NO335488B1 - Posisjonsreferansesystem og fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter - Google Patents

Abstract

Posisjonsreferansesystem og fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter som i tillegg til avstand og asimut også tilveiebringer elevasjonsvinkel til målet relativt instrumentaksene til sensorplattformen. Systemet og fremgangsmåten er basert på en nær infrarød laserradar transceiver og en eller flere aktive eller passive retroreflektorer innrettet på objekter som skal posisjoneres. Den foreliggende oppfinnelsen omfatter videre en intern strålestabiliseringsmekanisme som er beskyttet fra miljøet og benytter et sylindrisk vindu som er transparent for nær infrarød laserstråling, men som absorberer all synlig og ultrafiolett stråling og på denne måten beskytter de optiske delene fra omgivende solstråling. I tillegg beskytter det sylindriske vinduet alle interne mekaniske deler, særlig de roterende og bevegelige delene, fra korrosive og frysende/isende miljøer.

Description

Posisjonsreferansesystem og fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder også et laserradar-posisjonsreferansesystem for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter, i samsvar med innledningen til patentkrav 9.

Bakgrunn

Dynamiske posisjoneringssystemer (DP-systemer) har blitt brukt for styring av store industri-fartøyer i mange år, hovedsakelig i olje- og gassindustrien hvor operasjoner krever at fartøyene holder posisjon mot faste eller bevegelige installasjoner, eller "sporer og følger" hverandre i funksjoner, så som rør- eller kabellegging. Andre maritime operasjoner som kan utnytte DP-utviklingene omfatter automatisk dokking og manøvrering i kritiske områder og likedan "elektronisk ankring" i miljøsensitive områder (koraller, osv.).

Slike operasjoner krever at nøyaktige og pålitelige posisjonsreferansemålinger tilføres DP-systemet. Avhengig av hvor kritisk operasjonen er, kan tre eller flere posisjonsreferansesystemer kreves.

Veksten og utviklingen av DP-systemer har stimulert til utviklingen av DP-posisjonsmålesensorer som har blitt mer sofistikerte ettersom teknikken har tillatt det. DP-markedet er kjent med bruken av laseravstands- og retningssensorer, eksempelvis lasersystemene Fanbeam" og CyScan, og likedan mikrobølgesystemene Radius* og RadaScan.

Alle DP-posisjonsreferansesensorer som er kommersielt tilgjengelige benytter en interrogator-/transceiverenhet ombord på fartøyet og ett eller flere kooperative mål (transpondere, retroreflektorer) innrettet i referanseposisjoner på nærliggende strukturer (plattformer, osv.). De kooperative målene kan være aktive (transpondere), hvilke tillater målidentifikasjon, eller passive (hjørnereflektorer), som vanligvis brukes i optiske systemer.

EP 1956391 Bl beskriver et laserradar-apparat for måling av både retning og avstand til et objekt ved bruk av en laserstråle. Laserstrålen kan roteres i et enkelt plan gjennom 360 grader ved rotasjon av en speilsammenstilling som reflekterer laserstrålen mot objektet.

Fra US 4,209,253 er det kjent et høynøyaktig laserradar-sporingssystem. Mål som kan spores omfatter diffuse passive mål, speilende passive mål og optiske transpondere. Basedelen av systemet er fast relativt den øvre delen som kan rotere 360 grader. Den nedre delen har en laser- strålegenerator, optisk signaldetektorsystem med en strålesplitter/reflektor og den øvre delen har tre bevegelige reflektorer, hvor en av dem virker som en sporbar sender-/mottakerapertur.

US 2008259311 beskriver en målemetode og et laser interferometer for sporing omfattende en retroreflektor og et apparat innrettet for å utstråle og å motta lyset som reflekteres på nevnte retroreflektor.

Fra NO 332432 er det kjent et system for deteksjon og avbildning av objekter i banen for marine fartøyer og varsling om objekter som kan være en risiko for navigasjonssikkerheten.

Imidlertid, bortsett fra NO 332432, er ingen av de kjente referansesystemene sanne tre-dimensjonale posisjonssensorer. Systemer av kjent teknikk tilveiebringer avstands- og asimut-informasjon for et mål relativt fartøyet, men tar ikke i betraktning noen elevasjonsforskjell mellom interrogatoren/transceiverenheten og målet. Ved betydelige elevasjonsforskjeller kan den resulterende horisontale posisjoneringsfeilen være betydelig.

Følgelig er kjent teknikk ikke i stand til å tilveiebringe absolutt posisjonering av mål.

For å kompensere for rull- og stampbevegelse av sensorplattformen benytter posisjonsreferansesystemer av kjent teknikk en ekstern gimbal-basert, stabilisert plattform som er utsatt for korrosive og frysende/isende miljøer.

Andre ulemper med løsninger av kjent teknikk er at den optiske transceiveren roteres rundt en vertikal akse for å tilveiebringe horisontal dekning. Begge disse mekanismene er utsatt for korrosive og frysende/isende miljøer og som kan føre til hyppig vedlikehold.

Formål

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et posisjonsreferansesystem og en fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter som løser de ovenfor nevnte problemene med kjent teknikk.

