АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01S3/78 G01S17/00 G01C3/08 

Изобретение относится к технике оптико-электронных устройств, предназначенных для наблюдения при пониженном уровне освещенности, в частности для работы горноспасателей, для обеспечения подземной добычи полезных ископаемых, вождения ночью при пониженной прозрачности атмосферы высокоскоростных железнодорожных составов.

Известно устройство визуализации изображения [1] Оно содержит последовательно установленные вдоль оптической оси объектив, электронно-оптический преобразователь и окуляр.

Это устройство позволяет работать при пониженном уровне освещенности, но не в условиях абсолютной темноты. Кроме того, оно неработоспособно при пониженной прозрачности среды, в которой ведется наблюдение (дымка, туман, пыль), а при воздействии световых помех (светильники, фонари, пламя и т.д.) устройство засвечивается и видимость через него пропадает.

Известен активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения [2] содержащий последовательно соединенные блок накачки импульсного лазерного излучателя и импульсный лазерный излучатель, объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный излучатель, последовательно расположенные и оптически сопряженные объектив, импульсный электронно-оптический преобразователь, окуляр, формирователь высоковольтных импульсов, соединенный выходом с затвором импульсного электронно-оптического преобразователя, и последовательно соединенные задающий генератор и блок регулируемой задержки.

Этот прибор может работать как в известном режиме (т.е. без подсвета), так и в активно-импульсном режиме (т.е. с импульсным подсветом наблюдаемого объекта и синхронизированным с ним импульсным управлением стробированием затвором импульсного электронно-оптического преобразователя). Прибор может работать при абсолютной темноте, при пониженной прозрачности среды наблюдения (дымка, туман, дождь, пыль и т.д.) и при воздействии световых помех. Для эффективной работы при пониженной прозрачности и в условиях световых помех стробирующие импульсы имеют малую длительность.

Недостатком этого прибора является нестабильность временного положения стробирующих импульсов, управляющих затвором электронно-оптического преобразователя.

Технико-экономическим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения объекта наблюдения за счет стабилизации временного положения стробирующих импульсов.

Указанный технико-экономический результат достигается тем, что активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения, содержащий последовательно соединенные блок накачки импульсного лазерного излучателя и импульсный лазерный излучатель, объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный излучатель, последовательно расположенные и оптически сопряженные объектив, импульсный электронно-оптический преобразователь и окуляр, формирователь высоковольтных импульсов, соединенный выходом с затвором импульсного электронно-оптического преобразователя, и последовательно соединенные задающий генератор и блок регулируемой задержки, снабжен последовательно соединенными первой линией задержки, первым формирователем импульсов и блоком автоподстройки временного положения импульсов, а также вторым формирователем импульсов, блоком автоматической регулировки задержки и второй линией задержки, соединенной входом с выходом задающего генератора импульсов, а выходом с входом блока накачки импульсного лазерного излучателя, при этом первая линия задержки соединена выходом с входом блока регулируемой задержки, второй формирователь импульсов соединен входом с выходом формирователя высоковольтных импульсов, а выходом с вторым входом блока автоподстройки временного положения импульсов, соединенного выходом с первым входом блока автоматической регулировки задержки, который вторым входом соединен с выходом блока регулируемой задержки, а выходом с входом формирователя высоковольтных импульсов.

Кроме того, технико-экономический результат достигается тем, что блок автоматической подстройки временного положения импульсов выполнен в виде последовательно соединенных детектора совпадений импульсов, дифференциального усилителя и фильтра нижних частот, выход которого является выходом блока автоподстройки временного положения импульсов, входами которого являются входы детектора совпадений импульсов.

