37, covered with a transparent gel-like layer 38, and a system of m pieces of ruled transparent vertical electrodes 39 located in the same plane on the second dielectric a transparent transparent substrate 40, and placed with a gap 41 above the transparent gel-like layer 38, and electrically connected via signal sources 42 to the control unit 32, while the direction of the system m of pieces of linear transparent vertical electrodes 39 is orthogonal to the direction of the system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes 12, wherein the transparent electrically conductive layer 37 is electrically connected through a reference voltage source 43 to a system of m pieces of linear transparent vertical electrodes 39, while m outputs of the block and the controls 32 are connected to the m inputs of the line of transparent vertical electrodes 39, while the line of transparent vertical m electrodes 39 covers the light aperture of the second dielectric transparent substrate 40, while all of the line transparent vertical m electrodes are electrically isolated from each other, and the laser emitter 30, a control unit 32, a receiving optical-electronic path 34, and an information consumer 8 are electrically connected to a digital computer 35, the laser emitter 30 comprising a laser the light source 44, the collimator 45, while the wavelength of the laser emitter 30 may differ from the wavelength of the laser source 17, while the transmitting optical path 33 contains a vertical modulator 31, a vertical phase filter 46 and adaptive optics 47 successively arranged on the optical axis, wherein the filter 46 contains an opening 48, the aperture of which is at least not less than the specified range plus the first orders of diffraction of laser radiation after the vertical modulator 31, the receiving optoelectronic path 34 will have a lens 49, a band-pass optical filter 50, a photodetector 51 sequentially arranged on the optical axis, the photodetector 51 is electrically connected to the analog signal processing unit 52, and the analog signal processing unit 52 is electrically connected to the digital computer 35, while the digital computer 35 is electrically connected with an information consumer 8 and a laser emitter 30, and also further comprises a synchronization unit 53 electrically connected to digital computers 7 and 35.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

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:In the proposed diffraction lidar device (Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6) in the laser emitter 1, the laser light source 17 illuminates the horizontal modulator 2 using the collimator 18 (Fig. 2). Using the control system 3, a phase relief is created on the transparent gel-like layer 11 due to electric ponderomotive forces on the electrodes 12. The spatial frequency of the relief is formed by switching on the corresponding combinations of electrodes 12 (Fig. 3). As is known, for phase diffraction gratings, the maximum light output reaches unity with a phase incursion of 2.41 radians. The phase incidence angle for the first dielectric transparent substrate 9 in the form of a plane-parallel plate (Fig. 2.) is determined by the formula:

ψ=2nω₁A,ψ = 2nω ₁ A,

где A - глубина рельефа; ω₁=2π/λ₁; λ₁ - длина волны считывающего излучения; n=1,41 - коэффициент преломления гелеобразного слоя.where A is the depth of the relief; ω ₁ = 2π / λ ₁ ; λ ₁ - wavelength of read radiation; n = 1.41 is the refractive index of the gel-like layer.

Другими словами, для всех пространственных частот глубина рельефа A_optim зависит только от длины волны считывающего излучения и равна A_optim. При ψ=2.41 для просветного модулятора (Фиг. 2) получим максимальную глубину рельефа A_optim=1,2/ω₁n, или A_optim=0,137λ₁. Например, для излучения λ₁=0,636 мкм получим: A_optim=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.In other words, for all spatial frequencies, the relief depth A _optim depends only on the wavelength of the read radiation and is equal to A _optim . At ψ = 2.41 for the translucent modulator (Fig. 2), we obtain the maximum relief depth A _optim = 1.2 / ω ₁ n, or A _optim = 0.137λ ₁ . For example, for radiation λ ₁ = 0.636 μm we get: A _optim = 87 nm. One of the important reasons for the speed of the modulator 2 developed by us is the pixel nanoscale, while in modulators based on liquid crystals and micromirrors, the displacement is measured in microns.