Det er ytterligere et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et sant tredimensjonalt posisjonenngssystem som i tillegg til avstand og asimut også tilveiebringer elevasjonsvinkelen til målet relativt instrumentaksene til en sensorplattform.

Det er videre et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et posisjonsreferansesystem og en fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter som er innrettet for sending av laserpulser i en ønsket retning ved å styre en laserkilde og en optisk kollimator for å generere en vifteformet laserstråle med forhåndsdefinerte vertikale og horisontale strålebredder, samt et speil for emittering av laserstrålen i vertikalplanet.

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et posisjonsreferansesystem og fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter som er innrettet for deteksjon av reflektert/returnert lys fra kooperative mål innrettet på objekter som skal posisjoneres ved hjelp av et speil, en optisk mottakerlinse og et fotodiode-array.

Det er videre et formål med den foreliggende å tilveiebringe et posisjonsreferansesystem og en fremgangsmåte for posisjonering av ett eller flere objekter som er innrettet for absolutt posisjonering av det sporede objektet ved observering og beregning av avstand, elevasjon og asimut til ett eller flere objekter relativt aksene til posisjonsreferansesystemet.

Det er videre et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et posisjonsreferansesystem og en fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter som tar i betraktning bevegelsene til en sensorplattform systemet er anordnet på gjennom styring av et speil for stabilisering av den vifteformede laserstrålen og overlapping av det vertikale, momentane synsfeltet ("Instantaneous Field of View (IFOV)") til mottakeren relativt horisontalplanet.

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en laserradar-posisjonerings- og sporingssensor hvor alle optisk sensitive komponenter er beskyttet fra omgivende solstråling i den synlige og ultrafiolette (UV) delen av spektrumet og hvor alle bevegelige og/eller roterende deler er beskyttet mot korrosive og frysende/isende miljøer.

Oppfinnelsen

En fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i krav 1. Fordelaktige trekk ved fremgangsmåten er beskrevet i krav 2-8.

Et posisjonsreferansesystem for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i patentkrav 9. Fordelaktige trekk ved posisjonsreferansesystemet er beskrevet i krav 10-19.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et sant tredimensjonalt posisjoneringssystem som

i tillegg til avstand og asimut også tilveiebringer elevasjonsvinkel til et mål relativt instrumentaksene til en sensorplattform.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer videre et posisjonsreferansesystem som omfatter en intern strålestabiliseringsmekanisme beskyttet fra miljøet.

Posisjonsreferansesystemet og fremgangsmåten for posisjonering og sporing ett eller flere objekter i samsvar med oppfinnelsen er basert på en transceiverenhet innrettet for å anordnes til en sensorplattform, så som et objekt, fartøy eller lignende. Posisjonsreferansesystemet og fremgangsmåten for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter i samsvar med oppfinnelsen omfatter videre anordning av kooperative mål, enten aktive eller passive på kortholds og nøyaktig posisjonering av offshore objekter/mål for DP-operasjon av forsynings-fartøyer og FPSO-fasiliteter (Floating Production, Storage and Offloading), dvs. avstander opp til noen få kilometer.

Transceiverenheten i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter et sylindrisk hus hvori alle mekaniske, elektriske og optiske komponenter er innkapslet og forseglet fra miljøet. Huset er ved sin øvre ende forsynt med et sylindrisk vindu innrettet med huset. Vinduet er videre fortrinnsvis et infrarød-transparent (IR) vindu, dvs. det overfører ikke lys i den synlige og UV-delen av spektrumet. Dette kan oppnås ved hjelp av et bølgelengdesensitivt belegg eller film, eller at vindusmaterialet i seg selv absorberer synlig og UV-stråling.

Vinduet i samsvar med oppfinnelsen vil dermed virke som et optisk filter for transceiverenheten og vil hindre oppvarming av komponenter av transceiverenheten på grunn av f.eks. sollys og hindre spredt omgivende lys i transceiverenheten, eksempelvis fra solen eller andre lyskilder, hvilket kan føre til overskytende støy i avstandsmålingene.

Vinduet er videre fortrinnsvis forsynt med et ytre vannavisende belegg som vil forhindre ansamling av vanndråper og lette rengjøring av vinduet.

Videre så tilveiebringer det sylindriske vinduet 360 grader synsfelt i horisontalplanet. Transceiverenheten er videre forsynt med en laserkilde for utsending av en vifteformet pulset laserstråle for belysning av et definert område og forsynt med mottakermidler innrettet for detektering av et reflektert eller returnert signal fra det belyste området av kooperative mål (transpondere, hjørnekuber eller retroreflektiv teip) innrettet på objekter som skal posisjoneres.

Laserkilden omfatter fortrinnsvis en laserdiode og en optisk kollimator som genererer en belysningsstråle med en forhåndsdefinert vertikal og horisontal strålebredde.

Transceiverenheten er videre fortrinnsvis forsynt med et styrbart speil for å oppnå det krevde vertikale betraktningsfeltet ("Vertical Field of Regard (VFOR)"), hvilket speil er styrbart om en horisontal akse.

