RU84580U1 - OPTICAL DEVICE FOR TRACKING AN EXTENDED OBJECT - Google Patents

Abstract

Оптическое устройство слежения за протяженным объектом, содержащее импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси импульсного источника, приемник излучения, отраженного от протяженного объекта с приемной оптикой и блок управления, отличающееся тем, что импульсный источник излучения включает в себя сканирующий лазер, объектив и блок развертки и модуляции, состоящий из светонепроницаемой камеры, приемного зеркала, вибрирующего зеркала, вибратора и модулятора, а приемник излучения, жестко связанный с источником излучения, выполнен в виде измерительной камеры, состоящей из светонепроницаемого корпуса, телескопического объектива с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели, включающей матрицу линз и матрицу ИК-модулей, при этом измерительная панель установлена на основании, осуществляющем угловые колебания относительно подвижной платформы в горизонтальном направлении, а подвижная платформа установлена на неподвижной платформе и относительно нее может производить разворот в вертикальном направлении, при этом для осуществления вращения в горизонтальном и вертикальном направлениях используются синхронные электроприводы с шаговыми исполнительными двигателями, выход измерительной панели подключен ко входу микропроцессорного блока управления с цифровым индикаторным устройством, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам электроприводов горизонтального и вертикального наведения соответственно, третий выход блока управления соединен с управляющим входом телескопического объектива, а четвертый выход связан с информAn optical device for tracking an extended object, comprising a pulsed radiation source with forming optics mounted on the optical axis of the pulsed source, a radiation receiver reflected from an extended object with receiving optics, and a control unit, characterized in that the pulsed radiation source includes a scanning laser, a lens and a scan and modulation unit, consisting of a lightproof camera, a receiving mirror, a vibrating mirror, a vibrator and a modulator, and a radiation receiver, rigidly connected with a radiation source, made in the form of a measuring chamber, consisting of a light-tight housing, a telescopic lens with a controlled focal length, a measuring panel including an array of lenses and a matrix of IR modules, while the measuring panel is mounted on a base that performs angular oscillations relative to the moving platform in horizontal direction, and the movable platform is mounted on a fixed platform and relative to it can make a turn in the vertical direction, while for For horizontal and vertical rotation, synchronous electric drives with stepper actuators are used, the output of the measuring panel is connected to the input of the microprocessor control unit with a digital indicator device, the first and second outputs of the control unit are connected to the control inputs of horizontal and vertical guidance electric drives, respectively, the third output of the control unit connected to the control input of the telescopic lens, and the fourth output is connected to inform

Description

Полезная модель относится к системам автоматического обнаружения и сопровождения удаленных протяженных объектов, и, в частности, к средствам оптической локации, использующим лазерное сканирование пространства и цифровую систему регистрации и обработки отраженного оптического сигнала. Устройство может быть использовано в лазерных локационных системах наведения и целеуказания противотанковых и зенитных ракетных комплексов ближней тактической зоны.The utility model relates to systems for automatically detecting and tracking remote extended objects, and, in particular, to optical location tools using laser scanning of space and a digital system for recording and processing the reflected optical signal. The device can be used in laser location systems for guidance and target designation of anti-tank and anti-aircraft missile systems of the near tactical zone.

Необходимость создания новой лазерной системы пеленгации и автоматического сопровождения протяженных объектов в настоящее время весьма актуальна, так как многие радиолокационные системы слежения за удаленными объектами не обладают достаточной разрешающей способностью и на малых дальностях не дают исчерпывающего информационного образа протяженного объекта, оценок угловой скорости и направления его движения. Это в первую очередь связано с недостаточной информационной емкостью поступающего на систему слежения сигнала. В результате не в полной мере реализуются требования высокоточного наведения на протяженные цели управляемых артиллерийских боеприпасов.The need to create a new laser system for direction finding and automatic tracking of extended objects is currently very urgent, since many radar tracking systems for distant objects do not have sufficient resolution and at short ranges do not provide a comprehensive information image of an extended object, estimates of the angular velocity and direction of its movement . This is primarily due to the insufficient information capacity of the signal received by the tracking system. As a result, the requirements of high-precision guidance on long targets of guided artillery ammunition are not fully implemented.

В качестве аналога технического решения может быть указана известная система обнаружения и опознавания [Система обнаружения и опознавания, патент RU 2115955 С1; кл. G08G 9/00, G05D 1/12; 1998], содержащая установленные на первом объекте источник лазерного излучения и соединенный с его выходом модулятор, последовательно соединенные пульт управления, привод наведения и оптическую формирующую систему, съюстированную с источником лазерного излучения. Система содержит размещенные на первом объекте индикатор дальности, блок кодирования, переключатель, первое реле времени, задатчик времени излучения, дальномер, панкратическую систему с приводом, приемник лазерного излучения, демодулятор, измеритель времени излучения, блок сравнения и индикатор, датчик отклонения, блок отклонения с приводом, на втором объекте - индикатор, датчик отклонения, блок декодирования, уголковый отражатель с диафрагмой, приемник лазерного излучения, демодулятор, второе реле времени и привод диаграммы.As an analogue of a technical solution, a known detection and recognition system [Detection and recognition system, patent RU 2115955 C1; class G08G 9/00, G05D 1/12; 1998], comprising a laser radiation source installed on the first object and a modulator connected to its output, serially connected control panel, guidance drive and optical forming system aligned with the laser radiation source. The system contains a range indicator, a coding unit, a switch, a first time relay, a radiation time preset, a range finder, a pankratic system with a drive, a laser radiation receiver, a demodulator, a radiation time meter, a comparison unit and an indicator, a deviation sensor, a deviation unit located on the first object drive, on the second object - an indicator, a deviation sensor, a decoding unit, an angular reflector with a diaphragm, a laser radiation receiver, a demodulator, a second time relay and a chart drive.

