ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01C3/00 

Предложение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для ориентации в пространстве, в робототехнике, в технологических процессах, системах охраны, горном деле, медицине, для автоматизации управления автомобилями и т.п.

Известны оптико-электронные дальномеры /см., например, Мусьяков М.П. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии-М.: 1994 г./ преимущественно высокой сложности, реализующие различные способы измерения, в том числе и амплитудный, характеризующийся уровнем сигнала /определяемым дальностью/, излучаемым специальным генератором.

Известны промышленные реализации таких дальномеров (приборы "Квант-1" и "Квант-2У"/, применяемые для тревожной сигнализации при нарушении контролируемых рубежей. Первый из них - одноканальный, второй - многоканальный. Другим отличием второго от первого являются элементы коммутации по времени /фазе/ работающих каналов. Каждый канал прибора "Квант-2У" содержит последовательно включенные преобразователь свет-сигнал /фотодиод/, первый усилитель, ключ, фильтр, второй усилитель и преобразователь сигнал-свет /светодиод/, причем ко вторым входам второго усилителя и ключа подключен генератор. С фильтра снимается сигнал, пропорциональный дальности. Чувствительность такого дальномера определяется большой мощностью в оптическом канале за счет трансформации мощности и усилением широкополосного канала.

Существенным недостатком такого оптико-электронного дальномера /ОЭД/ являются низкие помехоустойчивость и чувствительность /дальность действия/, определяемые принципом работы.

Целью предложения является устранение указанных недостатков ОЭД, т.е. увеличение чувствительности и помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в схему введен коррелятор, а между генератором и вторым усилителем включен вновь введенный генератор шумоподобного сигнала.

На основе двух каналов прибора "Квант-2У" можно создать амплитудно-фазовый дальномер, позволяющий измерять и смещение, например, угловое, его линии визирования контраста объекта наблюдения /см., например, Техническое зрение роботов /В.И. Мошкин и др. Под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова.-М.: Машиностроение, 1990 г., стр. 160/ с анализом контраста, например, частично перекрывающимися полями зрения светодиодов. Выходной сигнал каждого канала такого дальномера несет информацию о дальности и отражающей способности объекта /на ней реализован контраст/, поэтому разностный выходной сигнал каналов определяет измеряемый угол.

Такой гипотетический ОЭД содержит два канала, в каждом из которых последовательно включены ключ, фильтр, усилитель, преобразователь сигнал-свет, последние из которых оптически связаны с контрастным объектом, воспринимаемым последовательно включенными преобразователем свет-сигнал и усилителем /эти элементы второго канала избыточны и могут быть исключены/, выход которого соединен с первыми входами ключей, причем вторые входы ключей и усилителей каждого канала подключены к соответствующим выходам двухфазного генератора.

Аналогично, недостатками такого ОЭД являются низкая помехоустойчивость и чувствительность.

Целью предложения является устранение указанных недостатков ОЭД, т.е. увеличение чувствительности, помехоустойчивости и расширение областей использования.

Поставленная цель достигается тем, что в него введены вторые коррелятор, фильтр, преобразователь сигнал-свет и третий усилитель, идентичный второму, соединенные аналогично одноименным, второй вход третьего усилителя подключен к генератору шумоподобного сигнала через элемент задержки и дополнительный ключ, второй вход которого соединен с вновь введенным вторым генератором, а первые входы корреляторов объединены.

Приведенные особенности реализации ОЭД обеспечивают ему новые свойства, в частности высокую чувствительность, помехоустойчивость и расширение функциональных возможностей.

Новые возможности предложенных ОЭД в основном определяются принципиальными особенностями систем с шумоподобными сигналами /см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985 г., стр. 5... 16/. Эти особенности реализуются как при импульсном, так и при непрерывном излучении зондирующих сигналов, причем в последнем случае относительно более эффективно при фазовой модуляции.

Такие принципиальные отличия от прототипов определяют новизну предлагаемых ОЭД.

Возможность проявления отмеченных свойств предлагаемых ОЭД не вытекает из известной авторам информации. При изучении известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявляемый ОЭД от прототипов, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию новизны.

На фиг. 1 представлена схема первого варианта ОЭД. Он содержит преобразователь свет-сигнал 1 /например, фотодиод/, усилитель 2, коррелятор 3, фильтр 4, второй усилитель 5, преобразователь сигнал-свет 6 /например, светодиод/, генератор 7, генератор шумоподобного сигнала 8 и объект 9.

Работает первый ОЭД следующим образом. Генератор 7, например, выполняющий роль задающего и, при необходимости, синхронизирующего работу всех элементов ОЭД, запускает генератор шумоподобного сигнала 8, с выхода которого сигнал /например, М-последовательность - см. книгу Варакина Л.Е./ усиливается вторым усилителем 5 и возбуждает светодиод 6, свет которого отражается от объекта 9 и принимается фотодиодом 1. Применяемый сигнал, усиленный усилителем 2, подается на коррелятор 3, где сравнивается с М-последовательностью /фазовым сдвигом пренебрегаем из-за малой дальности/. Принимаемый сигнал несет информацию о дальности, в частности, которая определяется мерой его зашумленности помехами. Эта мера /в сигнальном представлении/ вычисляется коррелятором 3, сглаживается фильтром 4 и ставится в соответствие дальности до объекта 9 /сигнал А/. Она же подстраивает излучаемую мощность, регулируя усилитель 5. Очевидно, реализуется компенсационный принцип измерения дальности в контуре 1-2-3-4-5-6-9-1.