Transceiverenheten er videre forsynt med et toakset inklinometer som sammen med det styrbare speilet muliggjør stabilisering av den vifteformede strålen og det momentane synsfeltet til mottakeren relativt horisontalplanet. For mer nøyaktig posisjonering i en dynamisk situasjon ombord på fartøyer på sjøen kan ytterligere attitydedata (rull, stamp, kurs) være input til transceiveren fra en ekstern bevegelsesreferansesensor (MRU (Motion Reference Unit), VRU (Vertical Reference Unit) eller lignende).

Det er viktig å kompensere for vinkelbevegelsene til sensorplattformen for å forhindre hull (tap av dekning) i betraktningsfeltet på grunn av bevegelsene, samt for å være i stand til å måle elevasjon til objekter relativt horisonten, hvilket vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor.

For å detektere et reflektert/returnert signal fra en aktiv eller passiv retroreflektor er transceiverenheten forsynt med et lineært fotodiode-array for å avføle den reflekterte eller returnerte laserstrålen. En optisk mottakerlinse er anordnet for fokusering av det mottatte/ returnerte signalet via speilet på fotodiode-arrayet.

Bruken av et lineært array av fotodetektorer muliggjør bestemmelse av elevasjonsvinkelen 0 til det reflekterte/returnerte signalet relativt transceiveraksene siden hvert array-element (eller piksel) kartlegger en spesifikk elevasjonsvinkel, som illustrert i Figur 1. Nøyaktigheten til vinkel-målingene kan forbedres ved en liten defokusering av det reflekterte/returnerte signalet slik at det defokuserte bildet dekker mer enn ett array-element. Dette muliggjør interpolasjon av elevasjonsvinkler mellom de faste vinklene gitt av array-elementene. På denne måten er den faktiske elevasjonsvinkelen 6 summen av vinkelen a ved bruk av det lineære fotodiode-arrayet og forskyvningsvinkel (tilt) gitt av speilet.

Ved benyttelse av speilvinkelen og interpolasjon av de belyste fotodiodene kan elevasjonsvinkelen mellom transceiverenheten og målet (reflektor) beregnes med høy nøyaktighet. Henvisning er også gjort til Fig. 2 som viser en prinsippskisse av posisjonering når man ikke kompenserer for elevasjon. Løsninger av kjent teknikk er ikke i stand til å måle elevasjonsvinkelen 6 fra transceiverenheten til et mål (reflektor) og vil dermed måtte estimere posisjonen Xestimatfra den målte avstanden til målet (reflektor), hvilket kan føre til en betydelig feil AX.

Med den foreliggende oppfinnelsen vil man gjennom måling av elevasjonsvinkelen 6 være i stand til å beregne posisjon X med høy (absolutt) nøyaktighet. Følgelig, ettersom elevasjonsvinkelen kontinuerlig vil endres for objekter som beveger seg, spesielt dersom transceiveren er anordnet med betydelig høydeforskjell fra reflektoren, vil det alltid være nødvendig å kjenne elevasjonsvinkelen 6 for å være i stand til å beregne den horisontale posisjonen til objektet med høy nøyaktighet.

En annen fordel med fotodiode-arrayet er at man ved å benytte den vertikale diskrimineringsevnen vil være i stand til lettere å skille mellom reflektert lys fra målreflektorer og andre kilder for infrarød stråling, så som fra solen. Det er også vesentlig lettere å skille ut andre falske reflekterende objekter, så som reflekterende klær, osv. som ikke er tiltenkt for posisjonerings- og sporingsformål.

Objekter, fartøyer og lignende som skal posisjoneres eller spores i den foreliggende oppfinnelsen er, som nevnt ovenfor, forsynt med passive eller aktive retroreflektorer som er innrettet for å reflektere/returnere en liten del av den utsendte belysningsstrålen fra laserkilden. En passiv retroreflektor for optiske systemer vil typisk være en hjørnekube-reflektor (hul eller prisme) eller en gruppe av hjørnekuber anordnet for å dekke en stor sektor. Ved bruk av en aktiv retroreflektor (transponder) kan man modifisere optiske- eller signalkarakteristikker av det sendte signalet noe før det returneres/reflekteres til transceiverenheten. Som nevnt ovenfor muliggjør dette automatisk målidentifikasjon. Bruken av passive retroreflektorer kan føre til "målbytte" som er godt kjent fra tradisjonelle radarsporingssystemer, midlertid, gitt posisjoneringsnøyaktigheten og diskrimineringsevnen til optiske systemer er det lite sannsynlig at det vil skje for den foreliggende oppfinnelsen.

Når korrigert for attitydevinklene til sensorplattformen kan instrumentkoordinatrammen innrettes med den hensiktsmessige geografiske koordinatrammen, og når den geografiske posisjonen til transceiverenheten er kjent (fra GPS eller lignende) kan også den geografiske posisjonen til reflektorene bestemmes.

Et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen vil også være egnet til å observere avstand, elevasjon og asimut til en eller flere retroreflektorer relativt instrumentaksene til transceiverenheten.

Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er innrettet for å spore flere enn en retroreflektor samtidig.

Systemet i samsvar med oppfinnelsen er videre fortrinnsvis forsynt med minst en styringsenhet innrettet for styring av komponentene til transceiverenheten og anordnet for prosessering av alle data og målinger internt, men kan også være innrettet for kommunikasjon med eksterne enheter for prosessering av data og målinger.

Posisjonsreferansesystemet og fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen har to hoved-moduser for operasjon; 1. Søk- og identifiseringsmodus; hvor transceiverenheten skanner det totale betraktningsfeltet (Field Of Regard (FOR)), 360° i asimut og fortrinnsvis minimum 60° i elevasjon, for å detektere, identifisere (automatisk eller manuelt) og posisjonere alle objekter innenfor betraktningsfeltet forsynt med en aktiv eller passiv retroreflektor. Dette moduset av den foreliggende oppfinnelsen kan også omfatte utføring av et skann uten å ha laserkilden aktivert for å kartlegge/detektere mulige støykilder/blanke punkter som vil påvirke nøyaktigheten til den foreliggende oppfinnelsen. 2. Søk- og sporingsmodus; hvor alle identifiserte objekter spores, og deres posisjoner oppdateres med en rate på fortrinnsvis minimum 1 per sekund.

Systemet er videre innrettet for kommunikasjon med eksterne sensormidler for mottak av bevegelsesdata/-informasjon for sensorplattformen, så som rull, stamp, giring, jaging, tverrskips og/eller hiv, transceiverenheten er anordnet på, hvilken informasjon vil bli brukt av transceiverenheten for å stabilisere den vifteformede strålen og det vertikale momentane synsfeltet (IFOV) til mottakeren i det horisontale planet ved styring av speilet, som beskrevet ovenfor, og for å kompensere for bevegelsesdataene ved beregning av den absolutte posisjonen til en retroreflektor.

Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan videre være forsynt med ekstern(e) retroreflektor(er) innrettet i fast(e) posisjon(er) på sensorplattformen for selvkalibrering. Ved å innrettet ekstern(e) retroreflektor(er) med kjent fast(e) posisjon(er) på den samme sensorplattformen som transceiverenheten er anordnet på, vil man ha en kalibreringsreferanse til enhver tid.

Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan videre være innrettet for beregning av hastighet til objekter eller fartøyer, spesielt i forbindelse med automatiske dokkingoperasjoner. Hastigheten til et sporet objekt kan beregnes ved å benytte den beregnede posisjons-informasjonen.

Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan videre kobles til et GPS/GNSS-system for sensorplattformen, så som et objekt, fartøy eller lignende, det er anordnet på for å vise posisjonerte og sporede objekter i et kart ved kobling av data fra posisjonsreferansesystemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen med GPS/GNSS-data/informasjon.

Systemet kan også omfatte et grafisk brukergrensesnitt, fra hvilket systeminnstillinger og operasjonelle parametere kan settes.

En fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter forsynt med aktive eller passive retroreflektorer kan oppsummeres i de følgende trinnene: a. utsending av en vifteformet pulset laserstråle med forhåndsdefinerte vertikale og horisontale strålebredder ved styring av et speil for utstråling av laserstrålen i det vertikale planet og stabilisering av den vifteformede strålen relativt horisontalplanet og likedan overlapping av det momentane synsfeltet (IFOV) til mottakeren relativt det horisontale planet, b. detektering av det reflekterte/returnerte lyset fra retroreflektorer innrettet på objekt(er) som skal posisjoneres og spores ved hjelp av det styrbare speilet og en optisk mottakerlinse som fokuserer det reflekterte/returnerte lyset på et fotodiode-array, c. beregne elevasjonsvinkelen til objektet/-ene ved å måle speilvinkelen og interpolasjon av de belyste fotodiodene i fotodiode-arrayet, måle asimutvinkelen og måle gangtid for laserlyspulsene fra sending til mottak, d. beregne avstand og retning til objektet/-ene relativt instrumentaksene til sensorplattformen

basert på informasjon fra trinn c).

Trinn a) omfatter styring av speilet basert på informasjon fra et toakset inklinometer for kompensering av vinkelbevegelser for sensorplattformen og/eller informasjon om sensorplattform-bevegelser fra en bevegelsesreferansesensor (MRU, VRU eller lignende).

Trinn b) kan videre omfatte vertikal diskriminering av fotodiode-arrayet for å skille mellom reflektert/returnert lys fra retroreflektorer og andre kilder, så som fra solen eller andre lyskilder, med det formål å eliminere feilkilder.

Trinn d) omfatter å beregne retning ved hjelp av asimutposisjon ved sendetidspunktet for utgående laserpuls. Asimut måles ved hjelp av en nøyaktig absolutt vinkelenkoder koblet til rotasjonsaksen til transceiveren ved tidspunktet for sending av lyspulsen. Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er i stand til å detektere flere delvis overlappende, etterfølgende pulser og interpolere for å forbedre asimutnøyaktigheten.

Fremgangsmåten kan videre omfatte et trinn for bestemmelse av den geografiske posisjonen til det sporede objektet.