Известное техническое решение позволяет измерять дальность до цели и получать дополнительную информацию о цели, которую можно использовать для ее распознавания. Однако известная система не обеспечивает выделение информации о геометрических характеристиках протяженного объекта, что ограничивает ее функциональные возможности. Кроме того, из-за недостаточного объема информации и малого энергетического отношения сигнал/помеха система не обеспечивает высокую вероятность правильного обнаружения.The known technical solution allows you to measure the distance to the target and obtain additional information about the target, which can be used to recognize it. However, the known system does not provide the allocation of information about the geometric characteristics of an extended object, which limits its functionality. In addition, due to insufficient information and a small energy signal / noise ratio, the system does not provide a high probability of correct detection.

Известна лазерная система слежения [Реферат №1347725; G01S 17/00; 1999], которая содержит подвижную платформу, на которой размещены фотоприемник и последовательно оптически связанные управляющий лазер, снабженный блоком включения, оптический вентиль, светоделители и многоканальный приемно-передающий блок, каждый канал которого содержит оптически связанные фазовращатель и управляемый лазер с жестко соединенным с ним диссектором, блок сервоуправления и электрически связанные поисково-следящую систему и вычислитель. При этом подвижная платформа снабжена приводом и датчиком углового положения, оптические оси управляемого лазера и диссектора в каждом канале, выход фотоприемника через блок сервоуправления подключен к управляющим входам фазовращателя, управляющие входы диссекторов подключены к выходам поисково-следящей системы, дополнительный выход которой соединен с вычислителем и приводом подвижной платформы.Known laser tracking system [Abstract No. 1347725; G01S 17/00; 1999], which contains a movable platform on which a photodetector and a serially optically coupled control laser are located, equipped with an switching unit, an optical valve, beam splitters and a multichannel receiver-transmitter unit, each channel of which contains an optically coupled phase shifter and a controlled laser with a dissector rigidly connected to it , servo control unit and electrically connected search and tracking system and computer. In this case, the movable platform is equipped with a drive and an angle sensor, the optical axes of the controlled laser and dissector in each channel, the output of the photodetector through the servo control unit is connected to the control inputs of the phase shifter, the control inputs of the dissectors are connected to the outputs of the search and tracking system, the additional output of which is connected to the computer and driven mobile platform.

В известном техническом решении с целью увеличения углового поля системы в режиме обнаружения, центральный управляемый лазер многоканального приемно-передающего блока жестко закреплен на подвижной платформе, а остальные управляемые лазеры установлены с возможностью углового перемещения относительно центрального, выходы диссекторов подключены к входам вновь введенных ключей первой группы и к поисково-следящей системе через вновь введенные ключи второй группы, выходы ключей первой группы соединены с ключами второй группы в каждом канале и с входами ключей второй группы других каналов за исключением канала центрального управляемого лазера, дополнительный выход поисково-следящей системы подсоединен также к блоку включения управляющего лазера и к блоку сервоуправления, управляемые лазеры дополнительно снабжены вновь введенными приводами первой группы и датчиками контроля положения зеркал резонаторов, а также приводами второй группы и датчика контроля углового положения лазеров, причем выходы всех датчиков контроля соединены с соответствующими вновь введенными компараторами, выходы которых подключены к входам вновь введенных ключей третьей группы, а выходы вычислителя подключены к вторым входам компараторов и ключей третьей группы, выходы которых соединены с управляющими входами двух приводов и привода подвижной платформы.In the known technical solution, in order to increase the angular field of the system in the detection mode, the central controlled laser of the multi-channel receiving and transmitting unit is rigidly mounted on a moving platform, and the remaining controlled lasers are mounted with the possibility of angular movement relative to the central one, the outputs of the dissectors are connected to the inputs of the newly entered keys of the first group and to the search and tracking system through the newly entered keys of the second group, the outputs of the keys of the first group are connected to the keys of the second group in each on the side and with the key inputs of the second group of other channels except the channel of the central controlled laser, the additional output of the search and tracking system is also connected to the control laser switching unit and the servo control unit, the controlled lasers are additionally equipped with newly introduced drives of the first group and sensors for monitoring the position of the resonator mirrors, as well as the drives of the second group and the sensor for monitoring the angular position of the lasers, and the outputs of all control sensors are connected to the corresponding newly introduced omparatorami whose outputs are connected to inputs of the newly introduced third group of keys, and the outputs of the calculator are connected to second inputs of the comparators and the third group of keys, the outputs of which are connected to the control inputs of the two drives and drive the moving platform.

