RU199765U1 - Device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them - Google Patents

Abstract

Полезная модель может использоваться в обзорно-поисковых оптико-электронных системах лазерной локации. Устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них содержит визирный канал, устройство обнаружения, дальномерное устройство и электронный блок управления и обработки сигналов. Дальномерное устройство совмещено с устройством обнаружения и имеет общие с ним передающий и приемный каналы. Передающий канал содержит установленную на оптической оси между коллимирующей оптической системой и лазерным излучателем систему сканирования, связанную с электронным блоком управления и обработки сигналов. Лазерный излучатель имеет одноимпульсный и многоимпульсный режимы работы. Технический результат - увеличение зоны обнаружения целей, увеличение дальности обнаружения и уменьшение массы и габаритов устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.The useful model can be used in survey and search optoelectronic laser ranging systems. The device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them contains a sighting channel, a detection device, a rangefinder device and an electronic control and signal processing unit. The rangefinder device is combined with the detection device and has transmission and reception channels in common with it. The transmitting channel contains a scanning system installed on the optical axis between the collimating optical system and the laser emitter and connected to the electronic control and signal processing unit. The laser emitter has single-pulse and multi-pulse modes of operation. The technical result is an increase in the target detection area, an increase in the detection range and a decrease in the mass and dimensions of the device. 1 wp f-ly, 1 dwg

Description

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться в обзорно-поисковых оптико-электронных системах лазерной локации, использующих принцип отражения излучения от исследуемого объекта.The utility model relates to optoelectronic instrumentation and can be used in survey and search optoelectronic laser ranging systems using the principle of reflection of radiation from the object under study.

Известно одноканальное устройство для обнаружения световозвращающих оптических систем и определения дальности до них по патенту РФ №2400770 от 30.12.2008 г. Устройство содержит передающий и приемный каналы, передающий канал содержит полупроводниковый лазер и передающую оптическую систему, а в приемном канале установлен приемный объектив, в фокальной плоскости которого находится ФПЗС-матрица. Угловые координаты положения световозвращающего объекта и дальность до него определяют с использованием единственного приемного канала за счет фазовой манипуляции импульсами подсвета с определенными алгоритмами обработки амплитуды отраженного от цели сигнала и без требования высокоточного наведения на световозвращатель.A single-channel device is known for detecting retroreflective optical systems and determining the range to them according to RF patent No. 2400770 dated 12/30/2008. The device contains a transmitting and receiving channel, a transmitting channel contains a semiconductor laser and a transmitting optical system, and a receiving lens is installed in the receiving channel, in the focal plane of which the PCCD is located. The angular coordinates of the position of the retroreflective object and the distance to it are determined using a single receiving channel due to phase manipulation of illumination pulses with certain algorithms for processing the amplitude of the signal reflected from the target and without requiring high-precision aiming at the reflector.

Устройство имеет следующие недостатки:The device has the following disadvantages:

1. Устройство имеет небольшую зону обнаружения, определяемую размером лазерного пятна на цели, который ограничен расходимостью лазерного луча.1. The device has a small detection area determined by the size of the laser spot on the target, which is limited by the divergence of the laser beam.

2. В устройстве отсутствует визирный канал, поэтому необходимо сопрягать устройство для обнаружения с внешней системой вывода изображения (информация выводится на подключаемый дисплей).2. The device does not have a sighting channel, so it is necessary to pair the device for detection with an external image display system (information is displayed on the connected display).

3. Есть вероятность получения недостоверных данных, поскольку отсутствует функция верификации полученных данных.3. There is a possibility of receiving inaccurate data, since there is no verification function of the received data.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели - прототипом - является устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов по патенту РФ №2568336. Данное устройство измеряет координаты обнаруженных приборов и измеряет дальность до них. Устройство содержит визирный канал, устройство обнаружения, содержащее передающий и приемный каналы, и электронный блок управления и обработки. Приемный блок выполнен в виде двухканальной системы построения изображений с s- и р - поляризаций и с возможностью осуществлять раздельную регистрацию изображений с s- и р- поляризаций. В данном устройстве дальномерное устройство выполнено в виде отдельного канала и также содержит передающий и приемный каналы.The closest in technical essence to the claimed utility model - the prototype - is a device for detecting optical and optoelectronic devices according to RF patent No. 2568336. This device measures the coordinates of the detected devices and measures the range to them. The device contains a sighting channel, a detection device containing transmitting and receiving channels, and an electronic control and processing unit. The receiving unit is made in the form of a two-channel system for constructing images with s- and p-polarizations and with the ability to perform separate registration of images with s- and p-polarizations. In this device, the rangefinder device is made in the form of a separate channel and also contains transmitting and receiving channels.