На фиг.1 представлена схема активно-импульсного оптико-электронного прибора визуализации изображения; на фиг.2 функциональная схема блока автоподстройки временного положения импульсов; на фиг.3 представлен пример реализации блока автоматической регулировки задержки; на фиг.4 представлены диаграммы прохождения сигналов в блоке автоподстройки временного положения импульсов при опережении импульсов на выходе формирователя высоковольтных импульсов по сравнению с импульсом с выхода блока регулируемой задержки; на фиг. 5 временные диаграммы прохождения сигналов в блоке автоподстройки временного положения импульсов при отставании импульсов на выходе формирователя высоковольтных импульсов по отношению к выходу блока регулируемой задержки; на фиг. 6 временные диаграммы прохождения сигналов в блоке автоматической регулировки задержки.

Активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения содержит импульсный лазерный излучатель 1, блок 2 накачки импульсного лазерного излучателя, объектив 3 формирования излучения, объектив 4, импульсный электронно-оптический преобразователь 5, окуляр 6, задающий генератор 7 импульсов, блок 8 регулируемой задержки, формирователь 9 высоковольтных импульсов, первую линию 10 задержки, первый формирователь 11 импульсов, блок 12 автоподстройки временного положения импульсов, второй формирователь 13 импульсов, блок 13 автоматической регулировки задержки и вторую линию 15 задержки.

Блок 2 накачки импульсного лазерного излучателя 1 и импульсный лазерный излучатель 1 соединены последовательно, объектив 3 формирования излучения сфокусирован на импульсный лазерный излучатель. Объектив 4, импульсный электронно-оптический преобразователь 5 и окуляр 6 последовательно расположены и оптически сопряжены. Формирователь 9 высоковольтных импульсов соединен выходом с затвором импульсного электронно-оптического преобразователя 5. Задающий генератор 7 и блок 8 регулируемой задержки соединены последовательно. Первая линия 10 задержки, первый формирователь 11 импульсов и блок 12 автоподстройки временного положения импульсов соединены последовательно, вторая линия 15 задержки соединена входом с выходом задающего генератора 7 импульсов, а выходом с входом блока 2 накачки импульсного излучателя 1. Первая линия 10 задержки соединена входом с выходом блока 8 регулируемой задержки. Второй формирователь 13 импульсов соединен входом с выходом формирователя 9 высоковольтных импульсов, а выходом с вторым входом блока 12 автоподстройки временного положения импульсов, соединенного с первым входом блока 14 автоматической регулировки задержки, который вторым входом соединен с выходом блока 8 регулируемой задержки, а выходом с входом формирователя 9 высоковольтных импульсов.

Блок 12 автоподстройки временного положения импульсов (фиг.2) выполнен в виде последовательно соединенных детектора 16 временного совпадения импульсов, дифференциального усилителя 17 и фильтра 18 нижних частот, выход которого является выходом блока автоподстройки временного положения импульсов. Входами последнего являются входы детектора 16 временного совпадения импульсов, в состав которого входят первый 19 и второй 20 RS-триггеры и логический элемент И 21. Дифференциальный усилитель 17 выполнен в виде операционного усилителя 22, резисторов 23-25. Фильтр 18 нижних частот выполнен в виде операционного усилителя 27, резисторов 28-30 и конденсаторов 31,32.

Блок 14 автоматической регулировки задержки (фиг.3) выполнен в виде RS-триггера 33, ключа 34, источника 35 постоянного тока, накопительного конденсатора 36, аналогового компаратора 37, формирователя 38 импульсов. Выход RS-триггера 33 через ключ 34 подключен к источнику 35 тока и к накопительному конденсатору 36, другой контакт которого объединен с вторым входом ключа 34 и заземлен, и к первому входу аналогового компаратора 37, второй вход которого является первым входом блока 14 автоматической регулировки задержки, а выход подключен к формирователю 38 импульсов. Выход последнего является выходом блока 14 автоматической регулировки задержки и подключен к R-входу RS-триггера 33, S-вход которого является вторым входом блока 14 автоматической регулировки задержки.

Активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения работает следующим образом.