К недостаткам системы следует отнести: сложность конструкторского решения, использование нескольких управляемых лазеров, необходимость согласования их работы, использование специальных электроприводов лазеров и, соответственно, датчиков контроля положения зеркал резонаторов и датчиков контроля углового положения лазеров. При этом, как следует из анализа имеющегося описания, исходных данных для получения графического портрета объекта слежения явно недостаточно.The disadvantages of the system include: the complexity of the design solution, the use of several controlled lasers, the need to coordinate their work, the use of special electric drives of lasers and, accordingly, sensors for controlling the position of the mirrors of the resonators and sensors for monitoring the angular position of the lasers. Moreover, as follows from the analysis of the available description, the initial data for obtaining a graphic portrait of the tracking object is clearly not enough.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для наблюдения объектов [Устройство для наблюдения объектов; патент RU 2263931 С1; кл. G01S 17/02, G02В 23/12; 2004], содержащее импульсный сканирующий лазер, представляющий собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный луч накачки и управления излучением, с первым формирующим объективом, сканирующий приемник излучения, содержащий последовательно установленные узкополосный фильтр, пропускающий излучение с длиной волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера, второй формирующий объектив, в фокусе которого установлено светоклапанное устройство, и собирающую линзу, в фокусе которой установлен фотоприемник излучения, телевизионная камера выполнена с третьим формирующим объективом, при этом углы полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры совпадают по направлению наблюдения, при этом блок управления соединен с телевизионной камерой, приемником излучения, светоклапанным устройством и импульсным сканирующим лазером.The closest technical solution (prototype) is a device for observing objects [Device for observing objects; patent RU 2263931 C1; class G01S 17/02, G02B 23/12; 2004], comprising a pulsed scanning laser, which is a hybrid of an electronically pumped semiconductor laser and a cathode ray tube forming an electron beam for pumping and controlling radiation, with a first forming lens, a scanning radiation receiver, comprising a sequentially mounted narrow-band filter transmitting radiation with a wavelength corresponding to the working wavelength of a pulsed scanning laser, a second forming lens, in the focus of which a light valve device is installed, a collecting lens, in the focus of which a radiation photodetector is mounted, the television camera is made with a third forming lens, while the angles of the field of view of the pulsed scanning laser and the television camera coincide in the direction of observation, while the control unit is connected to a television camera, radiation receiver, light valve device and pulse scanning laser.

Технический результат известного решения - повышение скорости обнаружения и слежения подвижных объектов посредством использования электронного метода пространственного оптического сканирования местности (сканирования поля зрения) импульсным сканирующим лазером и на основе обработки результатов сканирования.The technical result of the known solution is to increase the speed of detection and tracking of moving objects by using the electronic method of spatial optical scanning of the terrain (scanning of the field of view) using a pulsed scanning laser and based on processing of the scanning results.

Известное техническое решение в отличие от ранее рассмотренных аналогов обладает рядом качеств оптической локационной системы - целеуказателя, совмещающей качества телевизионных систем слежения и наведения, позволяет определять координаты обнаруженных объектов и дальность до них в условиях малых энергетических отношений сигнал/шум. К числу недостатков известного устройства для наблюдения объектов следует отнести сложность конструкции, обусловленная, в частности, наличием сканирующего фотоприемника, а также ограниченные возможности по созданию геометрического образа (портрета) лоцируемого протяженного объекта, что обусловлено использованием одноканального приемника излучения. Дополнительно укажем следующее.A well-known technical solution, unlike the analogues previously considered, has a number of qualities of an optical location system - a target indicator, combining the quality of television tracking and guidance systems, allows you to determine the coordinates of the detected objects and their distance in conditions of low signal-to-noise energy ratios. The disadvantages of the known device for observing objects include the complexity of the design, due, in particular, to the presence of a scanning photodetector, as well as the limited possibilities for creating a geometric image (portrait) of a located extended object, which is due to the use of a single-channel radiation detector. Additionally, we indicate the following.

1. Мощность импульсного лазерного источника с электронной накачкой ограничена вследствие того, что импульсный сканирующий лазер, используемый в прототипе (патент РФ №2126575, разработчик - НИИ "Платан", г.Фрязино, Московской обл.) используется в системах отображения информации, растровой оптической микроскопии и других сферах, не связанных с лазерным сканированием пространства на значительные расстояния. Основной задачей, решаемой устройством (патент №21265753) является уменьшение расходимости излучения лазерного электронно-лучевого прибора, но не повышение мощности лазерного источника. Очевидно, что одновременное совмещение функции развертки луча с использованием электронной накачки на излучающем экране с функцией повышения мощности импульса луча невозможно.1. The power of a pulsed laser source with electronic pumping is limited due to the fact that the pulsed scanning laser used in the prototype (RF patent No. 2126575, developed by the Research Institute Platan, Fryazino, Moscow Region) is used in information display systems, raster optical microscopy and other areas not related to laser scanning of space over significant distances. The main problem solved by the device (patent No. 21265753) is to reduce the divergence of the radiation of a laser electron-beam device, but not to increase the power of the laser source. Obviously, the simultaneous combination of the beam sweep function using electronic pumping on a radiating screen with the function of increasing the beam pulse power is impossible.

2. Невысокая информативная емкость поступающего сигнала связана с регистрацией отраженного луча на незначительной площади одноканального приемного устройства. Кроме того, чувствительность существующих фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не превосходит 10 мА/лм, как сказано в описании прототипа.2. The low informative capacity of the incoming signal is associated with the registration of the reflected beam on a small area of a single-channel receiving device. In addition, the sensitivity of existing photomultiplier tubes (PMTs) does not exceed 10 mA / lm, as stated in the description of the prototype.