Fremgangsmåten kan videre omfatte et trinn for lagring av de beregnede og målte data/parametere i en database sammen med tidspunkt for måling.

Fremgangsmåten kan videre omfatte bruk av aktive reflektorer (transpondere) innrettet for å modifisere optiske- eller signalkarakteristikker til det overførte signalet før det returneres/reflekteres til transceiverenheten.

Fremgangsmåten kan videre omfatte et trinn for kompensering av ulik atmosfærisk dempning som oppstår på grunn av varierende værforhold. Dette kan kompenseres for ved hjelp av styring av forsterkningen til detektorforsterkeren som en funksjon av tid (TVG - Time varied gain).

Ytterligere foretrukne trekk og fordelaktige detaljer vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet i detalj med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor: Figur 1 illustrerer prinsippet med bestemmelse av elevasjon i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, Figur 2 viser en prinsippskisse som illustrerer feilen man får i posisjonering av et objekt dersom man ikke kompenserer for elevasjon, Figur 3 viser et perspektivriss av en transceiverenhet for et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen,

Figur 4 viser et blokkskjema for transceiverenheten i samsvar med oppfinnelsen, og

Figur 5 viser hvordan styringen av speilet utføres i samsvar med oppfinnelsen.

Henvisning er nå gjort til Fig. 3 som viser en perspektivtegning av en transceiverenhet 11 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Transceiverenheten 11 omfatter et innkapslende hus 12 som ved sin øvre ende er forsynt med et transparent vindu 13 for sending av en laserstråle ut av huset 12 og mottak av reflektert/returnert lys fra aktive eller passive retroreflektorer. Vinduet 13 er fortrinnsvis et IR-transparent vindu som også filtrer ut omgivende synlig og UV-stråling og har en sylindrisk form og er innrettet med huset 12.

Huset 12, hvilket også fortrinnsvis har en sylindrisk form, er ved sin nedre ende forsynt med en bunnplate 14 innrettet for anordning av transceiverenheten 11 til en sensorplattform, så som et objekt, fartøy eller lignende, og er ved sin øvre ende forsynt med et lokk 15. Huset 12 vil følgelig tilveiebringe et vanntett og beskyttende miljø for alle transceiverenhetens 11 komponenter.

Henvisning er nå gjort til Fig. 4 som viser et blokkskjema for transceiverenheten 11 i samsvar med oppfinnelsen som viser hovedkomponentene til transceiverenheten 11. Transceiverenheten 11 omfatter en stasjonær del 20 og en roterende del 30.

Hovedkomponentene i den stasjonære delen 20 omfatter en styringsenhet 21 i form av en eller flere kretskort, drivmidler 22 for den roterende delen 30, samt mekaniske og elektriske koblings-midler 23 mellom den stasjonære delen 20 og den roterende delen 30. Drivmidlene 22 omfatter en elektrisk motor 24 og lesermidler 25, så som en nøyaktig absolutt vinkelenkoder, for overvåkning av asimutposisjonen til den elektriske motoren 24 og den roterende delen 30. Drivmidlene 22 kan videre f.eks. omfatte en eller flere reimskiver (ikke vist) og tannreim(er) (ikke vist) for drift av den roterende delen 30. Drivmidlene 22 er anordnet til den roterende delen 30 ved hjelp av en aksling (ikke vist) som er anordnet for å drives av den elektriske motoren 24, eksempelvis ved hjelp av reimskivene og tannreimen. Den stasjonære delen 20 omfatter også et toakset inklinometer 26 som vil bli brukt for styring av et speil 34 i den roterende delen 30.

Hovedkomponentene til den roterende delen 30 til transceiverenheten 11 omfatter:

- en signalprosesseringsenhet 31 i form av ett eller flere kretskort,

- sendersammenstilling omfattende en laserkilde 32 og en optisk kollimator 33,

- speil 34, drivmidler 35 for speilet 34, lesermidler 35 for å lese av vinkelposisjonen til speilet 34,

- et lineært fotodiode-array 38, og

- en optisk mottakerlinse 37 for fokusering av mottatt/reflektert lys på det lineære fotodiode-arrayet 38.

Fotodiode-arrayet 38 omfatter en rekke fotodioder anordnet på en linje, så som et 16-elements lineært fotodiode-array, eksempelvis et skred-fotodiode-array (APD - "avalanche photodiode array").

Transceiverenheten 11 er videre forsynt med egnede midler for prosessering av analoge signaler fra fotodiode-arrayet 38, så som forsterkere med variabel forsterkningsgrad og analog-til-digital-omformere for konvertering av de analoge sensorsignalene til digitale signaler for videre prosessering gjennom digitale prosesseringsmidler.

Laserkilden 32 og den optiske kollimatoren 33 er anordnet for å generere en laserstråle med en forhåndsdefinert vertikal strålebredde, fortrinnsvis > 10°, samt en forhåndsdefinert horisontal strålebredde, fortrinnsvis mindre enn 2 mrad.

Det styrbare speilet 34 er anordnet for å motta et foretrukket vertikalt betraktningsfelt på -10° til +60°, hvilket speil 34 er anordnet for å styres om dets horisontale akse.