При функционировании в пассивном режиме излучение, определяемое уровнем естественной освещенности, отражается от наблюдаемого объекта и окружающего его фона и поступает в объектив 4, который формирует изображение объекта и фона на фотокатоде электронно-оптического преобразователя 5. Последний работает в непрерывном (статическом) режиме. Он преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости. Изображение наблюдается с экрана электронно-оптического преобразователя через окуляр 6.

При работе в активно-импульсном режиме задающий генератор 7 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на входы блока 8 регулируемой задержки, а также через вторую линию 15 задержки на вход блока 2 накачки импульсного лазерного излучателя 1. Вторая линия 15 задержки служит для компенсации задержки, создаваемой блоками 8,9 при работе на малых расстояниях. Блок 2 накачки генерирует мощные импульсы тока, которыми возбуждается излучатель 1, генерирующий соответствующие им импульсы излучения. Это излучение коллимируется и направляется в сторону наблюдаемого объекта, с помощью объектива 3 формирования излучения отраженные от объекта импульсы излучения поступают в объектив, который формирует изображение объекта на фотокатоде электронно-оптического преобразователя 5. Последний работает при этом в импульсном (динамическом) режиме. Затвор электронно-оптического преобразователя 5 закрыт и открывается только в момент прихода на фотокатод электронно-оптического преобразователя 5 импульса излучения, отраженного от цели. Длительность открытого состояния затвора электронно-оптического преобразователя (длительность строба) равна длительности импульса излучения (2-3)˙10^-8 с. Для того, чтобы затвор электронно-оптического преобразователя 5 открывался именно в момент прихода на фотокатод электронно-оптического преобразователя импульса излучения, в устройстве вводится плавно регулируемая временная задержка между моментом генерации импульса излучения излучателем и моментом отпирания затвора электронно-оптического преобразователя. Для создания такой задержки служит блок 8 регулируемой задержки, который обеспечивает задержку пропускания от задающего генератора 7 импульсов к формирователю 9 высоковольтных импульсов. Регулирование времени задержки осуществляется оператором, с выхода блока 8 регулируемой задержки импульсный сигнал, задержанный на величину τ_р, соответствующую дальности до наблюдаемого объекта, через последовательно соединенные блок 14 автоматической регулировки и формирователь 9 высоковольтных импульсов поступает на затвор электронно-оптического преобразователя 5, открывая его в момент прихода световых импульсов, отраженных от наблюдаемого объекта. При этом имеет место дополнительная задержка импульсов, вносимая формирователем 9 высоковольтных импульсов и блоком 14 автоматической регулировки задержки, равная
τ_доп τ_ф + τ_А, где τ_ф задержка, вносимая формирователем 9 высоковольтных импульсов;
τ_А задержка, вносимая блоком 14 автоматической регулировки задержки.

Задержка τ_ф не является постоянной величиной и зависит от времени включения содержащихся в формирователе 9 высоковольтных импульсов мощных коммутирующих элементов. Для стабилизации времени задержки открывания затвора электронно-оптического преобразователя 5 относительно момента излучения импульсов излучателем 1 служит блок 14 автоматической регулировки задержки. На управляющий вход последнего подается корректирующий сигнал от блока 12 автоподстройки временного положения импульсов, второй вход которого через второй формирователь 13 импульсов подключен к выходу формирователя 9 высоковольтных импульсов, а первый вход через последовательно соединенные первую линию 10 задержки и первый формирователь 11 импульсов подключен к выходу блока 8 регулируемой задержки. При этом в зависимости от временного положения импульсов, поступающих на первый и второй входы блока 12 автоподстройки временного положения импульсов, на выходе этого блока вырабатывается корректирующий сигнал, поступающий на управляющий вход блока автоматической регулировки задержки. В результате указанного управляющего воздействия в устройстве выполняется приближенное равенство
τ_ф + τ_А ≈ τ_л31 const, где τ_л31 задержка, вносимая первой линией 10 задержки.