Предлагаемая полезная модель решает задачу автоматического слежения за протяженным объектом с определением его геометрического портрета. Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение информационной емкости поступающего сигнала за счет использования специальной схемы сканирования луча и многоканального приема вторичного излучения, а также повышение дальности устойчивого сопровождения за счет увеличения мощности сканирующего импульса. Вследствие этого обеспечиваются условия для формирования геометрического портрета протяженного объекта.The proposed utility model solves the problem of automatically tracking an extended object with the definition of its geometric portrait. The new achieved technical result of the proposed device is to increase the information capacity of the incoming signal through the use of a special beam scanning scheme and multichannel reception of secondary radiation, as well as increasing the range of stable tracking by increasing the power of the scanning pulse. As a result, conditions are provided for the formation of a geometric portrait of an extended object.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для слежения за объектом, содержащем импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси импульсного источника, приемник излучения, отраженного от исследуемого объекта, с приемной оптикой и блок управления, в отличие от прототипа, импульсный источник излучения включает в себя лазер со стеклянной активной средой, объектив и блок развертки и модуляции, состоящий из светонепроницаемой камеры, приемного зеркала, вибрирующего зеркала, вибратора и модулятора, вибрирующее зеркало за счет магнитного вибратора обеспечивает колебание луча в вертикальном направлении (развертку луча), модулятор делит период развертки на несколько импульсов для увеличения частоты сканирующих импульсов, приемное устройство, жестко соединенное с источником излучения, выполнено в виде измерительной камеры, состоящей из светонепроницаемого корпуса, телескопического объектива с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели, включающей матрицу линз и матрицу ИК-модулей; при этом источник излучения вместе с измерительной камерой установлены на основании, осуществляющем колебательное вращение относительно подвижной платформы в горизонтальном направлении, в свою очередь подвижная платформа установлена на неподвижной платформе и относительно нее может производить разворот в вертикальном направлении; для осуществления вращения в горизонтальном и вертикальном направлениях измерительной камеры используются электроприводы с шаговыми исполнительными двигателями, сигналы с выходов ИК-модулей поступают на вход микропроцессорного блока управления, содержащего собственно микропроцессорный блок и цифровое индикаторное устройство, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам электроприводов горизонтального и вертикального наведения соответственно, третий выход блока управления соединен с управляющим входом телескопического объектива, а четвертый выход - связан с информационным входом монитора.A new technical result is achieved by the fact that in the device for tracking an object containing a pulsed radiation source with forming optics mounted on the optical axis of the pulsed source, a radiation receiver reflected from the object under study, with receiving optics and a control unit, in contrast to the prototype, is pulsed the radiation source includes a laser with a glass active medium, a lens and a scan and modulation unit, consisting of a lightproof camera, a receiving mirror, a vibrating mirror, a vibrator and modulator, the vibrating mirror due to the magnetic vibrator provides the beam oscillation in the vertical direction (beam scan), the modulator divides the scan period into several pulses to increase the frequency of the scanning pulses, the receiving device, rigidly connected to the radiation source, is made in the form of a measuring chamber consisting of a lightproof a body, a telescopic lens with a controlled focal length, a measuring panel that includes a matrix of lenses and a matrix of IR modules; wherein the radiation source, together with the measuring chamber, is mounted on a base oscillating in rotation with respect to the movable platform in the horizontal direction, in turn, the movable platform is mounted on the fixed platform and can rotate in the vertical direction relative to it; for the rotation in the horizontal and vertical directions of the measuring chamber, electric drives are used with stepper actuators, the signals from the outputs of the IR modules are fed to the input of the microprocessor control unit containing the microprocessor unit and a digital indicator device, the first and second outputs of the control unit are connected to the control inputs of the electric drives horizontal and vertical guidance, respectively, the third output of the control unit is connected to the control input m of a telescopic lens, and the fourth output is connected to the information input of the monitor.

На фиг.1 представлена схема функциональная устройства слежения за протяженным объектом.Figure 1 presents a functional diagram of a device for tracking an extended object.

На фиг.2 изображена конструктивная схема блока развертки и модуляции в разрезе.Figure 2 shows a structural diagram of the scanner and modulation in section.

На фиг.3 изображена схема электрическая принципиальная одного ИК-модуля, представляющего собой ячейку измерительной матрицы.Figure 3 shows the electrical circuit diagram of one IR module, which is a cell of the measuring matrix.

На фиг.4 представлена схема структурная электрическая матрицы оптронов, являющихся выходными элементами измерительной матрицы.Figure 4 presents a diagram of the structural electric matrix of optocouplers, which are the output elements of the measuring matrix.

Оптическое устройство слежения за протяженным объектом содержит (фиг.1): импульсный сканирующий лазер (лазерную пушку) 1, объектив 2, блок развертки и модуляции 3, измерительную камеру 4, состоящую из светонепроницаемого корпуса 4, телескопического объектива 5 с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели 6, состоящей из матрицы линз и матрицы ИК-модулей, основание 7, подвижную платформу 8, неподвижную платформу 9, электроприводы горизонтального и вертикального вращения 10, микропроцессорный блок управления (МБУ) с цифровым индикаторным устройством 11, монитор 12.An optical device for tracking an extended object contains (Fig. 1): a pulsed scanning laser (laser gun) 1, a lens 2, a scan and modulation unit 3, a measuring chamber 4, consisting of an opaque housing 4, a telescopic lens 5 with a controlled focal length, a measuring panel 6, consisting of a matrix of lenses and a matrix of IR modules, base 7, moving platform 8, fixed platform 9, electric drives of horizontal and vertical rotation 10, microprocessor control unit (MBU) with a digital indicator device 11, monitor 12.

Оптическое устройство слежения за протяженным объектом может быть выполнено следующим образом.An optical device for tracking an extended object can be performed as follows.

Импульсный сканирующий лазер (лазерная пушка) представляет собой лазер со стеклянной активной средой Na-Са-Si с примесью трехвалентного неодима Nd³⁺.A pulsed scanning laser (laser gun) is a laser with a glass active medium Na-Ca-Si mixed with trivalent neodymium Nd ³⁺ .