Угол набега фазы для первой диэлектрической прозрачной подложки 9 в виде призмы полного внутреннего отражения (Фиг. 4.) определяется по формуле:The phase angle for the first dielectric transparent substrate 9 in the form of a prism of total internal reflection (Fig. 4.) is determined by the formula:

В этом случае A_optim=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.In this case, A _optim = 67 nm. Thus, the sensitivity for the first dielectric transparent substrate 9 in the form of a prism of total internal reflection is 1.41 times higher than for the first dielectric transparent substrate 9 in the form of a plane-parallel plate. Moreover, when using the prism of total internal reflection, the noise generated at the boundaries of the transparent electrodes 12 in the modulator 2, which works on the light, is eliminated.

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/λ_м, где λ_м - период фазового рельефа, сформированного заданным распределением напряжения на электродах 12 (Фиг. 2). Меняя период фазового рельефа λ_м 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.In the case of diffraction by a transparent gel-like layer 11, plus the first and minus first diffraction orders fall on the filter 19, the plus first order passing through the hole 21, and the minus the first and all other diffraction orders overlapping by the filter 19. The position plus the first diffraction order is determined by the formula λ ₁ / λ _m , where λ _m is the phase relief period formed by a given voltage distribution on the electrodes 12 (Fig. 2). Changing the phase relief period λ _m due to switching the combination of electrodes 12, the maximum plus the first diffraction order will change their position in the hole 21, and using the adaptive optics 20, a scan of object 5 will be performed according to a given program. Since the distance between the first-order maxima will change with a change in the period of the mechanical relief, it is useful in some cases to use adaptive optics to correct the uniformity of scanning across the area of the object of observation 5. Adaptive optics 20 generates a given distribution of the radiation direction depending on the angle of coverage of the scan zone, in other words , adaptive optics controls the wavefront shape depending on the purpose of the diffraction lidar. Using adaptive optics 20, it is possible to control the distribution of both point scanning of the observation object 5 and linear scanning of the observation object 5, for example, horizontally with a given line height (angle value) of the scan. The beam reflected from the object of observation 5, falls on the lens 22 of the receiving path, passes the band-pass optical filter 23 and is registered at the photodetector 24. Next, the electrical signals enter the processing unit of the analog signal 25 and through the digital computer 7 to the consumer 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 λ_м. 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.In another embodiment of the invention (Fig. 7), the device operates as follows. In the case of diffraction on a transparent gel-like layer 11, plus the first and minus first diffraction orders fall on the filter 19, moreover, the first order passes into the hole 21, and the first minus passes into the additional hole 26. All other diffraction orders are blocked by the filter 19. In this case, the hole 26, an optical delay line 27 is introduced, which allows the reflected beam to be separated in time, plus the first order and minus the first order for a given phase relief period λ _m . In this embodiment of the invention, it becomes possible to use not only plus the first order, but also minus the first order of diffraction, which increases the resolution (angle of coverage) of the diffraction lidar and doubles the use of radiation power.

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.In another embodiment of the invention (Fig. 8), the device operates as follows. In the laser emitter 1, the laser light source 17 using a collimator 18, made in the form of a cylindrical lens, and the generatrix of the cylindrical lens is parallel to the system of linear transparent electrodes 12, illuminates the horizontal modulator 2 (Fig. 2). The diffraction of radiation from the laser light source 17 on the modulator 2 leads to the formation of various diffraction orders. Plus, the first diffraction order falls into the hole 21 of the filter 19 (Fig. 5) and through adaptive optics 20 illuminates the object of observation 5 (Fig. 8). The beam reflected from the object "observation 5, falls on the lens 22, made in the form of a cylindrical lens, the generatrix of which is perpendicular to the spectral line plus the first diffraction order, and then is projected through a band-pass optical filter 23 onto the photodetector 24, made in the form of a rectangular matrix of photosensitive elements. Using the processing unit of the analog signal 25 on the matrix of the photodetector 24, horizontal rows of the matrix are sequentially switched on. Thus, the second scan coordinate is This is achieved by switching the rows of the photodetector matrix 24. A compact diffraction lidar and two-coordinate scanning of the object under observation are achieved 5. The use of a band-pass optical filter 23 avoids spurious illumination from other radiation wavelengths and thereby increases the noise immunity of the diffraction lidar.