Det skal noteres at speilet 34 vist i Fig. 3 har en rektangulær form, men dette er bare et eksempel og speilet 34 kan også være elliptisk for å redusere vekt.

Transceiverenheten 11 omfatter videre fortrinnsvis lysskjerming anordnet mellom sensitive komponenter, eksempelvis for å sikre at ikke annet lys enn det som mottas gjennom den optiske mottakerlinsen 37 detekteres av fotodiode-arrayet 38.

Signalprosesseringsenheten 31 til den roterende delen 30 er forsynt med midler og/eller programvare anordnet for å være en datainputsampler og er fortrinnsvis slik at den ikke har noe informasjon om søk, sporing eller posisjonering, hvilket vil håndteres av styringsenheten 21 til den stasjonære delen 20.

Signalprosesseringsenheten 31 er forsynt med midler og/eller programvare for en eller flere av: - styring av fotodiode-array 38, forsterkerne med variable forsterkningsgrad og analoge-til-digitale-omformerne,

- pulsdeteksjon og gangtidsmålinger,

- hovedklokke og timingsystem,

- styring av speilet 34,

- styring av laserkilden 32.

Henvisning er nå gjort til Fig. 5 som viser hvordan speilet 34 styres ved hjelp av signalprosesseringsenheten 31. Basert på input fra sensorer som overvåker bevegelsene til sensorplattformen, så som et objekt, fartøy eller lignende, og det toaksede inklinometeret 26, samt input fra styringsenheten 21, så som avstand, asimut- og tiltvinkler, kan posisjonen til speilet 34 beregnes og innstillinger forsynes til den elektriske speilmotoren 35 som utfører posisjoneringen av speilet 34. Følgelig vil det toaksede inklinometeret 26 sammen med den elektriske speilmotoren 35 sikre stabilitet til den vifteformede strålen og det momentane betraktningsfeltet til mottakeren relativt det horisontale planet, og likedan overlapping av det momentane betraktningsfeltet til mottakeren relativt det horisontale planet.

Speilposisjonen er fortrinnsvis kontinuerlig styrt for å kompensere for bevegelsen til sensorplattformen og likedan innstillinger relatert til sporing og posisjonering av retroreflektorer ved forskjellige elevasjonsvinkler.

Styring av laserkilden 32 og fotodiode-arrayet 38 omfatter styring av den avgitte effekten på laserkilden 32 og forsterkningen til (skred-) fotodiode-arrayet 38.

Styring av forsterkning for forsterkeren med variable forsterkningsgrad omfatter styring av forsterkningsforløp for å kompensere for atmosfærisk demping, dvs. værforhold.

Styring av pulsdeteksjon omfatter å sette terskelverdier for støy.

Styringsenheten 21 til den stasjonære delen 20 er forsynt med midler og/eller programvare for en eller flere av: - styring av søket etter nye mål/objekter og sporingsprosesser for identifiserte mål/objekter, - utføring av integritetssjekk, generere telegrammer og kommunisere med brukergrensesnittet og eksterne bevegelsesreferansesensorer,

- utføre beregning av elevasjonsvinkel,

- utføre beregning av avstand og retning,

- styre drivmidlene 22 for drift av den roterende delen 30 til transceiverenheten 11,

- grensesnittstyring,

- kommunikasjon med eksterne enheter via Ethernet-grensesnitt eller lignende. Timingstyring er essensielt i et system som dette og dette kan implementeres ved hjelp av pulsrepetisjonsfrekvens-klokke som er generert av lesermidlene 25 i den stasjonære delen 20 av transceiverenheten 11, slik at laserpulsen fyres av ved faste vinkelintervaller.

Signalprosesseringsenheten 31 er anordnet for avfyring av en laserpuls med laserkilden 32 for hver pulsrepetisjonsflanke og etter det søker etter reflekterte/returnerte signaler på et forhåndsdefinert antall kanaler på fotodiode-arrayet 38, så som 4/8/16 fotodiode-kanaler.

Signalene fra fotodiode-arrayet 38 forsterkes så og komprimeres dynamisk i f.eks. forsterkere med tidsvariabel forsterkningsgrad før analog/digital-konvertering.

Signalprosesseringsenheten 31 til den roterende delen 30 mottar pulsrepetisjonsfrekvens-klokkesignalet fra styringsenheten 21 til den stasjonære delen 20 sammen med asimut 0° informasjon. For hver positive flanke på pulsrepetisjonsfrekvens-klokken sender laserkilden 32 ut en puls. Så, for hver laserpuls har styringsenheten 21 kjennskap til asimutposisjonen.

