УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2005 года по МПК G01S17/02 G02B23/12 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной локации и оптическому приборостроению, в частности к лидарам и системам видения удаленных объектов с помощью сканирующей лазерной подсветки в различных участках спектрального диапазона, и может быть использовано в лазерных оптических локационных системах - целеуказателях, на транспортных средствах, в судовождении, где необходимо иметь изображение всех объектов, находящихся перед транспортным средством, для точного определения координат и дальности до удаленных объектов.

Проблема необходимости создания устройства для наблюдения и точного определения координат удаленных объектов при пониженной освещенности в настоящее время встала достаточно остро. Связано это с тем, что многие задачи дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды в натурных условиях требуют создания устройств для наблюдения объектов (оптических локационных систем), совмещающих качества лидара и телевизионных систем слежения и наведения и обладающих чувствительностью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и позволяющих определять координаты обнаруженных целей и их дальность.

Известное устройство для наблюдения объектов содержит импульсный источник света с передающей оптикой, электронно-оптический преобразователь с приемной оптикой и соединенный с ними блок управления [1].

В известном устройстве существует возможность получить наряду с обычным изображением объектов специфичное изображение, в котором имеется информация о дальности до каждого конкретного объекта. Однако информация о дальности будет верна только для тех объектов, которые расположены на горизонтальной плоскости, совмещенной с оптической осью прибора. Кроме того, яркость объектов, расположенных на различном расстоянии от устройства, будет различна, и при наличии большого числа объектов на близком расстоянии изображения последних будут маскировать изображения удаленных объектов. Аналогичный эффект маскирования удаленных изображений будет проявляться при работе в мутной среде (туман, снег, дым и т.д.).

Известно устройство видения объектов с помощью лазерной подсветки, включающее передающий канал, содержащий лазер и оптическую систему формирования лазерного пучка, приемный канал, содержащий приемный объектив и матрицу приборов с зарядовой связью, содержащую фотоэлементы, блок обработки данных со спектроанализатором и монитор, оптически сопряженные отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение и установленное между приемным объективом и матрицей приборов с зарядовой связью, и тонкий, частично пропускающий слой, толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный между приемным объективом и отражающим зеркалом под углом в, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким, частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком, частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом устройство дополнительно может быть снабжено экраном, ограничивающим размеры входных окон фотоэлементов, установленным на матрице приборов с зарядовой связью со стороны отражающего зеркала, при этом тонкий, частично пропускающий слой и отражающее зеркало выполнены с возможностью смещения относительно экрана и матрицы приборов с зарядовой связью, содержащей фотоэлементы, матрица приборов с зарядовой связью, содержащая фотоэлементы, может быть установлена с возможностью ее разворота по оптической оси приемного канала [2].

Недостатками известного устройства видения объектов с помощью лазерной подсветки являются следующие:

Наличие в конструкции оптического клина с пьезоприводом, необходимость проведения математического анализа и расшифровка его результатов приводят к усложнению и удорожанию устройства.

Устройство не позволяет определять расстояния до наблюдаемых объектов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для наблюдения объектов, содержащее импульсный источник света с формирующей оптикой, электронно-оптический преобразователь с приемной оптикой, блок управления, соединенный с электронно-оптическим преобразователем и с телевизионной камерой и выполненный с возможностью формирования изменяющейся в течение времени кадра задержки включения электронно-оптического преобразователя относительно момента включения импульсного источника света, синхронизированного со строками телевизионного сигнала на выходе телевизионной камеры, выполненной с возможностью записи изображения объектов, полученного после каждого включения импульсного источника света, в соответствующую строку выходного телевизионного сигнала, при этом вход телевизионной камеры сопряжен с выходом электронно-оптического преобразователя, причем фоточувствительный элемент телевизионной камеры выполнен в виде фотоприемной линейки или фотрприемной матрицы, а блок управления включает одновибратор, вход которого соединен с телевизионной камерой с возможностью подачи на него строчных синхроимпульсов, первый выход одновибратора соединен с первым, входом блока задержки, выход которого последовательно соединен с формирователем импульсов и первым входом усилителя, выход которого соединен с электронно-оптическим преобразователем, второй вход блока задержки соединен с первым выходом генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен со вторым входом усилителя, а вход генератора пилообразного напряжения соединен с телевизионной камерой с возможностью подачи на этот вход кадровых синхроимпульсов.

Устройство для наблюдения объектов может быть снабжено соединенной с первой телевизионной камерой с возможностью синхронизации их работы дополнительной телевизионной камерой для формирования телевизионного сигнала, соответствующего обычному изображению освещаемых источником света объектов, дополнительным электронно-оптическим преобразователем, выход которого сопряжен с входом дополнительной телевизионной камеры, а вход - с входом первого электронно-оптического преобразователя, и выполнено с возможностью изменения мощности источника света и/или коэффициента усиления электронно-оптического преобразователя для получения равноярких изображений объектов [3].

