RU2199709C2 - Multi-channel guidance system - Google Patents

Abstract

FIELD: optical instrument engineering, applicable in development of multi-channel view-search systems. SUBSTANCE: the multi-channel guidance system has two detection channels: television and infra-red ones, range finder, as well as the analogue-to-digital converter located between the photodetector and the coordinate determination unit, controlled by output signals of the position sensor of the scanning mirror. EFFECT: enhanced accuracy of determination of coordinates and expanded range of control of range finder optical axis. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике оптического приборостроения и может быть использовано, в частности, при разработке многоканальных обзорно-поисковых систем, осуществляющих обнаружение цели в контролируемой зоне, ее выделение на различных фонах, определение ее координат и отслеживание, а также определение отдельных параметров движения цели, например дальности до нее. The invention relates to optical instrumentation technology and can be used, in particular, in the development of multichannel search and search systems that detect a target in a controlled area, select it on different backgrounds, determine its coordinates and track, as well as determine individual parameters of the target’s movement, for example range to her.

Известны системы, осуществляющие поиск, обнаружение цели и измерение дальности до нее (см., например, патент США 432449, кл. G 01 В 11/26, F 41 G 7/00, G 01 I 1/20; патент РФ по заявке 97110183/28, кл. G 02 В 23/04, 23/20 от 16.06.97 и заявку РФ 2000103180/02, кл. G 01 В 11/26, F 41 G 7/26 от 08.02.2000). Known systems for searching, detecting a target and measuring the distance to it (see, for example, US patent 432449, CL G 01 B 11/26, F 41 G 7/00, G 01 I 1/20; RF patent on application 97110183/28, class G 02 В 23/04, 23/20 of 06/16/97 and the application of the Russian Federation 2000103180/02, class G 01 В 11/26, F 41 G 7/26 of 02/08/2000).

Из известных систем наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является многоканальная система наведения по вышеупомянутой заявке РФ 2000103180. Она содержит два канала наведения: телевизионный, работающий в видимом диапазоне длин волн, и инфракрасный, а также лазерный дальномер. При этом в инфракрасном канале применен фотоприемник, чувствительная площадка которого выполнена в виде линейки из N элементов, опрос которых осуществляется с постоянной частотой, кратной частоте сканирования плоского зеркала. Выходные сигналы телевизионного и инфракрасного каналов в ней используются для управления наведением на цель всего комплекса аппаратуры. Достоинством этой системы является то, что в ней предусмотрена возможность управления положением оптической оси дальномера по координатам цели, выработанных инфракрасным каналом обнаружения и наведения. Кроме этого, в ней, благодаря оригинальному способу спектроделения, достигнут достаточно большой коэффициент пропускания в пассивном и дальномерном каналах. Of the known systems, the closest to the claimed technical essence is the multi-channel guidance system according to the aforementioned RF application 2000103180. It contains two guidance channels: a television, operating in the visible wavelength range, and an infrared, as well as a laser rangefinder. At the same time, a photodetector is used in the infrared channel, the sensitive area of which is made in the form of a line of N elements, which are interrogated at a constant frequency that is a multiple of the scanning frequency of a flat mirror. The output signals of the television and infrared channels in it are used to control the guidance of the entire complex of equipment. The advantage of this system is that it provides the ability to control the position of the optical axis of the rangefinder according to the coordinates of the target generated by the infrared detection and guidance channel. In addition, in it, thanks to the original method of spectrodivision, a sufficiently large transmittance in the passive and rangefinder channels is achieved.