Устройство имеет следующие недостатки:The device has the following disadvantages:

1. Устройство имеет небольшую зону обнаружения, определяемую размером лазерного пятна на цели, который ограничен расходимостью лазерного луча.1. The device has a small detection area determined by the size of the laser spot on the target, which is limited by the divergence of the laser beam.

2. Устройство имеет большие габариты и массу, т.к. устройство обнаружения и дальномерное устройство выполнены в виде самостоятельных каналов, каждый из которых содержит передающий и приемный каналы.2. The device has large dimensions and weight; the detection device and the ranging device are made in the form of independent channels, each of which contains a transmitting and receiving channel.

3. Наличие призменного поляризационного блока снижает коэффициент пропускания приемного канала, что уменьшает дальность обнаружения. Для обнаружения целей на больших дальностях необходимо применение более мощного излучателя или более чувствительного ФПУ.3. The presence of a prismatic polarization unit reduces the transmittance of the receiving channel, which reduces the detection range. To detect targets at long ranges, it is necessary to use a more powerful emitter or a more sensitive PD.

Техническая проблема заключается в создании устройства для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них с получением следующего технического результата: увеличение зоны обнаружения целей (улучшение обнаружительных способностей), увеличение дальности обнаружения и уменьшение массы и габаритов устройства.The technical problem is to create a device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them with obtaining the following technical result: increasing the target detection area (improving detecting capabilities), increasing the detection range and reducing the mass and dimensions of the device.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Заявляемое устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них, как и прототип, содержит визирный канал, содержащий объектив, телевизионную матрицу и блок визуализации, устройство обнаружения, содержащее передающий и приемный каналы, дальномерное устройство и электронный блок управления и обработки сигналов, причем передающий канал содержит лазерный излучатель и коллимирующую оптическую систему, а приемный канал содержит объектив, в фокальной плоскости которого находится фотоприемное устройство (ФПУ), при этом телевизионная матрица, блок визуализации, ФПУ и лазерный излучатель связаны с электронным блоком управления и обработки сигналов. В отличие от прототипа дальномерное устройство совмещено с устройством обнаружения и имеет общие с ним передающий и приемный каналы, при этом передающий канал содержит установленную на оптической оси между коллимирующей оптической системой и лазерным излучателем систему сканирования, связанную с электронным блоком обработки сигналов, а лазерный излучатель имеет одноимпульсный и многоимпульсный режимы работы.The specified technical result is achieved as follows. The claimed device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them, like the prototype, contains a sighting channel containing a lens, a television matrix and an imaging unit, a detection device containing a transmitting and receiving channels, a rangefinder device and an electronic control and processing unit signals, moreover, the transmitting channel contains a laser emitter and a collimating optical system, and the receiving channel contains a lens, in the focal plane of which there is a photodetector (PDD), while the television array, visualization unit, PDA and laser emitter are connected to an electronic control and signal processing unit ... In contrast to the prototype, the rangefinder device is combined with the detection device and has transmission and reception channels in common with it, while the transmission channel contains a scanning system installed on the optical axis between the collimating optical system and the laser emitter, connected to the electronic signal processing unit, and the laser emitter has single-pulse and multi-pulse modes of operation.

Закон сканирования (траектория сканирования) по горизонту и (или) вертикали может быть любым: строчным, спиральным круговым, розеточным, гипоциклоидальным, спиральным прямым и т.д.The law of scanning (scanning path) horizontally and (or) vertical can be any: line, spiral circular, rosette, hypocycloidal, spiral straight, etc.

Блок визуализации может быть выполнен в виде микродисплея, оптически связанного с окуляром, либо в виде дисплея. В качестве лазерного излучателя может быть использован полупроводниковый или твердотельный лазерный излучатель.The imaging unit can be made in the form of a microdisplay, optically connected to the eyepiece, or in the form of a display. A semiconductor or solid-state laser emitter can be used as a laser emitter.

Структурная схема устройства приведена на рисунке, где обозначено:The block diagram of the device is shown in the figure, where it is indicated:

1 - визирный канал;1 - sighting channel;

2, 7 - объектив;2, 7 - lens;

3 - телевизионная матрица;3 - television matrix;

4 - микродисплей;4 - microdisplay;

5 - окуляр;5 - eyepiece;

6 - приемный канал;6 - receiving channel;

8 - фотоприемное устройство (ФПУ);8 - photodetector (FPU);

9 - передающий канал;9 - transmitting channel;

10 - коллимирующая оптическая система;10 - collimating optical system;

11 - система сканирования;11 - scanning system;

12 - лазерный излучатель;12 - laser emitter;

13 - электронный блок управления и обработки сигналов (БУОС).13 - electronic control and signal processing unit (BUOS).

Устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них содержит визирный канал 1, приемный канал 6, передающий канал 9 и электронный блок управления и обработки сигналов (БУОС) 13.The device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them contains a sighting channel 1, a receiving channel 6, a transmitting channel 9 and an electronic control and signal processing unit (ECU) 13.

Визирный канал 1 содержит оптически связанные объектив 2 и телевизионную матрицу 3, микродисплей 4, и окуляр 5, оптически связанный с микродисплеем 4. Телевизионная матрица 3 связана с входом БУОС 13, а микродисплей 4 - с выходом БУОС 13. Визирный канал 1 предназначен для визуального обзора окружающей местности.The sighting channel 1 contains an optically coupled lens 2 and a television matrix 3, a microdisplay 4, and an eyepiece 5 optically connected to a microdisplay 4. The television matrix 3 is connected to the input of the BUOS 13, and the microdisplay 4 is connected to the output of the BUOS 13. The sighting channel 1 is intended for visual overview of the surrounding area.

Приемный канал 6 содержит объектив 7 и размещенное в его фокальной плоскости фотоприемное устройство (ФПУ) 8, выходом связанное с входом БУОС 13. Приемный канал 6 предназначен для регистрации отраженного целью излучения в плоскости чувствительной площадки ФПУ 8.Receiving channel 6 contains a lens 7 and a photodetector device (FPU) 8 located in its focal plane, the output connected to the input of BUOS 13. Receiving channel 6 is designed to register the radiation reflected by the target in the plane of the sensitive area of the FPU 8.

Передающий канал 9 содержит коллимирующую оптическую систему 10, лазерный излучатель 12 и установленную на оптической оси между ними систему сканирования 11. Лазерный излучатель 12 и система сканирования 11 связаны с выходом БУОС 13. Передающий канал 9 предназначен для облучения выбранного объема пространства.The transmitting channel 9 contains a collimating optical system 10, a laser emitter 12 and a scanning system 11 mounted on the optical axis between them. The laser emitter 12 and the scanning system 11 are connected to the output of the BOOS 13. The transmitting channel 9 is designed to irradiate the selected volume of space.

Система сканирования 11 может быть выполнена, например, в виде акустооптических дефлекторов, известных, в частности, из изобретения по патенту РФ №2428777, в виде системы подвижных зеркал, как описано в изобретении по патенту РФ №2356063, или иным путем.The scanning system 11 can be made, for example, in the form of acousto-optic deflectors, known, in particular, from the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2428777, in the form of a system of movable mirrors, as described in the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2356063, or in another way.

Устройство работает следующим образом:The device works as follows:

Оператор наблюдает пространство в визирный канал 1 и включает режим сканирования для увеличения зоны обнаружения целей. Процесс обнаружения целей - оптических и оптико-электронных приборов - осуществляется в два этапа.The operator observes the space in the sighting channel 1 and turns on the scan mode to increase the target detection area. The process of target detection - optical and optoelectronic devices - is carried out in two stages.

На первом этапе осуществляется сканирование выбранного объема пространства одиночными импульсами лазерного излучения, а на втором этапе на обнаруженную цель направляется многоимпульсное излучение. Сканирование одноимпульсным излучением выбранного объема пространства позволяет сократить время сканирования, поскольку время сканирования фрагмента наблюдаемого пространства равно длительности одного импульса. БУОС 13 подает сигнал на лазерный излучатель 12 для формирования одноимпульсного излучения, далее БУОС 13 подает сигнал в систему сканирования 11, которая формирует угол сканирования по горизонту, под которым будет преломляться луч, выходящий через коллимирующую оптическую систему 10 передающего канала 9.At the first stage, the selected volume of space is scanned with single pulses of laser radiation, and at the second stage, multi-pulse radiation is directed to the detected target. Scanning a selected volume of space with a single-pulse radiation reduces the scanning time, since the scanning time for a fragment of the observed space is equal to the duration of one pulse. BUOS 13 supplies a signal to the laser emitter 12 to form a single-pulse radiation, then BUOS 13 feeds a signal to the scanning system 11, which forms a scanning angle along the horizon, under which the beam will be refracted leaving through the collimating optical system 10 of the transmission channel 9.