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.In another embodiment of the invention (Fig. 9), the device operates as follows. In the laser emitter 1, the laser light source 17 with the help of a collimator 18 illuminates a horizontal modulator 2, which is made in the form of p pieces of sectors of arbitrary shape, each of which is connected to the control unit 3. In turn, each sector contains a system of k pieces of linear transparent electrodes 28 with a unique orientation of the electrodes from sector to sector. The collimator 18 is made in the form of a matrix of p pieces of spherical or cylindrical lenses, and the filter 19 contains p pieces of holes 29, the aperture of each of which is at least not less than a given range plus the first diffraction orders for each of p pieces of sectors of the horizontal modulator 2. Each sector the modulator is switched on in turn according to the program specified by the digital calculator 7. Since the sector contains k pieces of line electrodes with a given orientation, changing the period (Fig. 3), the diffraction grating in each sector can be scanned by the first diffraction order for this sector. By connecting the sectors of the modulator in series, we are able to scan the object of observation 5 in all directions using one horizontal modulator 2. In this case, compared to scanning “pixel by pixel”, for example, for two coordinate modulators, we save laser energy due to the fact that each a sector allows you to scan not one point, as for a pixel two coordinate modulator, but a scanning area, the size of which is inversely proportional to the number of sectors. The light reflected from the object of observation 5 enters through the lens of the receiving path 22 and the band-pass optical filter 23 to the photodetector 24 (Fig. 6). Information through the processing unit of the analog signal 25 enters a digital computer 7, which after processing provides this information to the consumer 8, for example, to visualize the scanned object of observation 5. The band-pass optical filter 23, tuned to transmit radiation from the laser source 17, can suppress noise caused by various optical noise.

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.In another embodiment of the invention (Fig. 2, 3, 5, 6, 10, 11, 12), the device operates as follows. In this embodiment of the invention, two transmitting optical paths 4 and 33, and two receiving optoelectronic paths 6 and 34 act immediately. The interaction of these paths is provided by the synchronization unit 53. A horizontal modulator 2 and a vertical modulator 31 are located in the transmitting optical paths 4 and 33, respectively. Since the laser emitter 17 differs in the frequency of radiation from the laser emitter 30, the radiation reflected from the object of observation 5, filtered in each receiving optoelectronic path 6 and 34 using band-pass optical filters 23 and 50, is protected from crosstalk and is identified in each photodetector 24 and 51, respectively. The outputs of the receiving optoelectronic paths 6 and 34 are analog signals. Due to the fact that the accuracy of measuring the range of the diffraction lidar depends on the accuracy of measuring the propagation time of the probing signal, a procedure for restoring the envelope of the received signal should be performed for accurate timing. The shape of the envelope of the received signal is usually reconstructed at four points using the interpolation method, depending on the mathematical model of the response used [A. Golovkov, I. Pivovarov, I. Kuznetsov. Computer simulation and design of electronic equipment. Textbook for high schools. Third generation standard. - St. Petersburg: Peter, 2015 - 208 p.]. If the responses of the vertical and horizontal modulators coincide in time, the coordinates of the object in the field of view are evaluated (Fig. 12). The azimuth and elevation angle relative to the building axes of the diffraction lidar corresponds to radiation patterns defined by the vertical and horizontal modulators 2 and 31, and the distance d to the object of observation 5 for a known probing signal travel time can be determined by the formula d = 0.5⋅c⋅t, where c is the propagation velocity of the probe signal in the medium, t is the time of the full stroke of the probe signal. As in the four previous embodiments of the invention, in the case of using a prism of total internal reflection (Fig. 4) in the modulators 2 and 31, the noise generated at the boundaries of the transparent electrodes 12 and 39 is eliminated. Thus, the entire area of the modulator is used for scanning in the diffraction lidar, while the energy of the laser source is practically not lost. In addition, it is possible to use several laser sources with the same modulator. This can significantly reduce noise, both from external sources and from internal optical interference.

Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.The device of the present invention can be performed as follows.