Но, несмотря на отмеченные достоинства, система не лишена и недостатков. Один из них вытекает из того факта, что при повороте плоского зеркала вокруг оси сканирующий луч, как и само сканирующее зеркало, движется с переменной скоростью (см. М. М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977, с.61-63). К этому можно добавить появление люфтов из-за износа трущихся поверхностей. Вследствие этого в прототипе скорость движения сканирующего луча может не совпадать со скоростью опроса чувствительных элементов фотоприемника, в результате чего появится ошибка в определении координат цели. При этом ошибка тем больше, чем больше угол обзора оптической системы. But, despite the noted advantages, the system is not without drawbacks. One of them follows from the fact that when a flat mirror rotates around its axis, the scanning beam, like the scanning mirror itself, moves at a variable speed (see M. M. Miroshnikov. Theoretical Foundations of Optoelectronic Devices. L .: Mashinostroenie, 1977 , p. 61-63). To this we can add the appearance of backlash due to wear of rubbing surfaces. As a result, in the prototype, the speed of the scanning beam may not coincide with the speed of the interrogation of the sensitive elements of the photodetector, resulting in an error in determining the coordinates of the target. Moreover, the error is greater, the larger the viewing angle of the optical system.

Второй недостаток прототипа состоит в том, что при увеличении количества чувствительных элементов, имеющих, как правило, разброс чувствительности от элемента к элементу, усложняется алгоритм обработки сигналов, увеличиваются габариты и возникают технологические трудности, вследствие чего снижается надежность, технологичность и быстродействие многоканальной системы в целом. The second disadvantage of the prototype is that with an increase in the number of sensitive elements, which, as a rule, have a spread of sensitivity from element to element, the signal processing algorithm is complicated, dimensions are increased and technological difficulties arise, as a result of which the reliability, manufacturability and speed of the multichannel system as a whole decreases .

И наконец, третий недостаток заключается в ограничение спектрального диапазона управления положением оптической оси дальномера. And finally, the third drawback is the limitation of the spectral range of the position control of the optical axis of the range finder.

Таким образом, целью предлагаемого изобретения является повышение точности определения координат, расширение диапазона управления оптической осью дальномера и совершенствование технологичности многоканальной системы. Thus, the aim of the invention is to increase the accuracy of determining coordinates, expanding the range of control of the optical axis of the range finder and improving the manufacturability of a multi-channel system.