Стеклянная среда обладает рядом специфических свойств. Это материал, имеющий высокие оптические свойства и позволяющий в широких пределах варьировать размеры и форму рабочего тела. Лазеры на стекле могут быть выполнены в виде тонких волокон диаметром несколько микрон, а также в виде круглых стержней диаметром несколько сантиметров и длиной до двух метров. Стекло хорошо подходит для генерации импульсов с высокой энергией излучения.Glass medium has a number of specific properties. This material has high optical properties and allows a wide range to vary the size and shape of the working fluid. Lasers on glass can be made in the form of thin fibers with a diameter of several microns, as well as in the form of round rods with a diameter of several centimeters and a length of up to two meters. Glass is well suited for the generation of pulses with high energy radiation.

Диапазон длин волн на стеклах составляет от 0,92 до 1,66 мкм. Лазер на ионе N³⁺ можно выполнить на длины волны излучения от 0,92 до 1,37 мкм. Генерация на неодиме для силикатного стекла Na-Са-Si обеспечивает длину волны 0,92 мкм. При наиболее эффективном отношении длины стержня к диаметру энергия стеклянных лазеров в режиме свободной генерации может достигать 150 Дж за импульс при длительности импульса 0,2…3 мс. В предлагаемом устройстве длительность импульса 0,28 мс, период подачи импульсов 0,56 мс. В устройстве генератор импульсов накачки лазера связан с генератором развертки, при этом длительность импульсов лазера совпадает с длительностью развертки. Так как для приемного устройства требуются импульсы излучения с тактовой частотой 36 кГц, для согласования сканируемых импульсов и приемного устройства отраженных импульсов их длительность должна быть равна 1/36000=0,028 мс. Таким образом, задачей модулятора является деление периода развертки на 0,28/0,028=10 частей. К.п.д. преобразования электрической энергии, подводимой к импульсной лампе накачки, в энергию оптического излучения лазеров на неодимовом стекле может превышать 5%. Мощность излучения лазера в импульсе достигает 10⁵ т.The wavelength range on the glasses is from 0.92 to 1.66 microns. A laser using an N ³⁺ ion can be performed at radiation wavelengths from 0.92 to 1.37 microns. Neodymium generation for Na-Ca-Si silicate glass provides a wavelength of 0.92 μm. With the most effective ratio of the length of the rod to the diameter, the energy of glass lasers in the free-running mode can reach 150 J per pulse with a pulse duration of 0.2 ... 3 ms. In the proposed device, the pulse duration of 0.28 ms, the pulse supply period of 0.56 ms. In the device, the laser pump pulse generator is connected to a scan generator, and the laser pulse duration coincides with the scan duration. Since the receiving device requires radiation pulses with a clock frequency of 36 kHz, to match the scanned pulses and the receiving device of the reflected pulses, their duration must be equal to 1/36000 = 0.028 ms. Thus, the modulator's task is to divide the sweep period by 0.28 / 0.028 = 10 parts. C.p.d. the conversion of electrical energy supplied to a pulsed pump lamp into the energy of optical radiation from neodymium glass lasers can exceed 5%. The laser radiation power in a pulse reaches 10 ⁵ t.

Для обеспечения развертки лазерного луча в вертикальном направлении на угол до 30° и его модуляции он проходит через блок развертки и модуляции (фиг.2), состоящий из светонепроницаемой камеры 1 со входным отверстием для прохождения сканирующего луча, приемного зеркала 2, вибрирующего зеркала 3, вибратора, состоящего из магнитных подошв 4, пластинчатой пружины 5 и двух катушек индуктивности 6 и модулятора 7, состоящего из пяти объективов, расположенных на пути прохождения луча лазера при своем колебании.To ensure the scanning of the laser beam in a vertical direction at an angle of up to 30 ° and its modulation, it passes through a scan and modulation unit (Fig. 2), consisting of a lightproof camera 1 with an inlet for the passage of the scanning beam, a receiving mirror 2, a vibrating mirror 3, a vibrator consisting of magnetic soles 4, a leaf spring 5 and two inductors 6 and a modulator 7, consisting of five lenses located on the path of the laser beam during its oscillation.

При подаче на катушки 6 импульсного напряжения (поочередно по времени) происходит вибрация зеркала 3, благодаря чему совершаются колебания сканирующего луча в вертикальном направлении. При прохождении через объективы модулятора 7 происходит деление сканирующего импульса лазера на импульсы излучения периодом 0,028 мс.When a pulse voltage is applied to the coils 6 (alternately in time), the mirror 3 vibrates, due to which the scanning beam oscillates in the vertical direction. When passing through the lenses of the modulator 7, the scanning laser pulse is divided into radiation pulses with a period of 0.028 ms.

Габаритные размеры измерительной камеры около 450×450×600 мм. Телеобъектив измерительной камеры - зеркально-линзовый с переменным управляемым фокусным расстоянием. Фокусное расстояние меняется от 50 до 1500, то есть кратность фокусного расстояния 1500/50=30^×. Приближенные габаритные размеры измерительной панели могут быть следующие: 400×400×110 мм, количество ИК-модулей (ячеек оптронов) - 2500 (матрица 50×50). В матрице линз каждая выпуклая линза имеет квадратную форму с размерами около 8×8 мм и фокусным расстоянием около 25 мм.The overall dimensions of the measuring chamber are about 450 × 450 × 600 mm. The telephoto lens of the measuring camera is a mirror-lens with a variable controlled focal length. The focal length varies from 50 to 1500, that is, the focal length ratio of 1500/50 = 30 ^× . The approximate overall dimensions of the measuring panel can be as follows: 400 × 400 × 110 mm, the number of IR modules (cells of optocouplers) - 2500 (matrix 50 × 50). In the lens array, each convex lens has a square shape with dimensions of about 8 × 8 mm and a focal length of about 25 mm.