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).As a coherent laser light source 17, for example, semiconductor lasers or vapor lasers of copper, gold, strontium, and also gas lasers can be used. To ensure a sufficient level of speed and high energy efficiency, it is advisable to use gallium nitride transistors as switching elements of the driver of a coherent light source, which make it possible to generate probe pulses with a duration of less than 1 ns and an optical energy of at least 70 nJ. The implementation of the driver device can be carried out by known methods (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).As elements of the control system 3 can be used standard chips, or chipsets, the level of integration depends on the technical requirements of the devices. For individual control of the electrodes 12 and 39 of the horizontal modulator 2 and the vertical modulator 31, respectively, to optimize the number of electrical connections, it is advisable to use multi-channel drivers with sequential data loading into the latch register and the possibility of sequential combining (for example, 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.The system of n pieces of line transparent electrodes 12 and the system m of line transparent electrodes 39 can be made of aluminum, chromium, molybdenum, indium oxide. The gap 14 can be selected, for example, 20 μm, and the thickness of the transparent gel-like layer 11, for example, 45 μm. The thickness of the line transparent electrodes 12 and 39 can be selected from tenths to hundredths of a micron. The electrical signals coming from the control unit 3 to the input of the modulator 2, and from the control unit 32 to the input of the modulator 31 can, for example, be selected as follows: the signal voltage is 15-20 V, the duration of the control pulse is 7 μs. The first dielectric transparent substrate 9 and 36 and the second dielectric transparent substrate 13 and 40 may be made of the same material, for example, silica glass. The first dielectric transparent substrate 9 and 36 can be made in the form of a plane-parallel transparent dielectric plate (Fig. 2 and 11) or in the form of a prism of total internal reflection (Fig. 4). The transparent conductive layer 10 and 37 are made of indium oxide.

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.Adaptive optics 20 and 47 can be made, for example, in the form of a mirror lens. The shape of the mirror lens depends on the specification for the angle of coverage of the object of observation 5. Adaptive optics 20 and 47 can also be made of K-8 or VK-7 glass.

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.The shape p of the sectors in the horizontal modulator 2 and the vertical modulator 31 can be selected in the form, for example, of a rectangle, a hexagon, or some other shape, while the shapes of the sectors in the horizontal modulator 2 and the vertical modulator 31 always match.

В качестве оптических линий задержки 27 могут быть выбраны волоконно-оптические, призменно-линзовые и другие оптические линии задержки.As the optical delay lines 27, fiber optic, prism-lens and other optical delay lines can be selected.

Прозрачный гелеобразный слой 11 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802 Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК7: G02F 1/00).A transparent gel-like layer 11 is prepared on the basis of polyorganosiloxane by known methods (Patent No. 2577802 Speckle suppressor for laser radiation (options), IPC classes 7: G02F 1/00).

В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки.As other elements and blocks, standard elements and blocks can be used.

Claims

1. A diffraction lidar comprising a laser emitter 1, a horizontal modulator 2, a control unit 3, a transmitting optical path 4 directed to the object of observation 5, a receiving optical-electronic path 6, a digital computer 7 and an information consumer 8, wherein the horizontal modulator 2 contains a printed on the first dielectric transparent substrate 9, a transparent conductive layer 10 coated with a transparent gel-like layer 11, and a system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes 12 located in the same plane on another dielectric transparent substrate 13 and placed with a gap 14 above the transparent gel-like layer 11, and electrically connected through signal sources 15 to the control unit 3, while the transparent electrically conductive layer 10 is electrically connected through a reference voltage source 16 to a system of n pieces of linear transparent horizontal electrodes 12 moreover, n outputs of the control unit 3 are connected to n inputs of the system of line transparent electrodes 12, while the system of line transparent horizontal n electrodes 12 covers the aperture of the second dielectric transparent substrate 13, while all the linear transparent horizontal n electrodes are electrically isolated from each other, and the laser emitter 1, the control unit 3, the receiving optoelectronic path 6 and the information consumer 8 are electrically connected to the digital computer 7, and the laser the emitter 1 consists of a laser light source 17, a collimator 18, while the transmitting optical path 4 contains a horizontal modulator 2, horizontally sequentially located on the optical axis, a phase filter 19 and adaptive optics 20, the filter 19 having an aperture 21, the aperture of which is at least not less than a given range plus the first orders of diffraction of laser radiation after the horizontal modulator 2, the receiving optoelectronic path 6 containing a lens located in series on the optical axis 22, a band-pass optical filter 23, a photodetector 24, while the photodetector 24 is electrically connected to the processing unit of the analog signal 25, while the processing unit of the analog signal 25 is electrically oedinen digital calculator 7, wherein the digital computer 7 is electrically connected with the user information 8 and the laser emitter 1.