При обнаружении цели и попадании отраженного целью излучения на объектив 7 приемного канала 6 с ФПУ 8 соответствующий сигнал поступает в БУОС 13, который фиксирует угол отклонения оптической оси лазерного луча относительно исходного положения.When a target is detected and the radiation reflected by the target hits the lens 7 of the receiving channel 6 with the FPU 8, the corresponding signal is sent to the BUOS 13, which fixes the angle of deviation of the optical axis of the laser beam relative to the initial position.

Однако, при сканировании луча велика вероятность попадания в зону сканирования посторонних предметов (ложных целей), влияния сторонних помех и неоднородности фона, что не позволяет гарантировать достоверность полученных данных.However, when scanning the beam, there is a high probability of foreign objects (false targets) falling into the scanning zone, the influence of third-party interference and background inhomogeneity, which does not allow guaranteeing the reliability of the data obtained.

Для того чтобы предотвратить влияние помех и исключить ложные срабатывания, на втором этапе проводится верификация полученных данных путем посылки на обнаруженные цели многоимпульсного излучения под зафиксированными БУОС 13 углами. БУОС 13 подает управляющий сигнал на лазерный излучатель 12 для формирования многоимпульсного излучения, а в систему сканирования 11 подает сигнал, соответствующий зафиксированному на первом этапе углу отклонения оптической оси лазерного луча относительно исходного положения, для посылки под этим углом второго луча - многоимпульсного излучения.In order to prevent the influence of interference and eliminate false alarms, at the second stage, the received data is verified by sending multi-pulse radiation to the detected targets at 13 angles fixed by the BUOS. BUOS 13 supplies a control signal to the laser emitter 12 to generate multi-pulse radiation, and to the scanning system 11 it supplies a signal corresponding to the angle of deviation of the optical axis of the laser beam relative to the initial position fixed at the first stage, to send a second beam at this angle - multi-pulse radiation.

Использование многоимпульсного излучения позволяет выделить полезный сигнал на фоне шума. Т.к. отражение от оптических целей является зеркальным, в результате посылки на цель многоимпульсного излучения происходит накопление на ФПУ сигнала, отраженного от оптических целей, т.е. в принимаемом сигнале увеличивается соотношение сигнал/шум в √N раз, где N - количество импульсов в лазерной посылке (величина объема накопления). При этом отраженный сигнал от неоптических целей на ФПУ накапливается в значительно меньшей степени в силу диффузного характера отражения от таких целей и практически величина отраженного сигнала (величина шума) остается неизменной.The use of multi-pulse radiation makes it possible to isolate the useful signal against the background noise. Because reflection from optical targets is specular; as a result of sending multi-pulse radiation to the target, the signal is accumulated on the FPU, reflected from optical targets, i.e. in the received signal, the signal-to-noise ratio increases by a factor of √N, where N is the number of pulses in the laser package (the value of the accumulation volume). In this case, the reflected signal from non-optical targets on the FPU accumulates to a much lesser extent due to the diffuse nature of the reflection from such targets, and practically the magnitude of the reflected signal (noise value) remains unchanged.

Если от цели, обнаруженной на первом этапе, на втором этапе отраженное многоимпульсное излучение принято ФПУ 8 и сигнал с ФПУ 8 поступил в БУОС 13 (цели, которые прошли верификацию), БУОС 13 оценивает соотношение сигнал/шум и, если это соотношение увеличено в √N раз или на близкое к этому значению, а величина принимаемого сигнала выше порогового значения, расценивает этот сигнал, как отраженный оптической целью, и производит расчет дальности до этой цели. БУОС 13 фиксирует момент посылки луча на цель и момент регистрации ФПУ отраженного целью излучения, определяет время прохождения излучением расстояния до цели и обратно и рассчитывает дальность до цели по известной формуле с учетом скорости света. Расчет дальности БУОС 13 выполняет по команде оператора или в автоматическом режиме в зависимости от программного обеспечения БУОС 13.If from a target detected at the first stage, at the second stage, the reflected multi-pulse radiation is received by the FPU 8 and the signal from the FPU 8 entered the BUOS 13 (targets that have passed the verification), the BUOS 13 estimates the signal-to-noise ratio and, if this ratio is increased by √ N times or close to this value, and the value of the received signal is higher than the threshold value, considers this signal as reflected by the optical target, and calculates the range to this target. BUOS 13 fixes the moment of sending the beam to the target and the moment of registration of the FPU of the radiation reflected by the target, determines the time the radiation passes the distance to the target and back and calculates the distance to the target according to the known formula taking into account the speed of light. The calculation of the range of the BUOS 13 is performed at the command of the operator or in automatic mode, depending on the software of the BUOS 13.