Поставленная цель достигается тем, что в известной многоканальной системе наведения, включающей в себя лазерный дальномер, содержащий последовательно расположенные источник излучения, первое и второе плоские зеркала с приводом вращения каждое и первый объектив, и по меньшей мере, два канала обнаружения, один из которых выполнен телевизионным, а другой инфракрасным, при этом отражающие поверхности первого и второго зеркал обращены друг к другу и расположены под углом к оптической оси первого объектива, а инфракрасный канал содержит второй объектив, оптически сопряженный через плоское сканирующее зеркало с оптическим входом N-элементного фотоприемника, блок выработки координат и датчик положения сканирующего зеркала, при этом первый и второй выходы блока выработки координат соединены с первым и вторым входами ключа соответственно, первый и второй выходы телевизионного канала обнаружения соединены с третьим и четвертым входами ключа соответственно, выход ключа соединен со входом привода слежения, а управляющий вход ключа соединен со входом блока управления, дополнительно введен аналого-цифровой преобразователь, при этом (1...N)-й выход N-элементного фотоприемника соединен с соответствующим входом аналого-цифрового преобразователя, дополнительный вход которого соединен с выходом датчика положения сканирующего зеркала, первый и второй выход ключа дополнительно соединен с приводом вращения первого и второго зеркала соответственно. This goal is achieved by the fact that in the known multichannel guidance system, including a laser range finder, containing a sequentially located radiation source, first and second flat mirrors with a rotation drive, each and the first lens, and at least two detection channels, one of which is made television, and the other infrared, while the reflective surfaces of the first and second mirrors are facing each other and are located at an angle to the optical axis of the first lens, and the infrared channel contains a second a second lens optically coupled through a flat scanning mirror with an optical input of an N-element photodetector, a coordinate generation unit and a scanning mirror position sensor, while the first and second outputs of the coordinate generation unit are connected to the first and second inputs of the key, respectively, the first and second outputs of the television channel detection are connected to the third and fourth inputs of the key, respectively, the output of the key is connected to the input of the tracking drive, and the control input of the key is connected to the input of the control unit, add An analog-to-digital converter is introduced, the (1 ... N) -th output of the N-element photodetector is connected to the corresponding input of the analog-to-digital converter, the additional input of which is connected to the output of the scanning mirror position sensor, the first and second key outputs are additionally connected with rotation drive of the first and second mirrors, respectively.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого изобретения, где приняты следующие обозначения:
1 - телевизионный канал обнаружения предназначен для определения координат цели в видимом диапазоне длин волн, при этом диаметр входного зрачка приемного объектива D_тв= 90 мм, а фокусное расстояние f_тв = 200 мм, и может быть выполнен по одной из схем, приведенных в справочнике Авиационные системы информации. Под ред. Л.З. Криксунова. - М.: Машиностроение, 1985, с. 162-167;
2 - лазерный дальномер предназначен для измерения расстояний до 40 км с точностью (3. . .5) м и может быть выполнен по одной из схем, приведенных в вышеназванном справочнике под ред. Л.З. Криксунова на с.5-28,
3 - источник излучения предназначен для облучения наблюдаемой цели и может быть выполнен на базе твердотельного лазера на основе YAG, имеющего световой пучок диаметром (8...10) мм;
4 и 5 - первое и второе плоские зеркала соответственно предназначены для отклонения лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях;
6 - первый объектив предназначен для коллимирования лазерного излучения и может быть выполнен в виде телескопической системы с диаметром входного зрачка D_вх= 12 мм, диаметром выходного зрачка D_вых=85 мм и увеличением Г= 0,14;
7 - инфракрасный канал обнаружения предназначен для обнаружения и определения координат цели в контролируемом пространстве, имеющей тепловой контраст, например, в спектральном диапазоне (3...5) мкм или (8...13) мкм;
8 - второй объектив предназначен для приема инфракрасного излучения цели и фокусировки его на чувствительные площадки фотоприемника 10 и может быть выполнен в виде зеркала с диаметром входного окна D_вх=250 мм, фокусным расстоянием f=360 мм и полем зрения 1,5^oх1,5^o;
9 - плоское зеркало предназначено для сканирования поля зрения объектива 8 в плоскости, перпендикулярной линейке фотоприемников 10, и может быть выполнено со световым диаметром примерно 125 мм;
10 - N-элементный фотоприемник предназначен для преобразования инфракрасного излучения цели в электрический сигнал и может быть выполнен в виде линейки из 192 чувствительных элементов (см. патент США 4221966, кл. G 01 J 1/00 от 09.09.1980), при этом линейка расположена в плоскости чертежа;
11 - аналого-цифровой преобразователь предназначен для усиления и преобразования аналоговых сигналов в сигналы, квантованные по времени и амплитуде, и может быть выполнен на микросхемах типа 1108П1А и К140УД284;
12 - блок выработки координат по сути дела является цифровым процессором обработки сигналов и предназначен для цифро-аналогового преобразования сигналов, квантованных но времени и амплитуде, и выработки координат, и может быть выполнен на микросхеме типа TMS320C50;
13 - датчик положения сканирующего зеркала представляет собой оптико-электронное устройство на базе однокоординатного фотоэлектрического автоколлиматора с погрешностью измерения не более 20 угл. сек;
14 - электронный ключ предназначен для переключения телевизионного и инфракрасного каналов и может быть выполнен на базе мультиплексоров серии 1553.The drawing shows a block diagram of the invention, where the following notation:
1 - television detection channel is designed to determine the coordinates of the target in the visible range of wavelengths, while the diameter of the entrance pupil of the receiving lens D _TV = 90 mm, and the focal length f _TV = 200 mm, and can be performed according to one of the schemes shown in the manual Aviation information systems. Ed. L.Z. Kriksunova. - M.: Mechanical Engineering, 1985, p. 162-167;
2 - the laser range finder is designed to measure distances up to 40 km with an accuracy of (3.. .5) m and can be performed according to one of the schemes given in the above reference manual, under the editorship of L.Z. Kriksunova on pp. 5-28,
3 - the radiation source is designed to irradiate the observed target and can be performed on the basis of a solid-state laser based on YAG having a light beam with a diameter of (8 ... 10) mm;
4 and 5 - the first and second plane mirrors, respectively, are designed to deflect laser radiation in two mutually perpendicular planes;
6 - the first lens is designed for collimating laser radiation and can be made in the form of a telescopic system with an entrance pupil diameter D _in = 12 mm, an exit pupil diameter D _out = 85 mm and an increase in G = 0.14;
7 - infrared detection channel is designed to detect and determine the coordinates of the target in a controlled space having thermal contrast, for example, in the spectral range (3 ... 5) microns or (8 ... 13) microns;
8 - the second lens is designed to receive infrared radiation from the target and focus it on the sensitive areas of the photodetector 10 and can be made in the form of a mirror with an input window diameter D _in = 250 mm, focal length f = 360 mm and a field of view of 1.5 ^o x1, 5 ^o ;
9 - a flat mirror is designed to scan the field of view of the lens 8 in a plane perpendicular to the line of photodetectors 10, and can be performed with a light diameter of approximately 125 mm;
10 - N-element photodetector is designed to convert infrared radiation of the target into an electrical signal and can be made in the form of a line of 192 sensitive elements (see US patent 4221966, CL G 01 J 1/00 from 09/09/1980), while the line located in the plane of the drawing;
11 - analog-to-digital Converter is designed to amplify and convert analog signals into signals quantized in time and amplitude, and can be performed on circuits of the type 1108P1A and K140UD284;
12 - the coordinate generation block is essentially a digital signal processing processor and is intended for digital-to-analog conversion of signals quantized by time and amplitude, and coordinate generation, and can be performed on a TMS320C50 type microcircuit;
13 - the position sensor of the scanning mirror is an optical-electronic device based on a single-axis photoelectric autocollimator with a measurement error of not more than 20 angles. sec
14 - an electronic key is designed to switch the television and infrared channels and can be performed on the basis of 1553 series multiplexers.