Lyssignalene fra mulige retroreflektorer, så som en hjørnekube (passiv) eller en aktiv transponder, detekteres i fotodiode-arrayet, og de digitaliserte fotodiode-dataene sendes til styringsenheten 21 for videre prosessering. Eksempler på slike data erfotodiode-nummer, tidsampler, asimutvinkel, speilposisjon, osv. Pulsspissdeteksjon og avstandsmålinger er gjort digitalt ved bruk av en rask FPGA-prosessor ("Field-Programmable Gate Array") i styringsenheten 21. Etter at styringsenheten 21 mottar signaldata og de andre nevnte dataene utfører styringsenheten 21 integritetssjekk av dataene. Integritetssjekkene kan være basert på en eller flere av: pulsintegral, sjekk etter pulsdeteksjon på "nabopulser", sjekk etter pulsdeteksjon på "nabo-mottakerelementer", osv.

Dersom integritetssjekken bestås kan avstand, retning og elevasjon beregnes.

Avstandsestimering er basert på nøyaktige gangtidsmålinger ("time-of-flight") for de utsendte og mottatte pulsene. Gangtidsmålinger er basert på en digital ekvivalent av konstant-fraksjon-av-pulshøyde-diskriminator ("Constant Fraction of Pulse Height discriminator (CFD)") som er uavhengig av pulshøyde for de returnerte pulsene og er kjent for å tilveiebringe de mest nøyaktige gangtidsestimatene.

Retning kan beregnes ved hjelp av asimutvinkelsensoren 25 og den kjente monteringsvinkelen til transceiverenheten relativt sensorplattformkursen.

Når korrigert for attitydevinkler for sensorplattformen, dvs. objekt, fartøy eller lignende, kan den geografiske posisjonen til reflektoren og/eller transceiverenheten bestemmes.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen vil det være mulig å spore flere retroreflektorer samtidig, i det minst ti retroreflektorer samtidig.

Systemet i samsvar med oppfinnelsen kan videre forsynes med midler for selvkalibrering gjennom å innrette en eller flere retroreflektorer på den samme sensorplattformen, anordnet utenfor huset 12 og bruke denne/disse som selvkalibreringsreferanse for selvkalibrering.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen vil det også være mulig å posisjonere transceiverenheten i stedet for reflektorene, gjennom at reflektorene har en fast og kjent posisjon.

Modifikasjoner

Det lineære fotodiode-arrayet brukt for deteksjon av de reflekterte laserpulsene kan også være et todimensjonalt fotodiode-array.

Laserkilden er fortrinnsvis innrettet for å operere i nær-IR-båndet (905 nm). Ved denne bølge-lengden er det et antall lavkost pulsede laserdioder tilgjengelig som hyllevare, og likedan rimelig prisede Si APD-detektorer ("APD - avalanche photodiode"), både single detektorer og array med veldig god respons for nær-IR.

Det er imidlertid godt kjent at det å flytte til lengre bølgelengder, dvs. kortbølge-IR eller mellombølge-IR, fra 1,4 til 3 mikrometer, vil redusere atmosfærisk demping og dermed tillater lengre måleavstander. Like viktig er det at disse bølgelengdene gir mye høyereøyesikkerhet. Sammenlignet med 905 nm kan en 1,5 mikrometer laser brukes for effektnivåer nesten seks ganger i størrelse høyere (Ref.: IEC 60825-1, utg.2, 2007-03). Imidlertid er detektorteknologien for disse bølgelengdene (InGaAs, osv.) mindre kommersielt moden, og APD-array er ikke tilgjengelig hyllevare. Følgelig vil lasereffektnivåene måtteøkes med to ganger i størrelse for å kompensere for den reduserte responsiviteten til detektorene.

Systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan videre innrettes for utsending av en kodet lyspuls. En kodet lyspuls i kombinasjon med en replikatkorrelator i mottakeren kan tilveiebringe økt avstandsnøyaktighet.

Claims (19)

1. Fremgangsmåte for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter ved hjelp av en transceiverenhet anordnet til en sensorplattform, så som et objekt, fartøy eller lignende, samt aktive eller passive retroreflektor(er) anordnet på et objekt som skal posisjoneres,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter de følgende trinnene: a. utsending av en vifteformet pulset laserstråle med forhåndsdefinerte vertikale og horisontale strålebredder gjennom styring av et speil (34) for utstråling av laserstrålen i det vertikale planet og stabilisering av den vifteformede strålen relativt det horisontale planet og likedan overlapping av momentane betraktningsfelt for en mottaker relativt det horisontale planet, b. detektere reflektert/returnert lys fra retroreflektorer innrettet på objekt(er) som skal posisjoneres og spores ved hjelp av det styrbare speilet (34) og en optisk mottakerlinse (37) som fokuserer det reflekterte/returnerte lyset på et fotodiode-array (38), c. beregne elevasjonsvinkel til objektet/-ene ved å måle speilvinkel og interpolasjon av belyste fotodioder i fotodiode-arrayet (38), måling av asimutvinkel og måling av gangtid for laserlyspulser fra sending til mottak, d. beregne avstand og retning til objektet/-ene relativt instrumentakser for sensorplattformen basert på informasjon fra trinn c).

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat trinn a) omfatter styring av speilet (34) basert på informasjon fra et toakset inklinometer (26) for kompensering av vinkelbevegelser for sensorplattformen og/eller informasjon om sensorplattformens bevegelser fra en bevegelsesreferansesensor, så som en bevegelsesreferanseenhet (MRU) eller en vertikal referanseenhet (VRU).