Так как коррелятор 3 /при цифровой реализации его/ осуществляет преобразование /сигнал + шум/ - /число совпадающих по времени импульсов/, удобно его использовать как своеобразный аналогово-цифровой преобразователь, что системно перспективно.

ОЭД инвариантен к природе сигнала в канале связи с объектом 9. Можно, например, использовать и радиочастоту, если сняты апертурные ограничения в канале связи /гигагерцовый диапазон/ и обеспечены требуемые развязки. При этом можно получить определенные эксплуатационные преимущества такого дальномера.

По приведенной схеме может быть создан ОЭД с использованием несущих или поднесущих частот, например, при фазовой или частотной модуляции их. Естественно, при этом генератор 7 синхронизирует соответствующие узлы ОЭД.

На фиг. 2 представлена схема второго варианта ОЭД. Он содержит преобразователь свет-сигнал 1, усилитель 2, первый 3 и второй 10 корреляторы, первый 4 и второй 11 фильтры, второй 5 и третий 12 усилители, первый 6 и второй 13 преобразователи сигнал-свет, генератор 7, генератор шумоподобного сигнала 8, объект 9, ключ 14, элемент задержки 15 и второй генератор 16.

Работает этот ОЭД при измерении смещения линии визирования объекта 9 по дифференциальной схеме, как и гипотетический прототип. При этом узлы 1 и 2 обслуживают оба канала измерения, т.к. каналы работают с фазовым сдвигом сигнала генератора ШПС 8 /первый канал имеет узлы с той же нумерацией, что и у первого варианта ОЭД; второй - соответственно функционально аналогичные первому каналу 3 и 10, 4 и 11, 5 и 12, 6 и 13/. Фазовый сдвиг обеспечивается элементом задержки 15, поэтому объект 9 освещается светодиодами 6 и 13 непрерывно, т. е. сразу после погасания, например, светодиода 6 включается светодиод 13 и т.д. При идентичных каналах и нулевом смещении линии визирования ОЭД относительно контраста объекта 9 на входе фотодиода 1 информационная модуляция принимаемого светового потока будет отсутствовать. И, соответственно, при смещении линии визирования ОЭД, например при движении объекта, возникает соответствующая /по фазе и амплитуде/ разностная модуляция /как разница между световыми потоками от светодиодов 6 и 13/ светового потока, которая выделяется одним из каналов ОЭД /в зависимости от направления смещения/, например, на выходе А¹. Второй канал не имеет информации своей фазы и работает только с шумами.

Периодически с частотой второго генератора 16 один из каналов /с выходом А¹/ выключается ключом 14, а работающий канал измеряет дальность до объекта 9 /выходной сигнал А/. Очевидно, что работа второго варианта ОЭД в угломерном режиме требует повышенной чувствительности каналов, которая обеспечивается применением шумоподобных сигналов и их особенностями приема.

Системы аналогичных структур иного назначения с ШПС исследовались в 1970. . .1985 г.г. теоретически и экспериментально Гуськовым В.А. Полученные результаты позволяют подтвердить перспективность предлагаемых дальномеров.

В настоящее время технология шумоподобных сигналов переживает бум внедрения, в частности, в коммуникационных системах, развиваемых почти монопольно американской фирмой Quelcomm.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в робототехнике, на подвижных объектах, для тревожной сигнализации, в системах безопасности движения. Предлагаемый оптико-электронный дальномер при своей работе реализует амплитудный способ измерений и содержит последовательно включенные преобразователь свет-сигнал, первый усилитель, второй усилитель и преобразователь свет-сигнал, причем ко вторым входам второго усилителя и ключа подключен генератор, с выходом которого соединен элемент задержки. Изобретение предполагает введение вместо ключа коррелятора и включение между генератором и вторым усилителем генератора шумоподобного сигнала, а также введение второй цепи: коррелятор-фильтр-усилитель-преобразователь свет-сигнал и подключение к ней элемента задержки. Техническим результатом данного изобретения является увеличение чувствительности и помехоустойчивости, а также расширение функциональных возможностей оптико-электронных дальномеров, кроме того, данный дальномер обладает возможностью определять угол визирования контраста объекта при определенном положении полей зрения преобразователей сигнал-свет. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптико-электронный дальномер, содержащий последовательно включенные преобразователь свет-сигнал, первый усилитель, фильтр, второй усилитель и преобразователь сигнал-свет, причем ко второму входу второго усилителя подключен генератор, отличающийся тем, что в схему введен коррелятор, а между генератором и вторым усилителем включен вновь введенный генератор шумоподобного сигнала. 2. Оптико-электронный дальномер по п.1, отличающийся тем, что в него введены вторые коррелятор, фильтр, преобразователь свет-сигнал и третий усилитель, идентичный второму, соединенные аналогично одноименным, второй вход третьего усилителя подключен к генератору шумоподобного сигнала через элемент задержки и дополнительный ключ, второй вход которого соединен с вновь введенным вторым генератором, а первые входы корреляторов объединены.