Степень приближения равенства определяется соответствующим выбором коэффициента усиления блока 12 автоподстройки временного положения импульсов, который работает следующим образом. Ограниченные и дифференцированные импульсы с выхода формирователя 13 импульсов поступают на первый вход блока 12 автоподстройки временного положения импульсов, на второй вход которого поступают аналогичные по форме импульсы с выхода формирователя 11 импульсов. Входы блока 12 являются S-входами RS-триггеров 19 и 20 детектора 16 совпадений импульсов. Исходное состояние RS-триггеров 19 и 20 нулевое. Напряжение на входах соответствует уровню логического "0". Эти напряжения подаются на входы дифференциального усилителя 17, поэтому соответствующее напряжение на выходе последнего также равно нулю. Если импульсы с выходов формирователей 11 и 13 поданы на входы блока 12 одновременно, т.е. имеет место временное совпадение импульсов, оба триггера 19 и 20 принимают единичное состояние. Однако при этом на выходе логического элемента И 21, входы которого подключены к выходам триггеров 19,20, появляется напряжение с уровнем логической "1", которое, будучи приложенным к входам RS-триггеров 19,20, переводит их в нулевое состояние. В результате напряжение на выходе дифференциального усилителя остается равным нулю.

На фиг.4 и 5 даны временные диаграммы работы блока 12. Когда импульсы с выхода формирователя 13 импульсов опережают импульсы, приходящие с выхода формирователя 11 импульсов (фиг.4), триггер 19 переводится в единичное состояние и находится в нем до момента прихода импульса с выхода формирователя 13 импульсов. На первом выходе детектора 16 формируется импульс с амплитудой, соответствующей уровню логической "1",и длительностью, равной временному сдвигу между входными импульсами. Аналогичные импульсы формируются в каждом последующем такте. Поскольку импульсы поступают на инвертирующий вход дифференциального усилителя 22, на его выходе присутствуют импульсы напряжения отрицательной полярности. Фильтр 18 нижних частот, включенный на выходе дифференциального усилителя 17, выделяет постоянную составляющую, которая является корректирующим сигналом, поступающим на первый управляющий вход блока 14 автоматической регулировки задержки. В результате воздействия корректирующего сигнала происходит изменение времени задержки в блоке 14 автоматической регулировки задержки в сторону увеличения таким образом, чтобы осуществить совпадение импульсов, поступающих с выходов формирователей 11 и 13 импульсов.

Если импульсы с выхода формирователя 13 импульсов отстают от импульсов, поступающих с выхода формирователя 11 импульсов (фиг.5), импульсный сигнал появляется на втором выходе детектора 16 совпадений. Далее этот сигнал усиливается усилителем 17 и подается на вход фильтра 18 нижних частот в виде импульсов положительной полярности. Фильтр 18 выделяет постоянную составляющую сигнала, которая поступает на управляющий вход блока 14 автоматической регулировки задержки в качестве контролирующего сигнала. Схема блока автоматической регулировки задержки формирует на выходе импульс, передний фронт которого задержан на промежуток времени τ_з, относительно переднего фронта подаваемого на вход запускающего импульса. Значение τ_з определяется корректирующим сигналом, в данном случае величиной положительного напряжения, подаваемого с выхода блока 12 автоподстройки временного положения импульсов на управляющий вход блока 14 автоматической регулировки задержки. Временные диаграммы прохождения сигналов в блоке автоматической регулировки задержки представлены на фиг.6.

Блок 14 автоматической регулировки задержки работает следующим образом. В исходном положении RS-триггер 33 находится в нулевом состоянии. При этом на задействованном инверсном выходе RS-триггера 33 присутствует высокий уровень напряжений, который поддерживает ключ 34 в открытом состоянии. Вследствие этого постоянный ток от источника 35 полностью проходит через открытый ключ 34, и напряжение на обкладках конденсатора 36 равно нулю. Это нулевое напряжение приложено к неинвертирующему входу аналогового компаратора 37. На инвертирующий вход компаратора 37 подается управляющее напряжение U_упр > 0. Поэтому на входе компаратора присутствует напряжение, соответствующее его нулевому состоянию.