2. The device according to p. 1, characterized in that the horizontal phase filter 19 contains an additional hole 26, the aperture of which is at least not less than the specified range minus the first diffraction orders, and in the hole 26 there is an optical delay line 27 for the laser radiation wavelength after horizontal modulator 2.

3. The device according to p. 1, characterized in that the laser emitter 1 contains a collimator 18 made in the form of a cylindrical lens, and the generatrix of the cylindrical lens is parallel to the line of transparent transparent electrodes 12, and the optoelectronic photodetector 6 includes a photodetector 24, made in the form matrix of photosensitive elements, one of the matrix axes being perpendicular to the spectral line plus the first diffraction order, and each matrix element is electrically connected to the analog signal processing unit a 25.

4. The device according to claim 1, characterized in that the horizontal modulator 2 contains p pieces of sectors of arbitrary shape, each of which is connected to the control unit 3, while each sector contains k pieces of ruled transparent electrodes 28, and the orientation of the electrodes 28 in all p pieces of sectors is different, while the collimator 18 is made in the form of a matrix of p pieces of spherical or cylindrical lenses, and the filter 19 contains p pieces of holes 29, the aperture of each of which is at least not less than a given range plus the first diffraction orders For each of a number of pieces of horizontal sectors 2 modulator.

5. The device according to p. 1, characterized in that the device further comprises a laser emitter 30, a vertical modulator 31, a control unit 32, a transmitting optical path 33 directed to the object of observation 5, a receiving optical-electronic path 34, a digital computer 35 and a consumer information 8, and the vertical modulator 31 contains deposited on the first dielectric transparent substrate 36, a transparent conductive layer 37, coated with a transparent gel-like layer 38, and a system of m pieces of linear transparent vertical electrodes 39, located in the same plane on the second dielectric transparent substrate 40 and placed with a gap 41 above the transparent gel-like layer 38, and electrically connected through signal sources 42 to the control unit 32, while the direction of the system of n pieces of linear transparent vertical electrodes 39 is orthogonal to the direction of the system m pieces of linear transparent horizontal electrodes 12, while a transparent electrically conductive layer 37 is electrically connected through a reference voltage source 43 to a system of m pieces of linear transparent vertical electrodes 39, while m outputs of the control unit 32 are connected to m inputs of a system of linear transparent vertical electrodes 39, while a system of transparent vertical m electrodes 39 covers the light aperture of the second dielectric transparent substrate 40, while all linear transparent vertical m electrodes are electrically isolated from each other, and the laser emitter 30, the control unit 32, the receiving optoelectronic path 34 and the consumer 8 are electrically connected to a digital computer Itel 35, and the laser emitter 30 consists of a laser light source 44, a collimator 45, while the wavelength of the laser emitter 30 may differ from the wavelength of the laser source 17, while the transmitting optical path 33 contains a vertical modulator 31 sequentially arranged on the optical axis, vertical a phase filter 46 and adaptive optics 47, the filter 46 comprising a hole 48, the aperture of which is at least not less than a given range plus the first orders of diffraction of laser radiation after vertical modulator 31, wherein the receiving optical-electronic path 34 comprises a lens 49 sequentially located on the optical axis, a band-pass optical filter 50, a photodetector 51, while the photodetector 51 is electrically connected to the analog signal processing unit 52, and the analog signal processing unit 52 is electrically connected to the digital the transmitter 35, while the digital transmitter 35 is electrically connected to the consumer 8 and the laser emitter 30, and further comprises a synchronization unit 53, electrically connected to a digital calculators 7 and 35.