Если отраженные от объекта импульсы лазерного излучения длиной волны 0,92-0,95 мкм и периодом 0,028 мс, проходя через объектив 5 (рис.1), поступают на один из секторов матрицы линз измерительной панели 6, то они попадают на входной фотодиод VD одной из матриц ИК-модулей (фиг.3).If laser pulses reflected from the object with a wavelength of 0.92-0.95 μm and a period of 0.028 ms, passing through the lens 5 (Fig. 1), arrive at one of the sectors of the lens array of the measuring panel 6, then they get to the input photodiode VD one of the matrices of IR modules (figure 3).

На фотодиоде VD происходит преобразование информационного сигнала из оптического в электрический. Далее он буферным каскадом усиливается, фильтруется (для повышения помехоустойчивости) и формируется в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами на выходе. Система автоматической регулировки (АРУ) компенсирует фоновую засветку фотодиода. Калибровка АРУ сделана в паузах между импульсами, поэтому микросхема не реагирует на непрерывную помеху даже на рабочей частоте.On the VD photodiode, the information signal is converted from optical to electrical. Then it is amplified by a buffer cascade, filtered (to increase noise immunity) and formed into rectangular pulses with steep edges at the output. The automatic control system (AGC) compensates for the background illumination of the photodiode. The AGC calibration was made in the intervals between pulses, so the microcircuit does not respond to continuous interference even at the operating frequency.

Благодаря интегратору и компаратору с гистерезисом в схеме обеспечивается защита от появления неконтролируемых выходных импульсов. В исходном состоянии, пока нет ИК-сигналов - выходной транзистор закрыт и на выходе будет напряжение, близкое к питанию. При подаче оптических импульсов длиной волны 0,92-0,95 мкм на фотодиод VD выходной транзистор открывается и потенциалы точек 1 и 3 становятся равными. При этом МДП-транзистор VT1 закрывается и на вход оптопары U1 поступает напряжение, в результате которого открывается ключ соответствующей ячейки матрицы оптронов (фиг.4).Thanks to the integrator and comparator with hysteresis in the circuit, protection against the appearance of uncontrolled output pulses is provided. In the initial state, while there are no IR signals, the output transistor is closed and the output will have a voltage close to the power supply. When optical pulses of 0.92-0.95 μm wavelength are applied to the VD photodiode, the output transistor opens and the potentials of points 1 and 3 become equal. When this MIS transistor VT1 is closed and the input of the optocoupler U1 receives voltage, which opens the key of the corresponding cell of the matrix of optocouplers (figure 4).

В матрице оптронов управляемые ключи-оптроны расположены на пересечении горизонтальных и вертикальных шин. Горизонтальные шины соединены с выходами регистра горизонтальных шин (РГШ) - распределителя импульсов, выполненного по схеме кольцевого регистра. Микросхемы К176ТМ1, которые используются в регистре, являются D-триггерами с динамическим управлением. Их количество равно количеству горизонтальных шин, то есть 50.In the matrix of optocouplers, controlled optocoupler keys are located at the intersection of horizontal and vertical buses. Horizontal buses are connected to the outputs of the register of horizontal tires (RGSh) - pulse distributor, made according to the scheme of the circular register. Chips K176TM1, which are used in the register, are D-triggers with dynamic control. Their number is equal to the number of horizontal tires, i.e. 50.

Опрос вертикальных шин происходит с помощью регистра вертикальных шин (РВШ) - кольцевого регистра, выполненного аналогично на таких же микросхемах (D-триггерах К176ТМ1). На вход этого регистра поступают счетные импульсы частотой около 10000 Гц, с такой же частотой происходит опрос вертикальных шин. Счетные импульсы, поступающие на вход регистра горизонтальных шин, снимаются с одного из выходов регистра вертикальных шин, то есть частота их в 50 раз меньше (10000/50=200 Гц). Таким образом, период всего цикла обхода шин (опроса всех ячеек) составляет Interrogation of vertical tires occurs using the register of vertical tires (RVSh) - a circular register, performed similarly on the same microcircuits (D-flip-flops K176TM1). The input of this register receives counting pulses with a frequency of about 10,000 Hz, and vertical buses are interrogated with the same frequency. The counting pulses arriving at the input of the horizontal bus register are removed from one of the outputs of the vertical bus register, that is, their frequency is 50 times less (10000/50 = 200 Hz). Thus, the period of the entire cycle of bypassing tires (polling all cells) is