Запуск схемы осуществляется передним фронтом входного импульса U_вх. При поступлении этого импульса на S-вход триггера 33 последний переходит из нулевого состояния в единичное. При этом на выходе появляется сигнал низкого уровня, и ключ 34 закрывается. Ток от источника 35 начинает протекать через конденсатор 36. На его обкладках накапливается заряд Q. При этом напряжение на конденсаторе 36 равно
U_c= Idt t где I ток, генерируемый источником 35;
С емкость конденсатора 36;
t время с момента размыкания ключа 34.

Таким образом, напряжение на конденсаторе 36 изменяется прямо пропорционально времени. Это напряжение приложено к конвертирующему входу компаратора 37. К инвертирующему входу компаратора приложено задаваемое управляющее напряжение U_упр. В момент времени U_c= U_упр, что соответствует t τ · U_упр, компаратор 37 срабатывает. При этом на его выходе возникает положительный перепад напряжения, задержанный относительно фронта входного импульса на время τ. Включенный на выходе компаратора формирователь 38 формирует из перепада напряжения положительный импульс заданной длительности, который поступает как на выход блока 14 автоматической регулировки задержки, так и на R-вход триггера 33, переводя схему в первоначальное состояние. В результате происходит изменение времени задержки до совпадения импульсов, поступающих с выходов формирователей 11 и 13 импульсов. Благодаря этому имеет место временная стабильность импульса строба, что особенно важно при работе в режиме коротких импульсов, так как позволяет повысить вероятность обнаружения объекта и его удержания в пределах строба.

Изобретение относится к технике оптико-электронных устройств, предназначенных для наблюдения при пониженном уровне освященности, в частности для работы горноспасателей, для обеспечения подземной добычи полезных ископаемых, вождения ночью при пониженной прозрачности атмосферы высокоскоростных железнодорожных составов. Технико-экономическим результатом изобретения является повышение обнаружения объекта наблюдения за счет стабилизации временного положения стробирующих импульсов. Активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения содержит импульсный лазерный излучатель 1, блок 2 накачки импульсного лазерного излучателя 1, объектив 3 формирования излучения, объектив 4, импульсный электронно-оптический преобразователь 5, окуляр 6, задающий генератор 7 импульсов, блок 8 регулируемой задержки, формирователь 9 высоковольтных импульсов, первую линию 10 задержки, первый формирователь 11 импульсов, блок 12 автоподстройки временного положения импульсов, второй формирователь 13 импульсов, блок 14 автоматической регулировки задержки и вторую линию 15 задержки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ, содержащий последовательно соединенные блок накачки импульсного лазерного излучателя и импульсный лазерный излучатель, объектив формирования излучения, сфокусированный на импульсный лазерный излучатель, последовательно расположенные и оптически сопряженные объектив, импульсный электронно-оптический преобразователь и окуляр, формирователь высоковольтных импульсов, соединенный выходом с затвором импульсного электронно-оптического преобразователя, и последовательно соединенные задающий генератор и блок регулируемой задержки, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными первой линией задержки, первым формирователем импульсов и блоком автоподстройки временного положения импульсов, а также вторым формирователем импульсов, блоком автоматической регулировки задержки и второй линией задержки, соединенной входом с выходом задающего генератора импульсов, а выходом с входом блока накачки импульсного лазерного излучателя, при этом первая линия задержки соединена входом с выходом блока регулируемой задержки, второй формирователь импульсов соединен входом с выходом формирователя высоковольтных импульсов, а выходом с вторым входом блока автоподстройки временного положения импульсов, соединенного выходом с первым входом блока автоматической регулировки задержки, который вторым входом соединен с выходом блока регулируемой задержки, а выходом с входом формирователя высоковольтных импульсов. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что блок автоподстройки временного положения импульсов выполнен в виде последовательно соединенных детектора временного совпадения импульсов, дифференционального усилителя и фильтра нижних частот, выход которого является выходом блока автоподстройки временного положения импульсов, входами которого являются входы детектора временного совпадения импульсов.