Работает предлагаемое изобретение следующим образом. The proposed invention works as follows.

Допустим, что не нарушает общности рассуждений, цель попала в поле зрения телевизионного 1 и инфракрасного 7 каналов обнаружения и что контраст между ней и окружающим ее фоном в обоих каналах присутствует. Тогда координаты U_xт и U_ут цели с первого и второго выходов телевизионного канала поступают на третий и четвертый входы ключа 14, который находится в разомкнутом состоянии.Suppose that does not violate the generality of reasoning, the target fell into the field of view of the television 1 and infrared 7 detection channels and that there is a contrast between it and the background surrounding it in both channels. Then the coordinates U _xt and U _{ut of the} target from the first and second outputs of the television channel arrive at the third and fourth inputs of the key 14, which is in the open state.

В инфракрасном канале обнаружения излучение цели улавливается объективом 8 и после отражения от плоского зеркала 9 фокусируется на чувствительной площадке N-элементного фотоприемника 10. Плоское зеркало 9 колеблется вокруг оси ОМ, лежащей в плоскости чертежа, и тем самым осуществляет сканирование поля зрения в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. In the infrared detection channel, the radiation of the target is captured by the lens 8 and, after reflection from the flat mirror 9, is focused on the sensitive area of the N-element photodetector 10. The flat mirror 9 oscillates around the axis OM, lying in the plane of the drawing, and thereby scans the field of view in a plane perpendicular drawing planes.