В случае, если от цели, обнаруженной на первом этапе, на втором этапе отраженное многоимпульсное излучение не принято ФПУ 8 и сигнал с ФПУ 8 в БУОС 13 не поступил, или в отраженном накопленном сигнале соотношение сигнал/шум не увеличено в √N раз, или на близкое к этому значению, а величина принимаемого сигнала ниже порогового значения, данный объект считается ложным и исключается, дальнейшие вычисления в отношении этой цели БУОС 13 не выполняет.If from the target detected at the first stage, at the second stage, the reflected multi-pulse radiation is not received by the FPU 8 and the signal from the FPU 8 has not arrived in the BUOS 13, or in the reflected accumulated signal the signal-to-noise ratio is not increased by a factor of √N, or to close to this value, and the value of the received signal is below the threshold value, this object is considered false and is excluded, further calculations for this purpose BUOS 13 does not perform.

Современная элементная база позволяет реализовать малогабаритный и многофункциональный БУОС для выполнения предлагаемого алгоритма обнаружения объектов и измерения дальности.The modern element base makes it possible to implement a small-sized and multifunctional control system for performing the proposed algorithm for object detection and range measurement.

Данный алгоритм позволяет отсекать ложные неоптические цели и, следовательно, получать достоверные данные в широкой области обнаружения, улучшая обнаружительные способности устройства.This algorithm allows you to cut off false non-optical targets and, therefore, obtain reliable data in a wide detection area, improving the detection ability of the device.

В данном устройстве отсутствуют отдельный приемный и передающий канал для измерения дальности, что, по сравнению с прототипом, значительно уменьшает его массу и габариты. Оптическая система приемного канала устройства по сравнению с прототипом имеет более высокий коэффициент пропускания из-за отсутствия призменного блока, что приводит к увеличению дальности обнаружения.This device does not have a separate receiving and transmitting channel for measuring range, which, in comparison with the prototype, significantly reduces its weight and dimensions. The optical system of the receiving channel of the device in comparison with the prototype has a higher transmittance due to the absence of a prism unit, which leads to an increase in the detection range.

При необходимости регистрации дополнительных данных местоположения цели устройство может оснащаться навигационной системой, которая может включать в себя связанные с БУОС GPS-датчик, компас или акселерометр.If it is necessary to register additional target location data, the device can be equipped with a navigation system, which can include a GPS sensor, compass or accelerometer associated with the BUOS.

Таким образом, предлагаемое устройство, по сравнению с прототипом, при уменьшении массы и габаритов обеспечивает более широкую зону обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и увеличенную дальность обнаружения.Thus, the proposed device, in comparison with the prototype, with a decrease in weight and dimensions, provides a wider detection area for optical and optoelectronic devices and an increased detection range.

Claims (2)

1. Устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них, содержащее визирный канал, содержащий объектив, телевизионную матрицу и блок визуализации, устройство обнаружения, содержащее передающий и приемный каналы, дальномерное устройство и электронный блок управления и обработки сигналов, причем передающий канал содержит лазерный излучатель и коллимирующую оптическую систему, а приемный канал содержит объектив, в фокальной плоскости которого находится фотоприемное устройство, при этом телевизионная матрица, блок визуализации, фотоприемное устройство и лазерный излучатель связаны с электронным блоком управления и обработки сигналов, отличающееся тем, что дальномерное устройство совмещено с устройством обнаружения и имеет общие с ним передающий и приемный каналы, при этом передающий канал содержит установленную на оптической оси между коллимирующей оптической системой и лазерным излучателем систему сканирования, связанную с электронным блоком управления и обработки сигналов, а лазерный излучатель имеет одноимпульсный и многоимпульсный режимы работы.1. A device for detecting optical and optoelectronic devices and measuring the range to them, containing a sighting channel containing a lens, a television matrix and an imaging unit, a detection device containing a transmitting and receiving channels, a rangefinder device and an electronic control and signal processing unit, and the transmitting channel contains a laser emitter and a collimating optical system, and the receiving channel contains a lens, in the focal plane of which a photodetector is located, while the television matrix, a visualization unit, a photodetector and a laser emitter are connected to an electronic control and signal processing unit, characterized in that the rangefinder device is combined with the detection device and has transmission and reception channels in common with it, while the transmission channel contains a scanning system installed on the optical axis between the collimating optical system and the laser emitter, connected to the electronic unit and signal processing, and the laser emitter has single-pulse and multi-pulse modes of operation. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что использован полупроводниковый лазерный излучатель.2. The device according to claim 1, characterized in that a semiconductor laser emitter is used.

Images