При открывании ключей-оптронов в результате засветки фотодиодов логическая «1» (+напряжения питания) через открытые ключи поступает с соответствующих горизонтальных шин на вертикальную шину (рис.4) и, если в это время на одном из выходов регистра Q опроса вертикальных шин появляется единица, то на выходе соответствующей ячейки «И» в этот промежуток времени также возникнет «1», которая через выходной элемент «ИЛИ» поступает на вход системы управления 11 (рис.1). МСУ анализирует, какие импульсы из полного цикла опроса матрицы (всего 2500 импульсов) соответствуют засветке фотодиодов (то есть несут в себе «I» информации), какие импульсы несут в себе «0» информации. При сравнительном анализе через определенные интервалы времени всей совокупности поступающей информации определяются те ячейки матрицы, которые свойственны движущимся предметам, попавшим в «поле зрения» измерительной панели. На основании такого анализа формируется «образ» объекта, который после обработки в МСУ может быть воспроизведен на экране монитора 12.When the optocoupler keys are opened as a result of photodiode illumination, the logical “1” (+ supply voltage) through the public keys comes from the corresponding horizontal buses to the vertical bus (Fig. 4) and, if at that time, one of the outputs of the register Q of the vertical bus poll appears unit, then at the output of the corresponding cell “AND”, “1” will also appear in this period of time, which through the output element “OR” is fed to the input of the control system 11 (Fig. 1). The MSU analyzes which pulses from the full matrix polling cycle (2500 pulses in total) correspond to the photodiode illumination (that is, they carry “I” information), which pulses carry “0” information. In a comparative analysis, at certain time intervals, the entire set of incoming information determines those cells of the matrix that are characteristic of moving objects that fall into the "field of view" of the measuring panel. Based on this analysis, an “image” of the object is formed, which, after processing in the ISU, can be reproduced on the monitor screen 12.

Для лучшего воспроизведения «образа» объекта, для возрастания разрешающей способности изображения необходимо увеличивать количество ячеек матрицы. Например, при увеличении разрядности регистра вдвое (до 100) количество ячеек для воспроизведения «образа» объекта увеличивается до 10000, то есть разрешающая способность увеличивается в 10000/2500=4 раза, то есть разрешающая способность увеличивается в квадратной зависимости от геометрических размеров матрицы.For better reproduction of the "image" of the object, to increase the resolution of the image, it is necessary to increase the number of matrix cells. For example, when the register bit is doubled (up to 100), the number of cells for reproducing the “image” of the object increases to 10000, that is, the resolution increases by 10,000 / 2,500 = 4 times, that is, the resolution increases in square dependence on the geometric dimensions of the matrix.

В исходном состоянии основание 7 вместе с измерительной панелью 6 и излучателя 1 с помощью электропривода горизонтального вращения совершает возвратно-вращательное движение относительно подвижной платформы 8 (фиг.1), при котором угол поворота в горизонтальном направлении доходит до 180°. При этом каждый цикл поворота в горизонтальном направлении осуществляется при соответствующем значении фокусного расстояния f телеобъектива, для этого, начиная с f=50 мм для первого цикла поворота, МСУ подает команду на следующий цикл на увеличение фокусного расстояния на 50 мм. То есть следующий цикл поворота произойдет уже с фокусным расстоянием объектива f=100 мм и т.д. При каждом цикле МБУ осуществляет проверку поступающей информации на условие «резкости изображения», программа такого условия также входит в состав программного обеспечения процессора. При обнаружении отраженных от объекта импульсов ИК-излучения, МБУ дожидается цикла поворота, соответствующему «резкому изображению», определяет направление на источник отраженного сигнала и уменьшает амплитуду колебаний. Осуществляется оптимальное регулирование направления и амплитуды колебаний. МБУ входит в режим активного слежения, при котором измерительная панель направлена на объект слежения и относительно этого направления производит незначительные угловые колебания.In the initial state, the base 7 together with the measuring panel 6 and the emitter 1 by means of an electric horizontal rotation motor makes a reverse-rotational motion relative to the movable platform 8 (Fig.1), in which the angle of rotation in the horizontal direction reaches 180 °. In this case, each rotation cycle in the horizontal direction is carried out with the corresponding focal length f of the telephoto lens, for this, starting with f = 50 mm for the first rotation cycle, the ISU gives a command for the next cycle to increase the focal length by 50 mm. That is, the next rotation cycle will occur already with the focal length of the lens f = 100 mm, etc. At each cycle, the MBU checks the incoming information for the condition of “sharpness of the image”, the program of this condition is also included in the software of the processor. When detecting infrared pulses reflected from the object, the MBU waits for the rotation cycle corresponding to the “sharp image”, determines the direction to the source of the reflected signal and reduces the amplitude of the oscillations. Optimal regulation of the direction and amplitude of oscillations is carried out. The MBU enters the active tracking mode, in which the measuring panel is directed at the tracking object and produces insignificant angular oscillations relative to this direction.

МБУ производит также оценку смещения отраженных от объекта импульсов ИК-излучения в вертикальном направлении. Для устранения углового вертикального смещения относительно направления на объект с выхода МБУ поступает управляющее воздействие на электропривод вертикального вращения, посредством которого подвижная платформа 8 (фиг.1), а вместе с ней и основание 7 с измерительной камерой 4 и лазерным излучателем 1 поворачиваются относительно неподвижной платформы 9 на угол, необходимый для устранения углового вертикального смещения относительно направления на объект.The MBU also evaluates the vertical displacement of the infrared radiation pulses reflected from the object. To eliminate the angular vertical displacement relative to the direction of the object from the output of the MBU, a control action is applied to the electric drive of vertical rotation, through which the movable platform 8 (Fig. 1), and with it the base 7 with the measuring chamber 4 and the laser emitter 1 are rotated relative to the stationary platform 9 by the angle necessary to eliminate the angular vertical displacement relative to the direction of the object.