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat trinn b) omfatter vertikal diskriminering av fotodiode-arrayet (38) for å skille mellom reflektert/returnert lys fra retroreflektorer og andre kilder.

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat trinn d) omfatter beregning av retning ved hjelp av asimutposisjon ved tidspunkt for sending av utgående laserpuls.

5. Fremgangsmåte i samsvar med ett av de foregående patentkrav,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter bestemmelse av geografisk posisjon for det sporede objektet.

6. Fremgangsmåte i samsvar med ett av de foregående patentkrav,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter lagring av de beregnede og målte data/parametere i en database sammen med tidspunkt for måling.

7. Fremgangsmåte i samsvar med ett av de foregående patentkrav,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter bruk av aktive reflektorer (transpondere) innrettet for modifisering av optiske- eller signalkarakteristikker før det returneres/reflekteres til transceiverenheten.

8. Fremgangsmåte i samsvar med ett av de foregående patentkrav,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter et trinn for kompensering for ulik atmosfærisk demping ved hjelp av styring av forsterkning for en detektorforsterker som en funksjon av tid.

9. Posisjonsreferansesystem for posisjonering og sporing av ett eller flere objekter forsynt med aktive eller passive retroreflektorer, hvilket system omfatter en transceiverenhet (11) hvilken omfatter et hus (12) med et vindu (13) gjennom hvilket lys kan sendes og mottas, hvilket hus (12) innkapsler og forsegler en stasjonær del (20) og en roterende del (30) i en enhet, hvor den roterende delen (30) omfatter en sendersammenstilling omfattende en laserkilde (32) og en optisk kollimator (33), en mottakersammenstilling omfattende en optisk mottakerlinsesammenstilling (37), samt et speil (34) for sending og mottak av reflektert/returnert lys fra en retroreflektor,karakterisert vedat: - laserkilden (32) og optisk kollimator (33) er anordnet for å generere en pulset vifteformet laserstråle med forhåndsdefinerte vertikale og horisontale strålebredder, - speilet (34) er styrbart og anordnet for utstråling av laserstrålen i det vertikale planet og stabilisering av den vifteformede strålen og likedan overlapping av det momentane betraktningsfeltet relativt det horisontale planet, - mottakersammenstillingen omfatter et fotodiode-array (38) og at den optiske mottakerlinsen (37) er anordnet for å fokusere returnert/reflektert lys fra en retroreflektor via speilet (34) på fotodiode-arrayet (38), samt - det omfatter midler for beregning av avstand, retning og elevasjon til objektet/-ene relativt instrumentaksene til sensorplattformen.

10. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat transceiverenheten (11) er anordnet til en sensorplattform.

11. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat vinduet (13) har en sylindrisk form.

12. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat vinduet (13) er et infrarødt-transparent vindu.

13. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat transceiverenheten (11) omfatter et toakset inklinometer (26).

14. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat transceiverenheten (11) omfatter drivmidler (35) for rotasjon av speilet (34) og lesermidler (36) for å lese vinkelposisjon til speilet (34).

15. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat systemet er innrettet for selvkalibrering ved hjelp av at minst en reflektor med fast og kjent posisjon og orientering relativt instrumentaksene til sensorplattformen er anordnet utenfor huset (12) på samme sensorplattform som transceiverenheten (11) for å tilveiebringe en kalibreringsreferanse.

16. Posisjonsreferansesystem i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat rotasjonen av den roterende delen (30) er tilveiebragt ved hjelp av en elektrisk motor (24) og at det er anordnet lesermidler (25) for overvåkning av asimutposisjon til den roterende delen (30).

17. Posisjonsreferansesystem i samsvar med ett av patentkravene 9-16,karakterisert vedat den roterende delen (30) omfatter en signalprosesseringsenhet (31) forsynt med midler og/eller programvare for en eller flere av: - styring av fotodiode-arrayet (38), forsterkere med variable forsterkningsgrad og analog-til-digital-omformere, - pulsdeteksjon og gangtidsmålinger, - hovedklokke og timingsystem, - styring av speilet (34), styring av laserkilden (32).

18. Posisjonsreferansesystem i samsvar med ett av patentkravene 9-17,karakterisert vedat den stasjonære delen (20) omfatter en styringsenhet (21) forsynt med midler og/eller programvare foren eller flere av: - styring av søk etter nye mål/objekter og sporingsprosesser for identifiserte mål/objekter, - utføre integritetssjekk, generere telegrammer og kommunisere med brukergrensesnitt og e kste rn e be vegel sesrefe ra n se se n so re r, - utføre beregning av elevasjonsvinkel, - utføre beregning av avstand og retning, - styre drivmidler (22) for drift av den roterende delen (30) til transceiverenheten (11), - grensesnittstyring, - kommunikasjon med eksterne enheter via et Ethernet-grensesnitt eller lignende.

19. Posisjonsreferansesystem i samsvar med ett av patentkravene 9-18,karakterisert vedat systemet er innrettet for utveksling av data med et GNSS-system for visning av sporede og posisjonerte objekter i et kart.