С выхода фотоприемника 10 сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где он усиливается и преобразуется из аналогового в цифровой, т. е. дискретизируется и квантуется. При этом здесь, в отличие от прототипа, где процесс квантования осуществлялся с постоянной частотой, равной частоте колебания плоского зеркала 9, этот процесс управляется выходными сигналами датчика положения сканирующего зеркала. Выходные сигналы цифроаналогового преобразователя 11 поступают на вход блока выработки координат 12, где преобразуется из цифрового в аналоговый сигнал, несущий информацию о координатах U_хи и U_уи обнаруженной цели в инфракрасном канале. Сигналы U_хи и U_уи поступают на первый и второй вход уже упомянутого ключа 14, управление работой которого осуществляется автоматически или вручную с помощью оператора. С выхода ключа 14 сигналы телевизионного или инфракрасного каналов обнаружения поступают на входы приводов зеркал 4 и 5 и привода слежения всего комплекса аппаратуры.From the output of the photodetector 10, the signal is fed to the input of an analog-to-digital converter 11, where it is amplified and converted from analog to digital, i.e., it is sampled and quantized. Moreover, here, unlike the prototype, where the quantization process was carried out with a constant frequency equal to the oscillation frequency of the flat mirror 9, this process is controlled by the output signals of the scanning mirror position sensor. The output signals of the digital-to-analog converter 11 are fed to the input of the coordinate generation unit 12, where it is converted from digital to an analog signal that carries information about the coordinates U _hey and U _{yi of the} detected target in the infrared channel. The signals U _chi and U _yi are supplied to the first and second input of the already mentioned key 14, the operation of which is controlled automatically or manually using the operator. From the output of the key 14, the signals of the television or infrared detection channels are fed to the inputs of the mirror drives 4 and 5 and the tracking drive of the entire complex of equipment.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения достаточно очевидна и состоит в повышении точности выработки координат при возможной нестабильности частоты колебания сканирующего зеркала и расширении спектрального диапазона работы многоканальной системы наведения. The technical efficiency of the invention is quite obvious and consists in increasing the accuracy of the generation of coordinates with possible instability of the oscillation frequency of the scanning mirror and expanding the spectral range of the multi-channel guidance system.

Claims (1)

Многоканальная система наведения, включающая в себя лазерный дальномер, содержащий последовательно расположенные источник излучения, первое и второе плоские зеркала с приводом вращения каждое и первый объектив и, по меньшей мере, два канала обнаружения, один из которых выполнен телевизионным, а другой - инфракрасным, при этом отражающие поверхности первого и второго зеркал обращены друг к другу и расположены под углом к оптической оси первого объектива, инфракрасный канал содержит второй объектив, оптически сопряженный через плоское сканирующее зеркало с оптическим входом N-элементного фотоприемника, блок выработки координат и датчик положения сканирующего зеркала, а также ключ, управление работой которого осуществляется автоматически или с помощью оператора, отличающаяся тем, что в нее введен аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы с первого по N-ный N-элементного фотоприемника соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с выходом датчика положения сканирующего зеркала, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом блока выработки координат, первый и второй выходы блока выработки координат соединены с первым и вторым входами ключа, третий и четвертый входы которого соединены с первым и вторым выходами телевизионного канала обнаружения соответственно, а первый и второй выходы ключа соединены с первым и вторым входами привода слежения и с приводами вращения первого и второго плоских зеркал соответственно. A multichannel guidance system, including a laser range finder, containing a sequentially located radiation source, first and second flat mirrors with a rotation drive, each and the first lens and at least two detection channels, one of which is made of television, and the other is infrared, with the reflecting surfaces of the first and second mirrors are facing each other and are located at an angle to the optical axis of the first lens, the infrared channel contains a second lens, optically conjugated through a plane an anti-reflecting mirror with an optical input of an N-element photodetector, a coordinate generation unit and a scanning mirror position sensor, as well as a key that is controlled automatically or by an operator, characterized in that an analog-to-digital converter is inserted into it, while the outputs from the first through the N-th N-element photodetector connected to the corresponding inputs of the analog-to-digital converter, the control input of which is connected to the output of the position sensor of the scanning mirror, the output is analog-to-digital of the first converter is connected to the input of the coordinate generation block, the first and second outputs of the coordinate generation block are connected to the first and second inputs of the key, the third and fourth inputs of which are connected to the first and second outputs of the television detection channel, respectively, and the first and second outputs of the key are connected to the first and second inputs of the tracking drive and with rotation drives of the first and second flat mirrors, respectively.