При анализе «образа» объекта МБУ учитывает, что ряд ячеек могут быть совсем не засвечены ИК излучением - логический «0», ряд ячеек засвечены полностью (превосходит некоторый заданный уровень освещенности) - логическая «1», а ряд ячеек за несколько циклов сканирования могут менять свой уровень от «0» к «1», то есть возможны колебания между «0» и «1». Система управления интегрирует эти оценки и выдает на монитор точку серого цвета той или иной интенсивности. То есть образ объекта получается более полный, с возможными оттенками.When analyzing the "image" of an object, the MBU takes into account that a number of cells may not be illuminated at all by infrared radiation - a logical "0", a number of cells that are fully illuminated (exceeds a certain predetermined level of illumination) - a logical "1", and a number of cells over several scanning cycles can change your level from “0” to “1”, that is, fluctuations between “0” and “1” are possible. The control system integrates these estimates and gives a gray dot of a certain intensity to the monitor. That is, the image of the object is more complete, with possible shades.

С учетом всей совокупности выполняемых устройством функций новым техническим результатом является:Given the totality of the functions performed by the device, the new technical result is:

1. Существенное повышение информационной емкости поступающего сигнала в единицу времени о лоцируемом объекте, что необходимо для построения в МБУ геометрического портрета и более полной и достоверной идентификации объекта. Данный эффект достигается за счет увеличения совокупной площади приемного устройства и использования матрицы линз и матрицы ИК-модулей.1. A significant increase in the information capacity of the incoming signal per unit time about the location of the object, which is necessary to build a geometric portrait in the MBU and a more complete and reliable identification of the object. This effect is achieved by increasing the total area of the receiving device and using a matrix of lenses and a matrix of IR modules.

2. Увеличение общей пространственной зоны (поиска и слежения) при сохранении высокой разрешающей способности и скорости сопровождения объекта. Это достигается за счет использования двух направлений поиска и слежения за объектом (по горизонтальному и вертикальному каналам).2. An increase in the overall spatial zone (search and tracking) while maintaining high resolution and speed of tracking the object. This is achieved through the use of two directions of search and tracking the object (along the horizontal and vertical channels).

3. Повышение дальности действия устройства без потери достоверности информации за счет применения импульсного лазерного излучателя (лазерной пушки) большой мощности и высокой чувствительности приемного устройства. По предварительной оценке авторов полезной модели, дальность достоверного обнаружения при удовлетворительных атмосферных условиях может быть доведена до 12000-15000 метров.3. Increasing the range of the device without loss of reliability of information through the use of a pulsed laser emitter (laser gun) of high power and high sensitivity of the receiving device. According to a preliminary assessment of the authors of the utility model, the range of reliable detection under satisfactory atmospheric conditions can be brought up to 12000-15000 meters.

Источники информации:Information sources:

1. Патент RU 2115955C1 G08G 9/00, G05D 1/12, 1998.1. Patent RU 2115955C1 G08G 9/00, G05D 1/12, 1998.

2. Реферат №1347725. G01S 17/00, 1999.2. Abstract No. 1347725. G01S 17/00, 1999.

3. Патент RU 2263931 С1 (прототип) G01S 17/02, G02В 23/12, 20043. Patent RU 2263931 C1 (prototype) G01S 17/02, G02B 23/12, 2004

4. Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988.4. Ivanov V.I. and other semiconductor optoelectronic devices: a Handbook. - M .: Energoatomizdat, 1988.

5. Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991.5. Password N.V., Kaydalov S.A. Photosensitive devices and their application: Handbook. - M .: Radio and communications, 1991.

Claims (1)

Оптическое устройство слежения за протяженным объектом, содержащее импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси импульсного источника, приемник излучения, отраженного от протяженного объекта с приемной оптикой и блок управления, отличающееся тем, что импульсный источник излучения включает в себя сканирующий лазер, объектив и блок развертки и модуляции, состоящий из светонепроницаемой камеры, приемного зеркала, вибрирующего зеркала, вибратора и модулятора, а приемник излучения, жестко связанный с источником излучения, выполнен в виде измерительной камеры, состоящей из светонепроницаемого корпуса, телескопического объектива с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели, включающей матрицу линз и матрицу ИК-модулей, при этом измерительная панель установлена на основании, осуществляющем угловые колебания относительно подвижной платформы в горизонтальном направлении, а подвижная платформа установлена на неподвижной платформе и относительно нее может производить разворот в вертикальном направлении, при этом для осуществления вращения в горизонтальном и вертикальном направлениях используются синхронные электроприводы с шаговыми исполнительными двигателями, выход измерительной панели подключен ко входу микропроцессорного блока управления с цифровым индикаторным устройством, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам электроприводов горизонтального и вертикального наведения соответственно, третий выход блока управления соединен с управляющим входом телескопического объектива, а четвертый выход связан с информационным входом монитора.

An optical device for tracking an extended object, comprising a pulsed radiation source with forming optics mounted on the optical axis of the pulsed source, a radiation receiver reflected from an extended object with receiving optics, and a control unit, characterized in that the pulsed radiation source includes a scanning laser, a lens and a scan and modulation unit, consisting of a lightproof camera, a receiving mirror, a vibrating mirror, a vibrator and a modulator, and a radiation receiver, rigidly connected with a radiation source, made in the form of a measuring chamber, consisting of a light-tight housing, a telescopic lens with a controlled focal length, a measuring panel including an array of lenses and a matrix of IR modules, while the measuring panel is mounted on a base that performs angular oscillations relative to the moving platform in horizontal direction, and the movable platform is mounted on a fixed platform and relative to it can make a turn in the vertical direction, while for For horizontal and vertical rotation, synchronous electric drives with stepper actuators are used, the output of the measuring panel is connected to the input of the microprocessor control unit with a digital indicator device, the first and second outputs of the control unit are connected to the control inputs of horizontal and vertical guidance electric drives, respectively, the third output of the control unit connected to the control input of the telescopic lens, and the fourth output is connected to inform monitor input.