Недостатками известного устройства для наблюдения объектов являются следующие.

1. Необходима большая мощность импульсного источника света вследствие того, что подсветка осуществляется по всему полю зрения устройства.

2. Малое соотношение "сигнал/шум" из-за большой величины паразитной подсветки посторонних (солнце) источников света.

3. Невозможность пеленгации нескольких объектов наблюдения, находящихся на разных дальностях, а изображение которых находится на одной строке приемной ПЗС-матрицы.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности наведения, надежности и скорости обнаружения и слежения наблюдаемых объектов посредством синхронного сканирования поля зрения импульсным сканирующим лазером и блоком управления.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для наблюдения объектов, содержащем импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси оптического тракта импульсного источника излучения, приемник излучения, отраженного от исследуемого объекта, с приемной оптикой и блок управления, соединенный с телевизионной камерой и приемником излучения, в отличие от прототипа, импульсный источник излучения выполнен в виде сканирующего лазера, представляющего собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный луч накачки и управления излучением, и с формирующей оптикой в виде первого формирующего объектива, приемник излучения выполнен сканирующим в виде фотоприемника излучения с приемной оптикой в виде последовательно установленных на оптической оси оптического тракта сканирующего фотоприемника излучения узкополосного фильтра, обеспечивающего возможность пропускания длины волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера, второго формирующего объектива, в фокусе которого установлено светоклапанное устройство, и собирающей линзы, в фокусе которой установлен фотоприемник излучения, телевизионная камера выполнена с третьим формирующим объективом, при этом первый и третий формирующие объективы установлены с возможностью согласования полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры таким образом, чтобы углы полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры совпадали по направлению наблюдения, осуществляемого устройством для наблюдения объектов, а блок управления выполнен с возможностью формирования временного интервала и энергии импульсов излучения импульсного сканирующего лазера, приема и цифровой обработки отраженного от наблюдаемого объекта излучения импульсного сканирующего лазера и формирования посредством телевизионной камеры сигнала видеоизображения наблюдаемого объекта, при этом блок управления дополнительно соединен со светоклапанным устройством и импульсным сканирующим лазером.

В устройство для наблюдения могут быть дополнительно введены светоделительное устройство и обзорное поворотное зеркало, первый и второй формирующий объективы выполнены в виде одного общего формирующего объектива, оптические тракты и оптические оси импульсного сканирующего лазера и сканирующего фотоприемника излучения выполнены совмещенными посредством светоделительного устройства, установленного на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения между общим формирующим объективом и светоклапанным устройством, при этом обзорное поворотное зеркало установлено перед общим формирующим объективом на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения с возможностью обеспечения кругового обзора наблюдаемого пространства, а импульсный сканирующий лазер установлен с возможностью передачи излучения посредством светоделительного устройства, общего формирующего объектива, узкополосного фильтра и обзорного поворотного зеркала.

На фиг.1-2 представлена принципиальная схема выполнения устройства для наблюдения объектов.

Устройство для наблюдения объектов содержит (фиг.1):

- импульсный сканирующий лазер 1 в виде лазерной электронно-лучевой трубки 2, представляющей собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный пучок накачки лазера и управляющей направлением излучения, с формирующей оптикой 3 в виде объектива, обеспечивающего проецирование излучение лазера в исследуемою часть пространства;

- сканирующий приемник излучения 4 в виде последовательно установленных узкополосного фильтра 5, приемного объектива 6, светоклапанного устройства 7, собирающей линзы 8 и фотоприемника излучения 9;

- обзорную телевизионную камеру 10 с формирующей оптикой 11;

- блок управления 12 с монитором 13.

Для устранения параллакса фотоприемник излучения 9 и импульсный сканирующий лазер 2 могут иметь совмещенные оптические оси и оптические тракты фотоприемник излучения 9 и импульсный сканирующий лазер 2 посредством использования одного общего формирующего объектива 14 и светоделительного устройства 15, установленного на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения 9 между общим формирующим объективом 6 и светоклапанным устройством 7, при этом перед общим формирующим объективом 6 на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения 9 установлено поворотное зеркало 16 для кругового обзора наблюдаемого пространства, а импульсный сканирующий лазер 2 установлен с возможностью передачи излучения посредством светоделительного устройства 15, общего формирующего объектива 14, узкополосного фильтра 5 и обзорного поворотного зеркала 16 (фиг.2).

Устройство для наблюдения объектов может быть выполнено следующим образом.

Импульсный сканирующий лазер 2 предназначен для построчного формирования импульсов излучения на длине волны λ=0,3÷4,0 мкм длительностью ≤30 нсек каждый, с периодом, достаточным для прохождения импульса до расчетной, максимально удаленной наблюдаемой цели и обратно.

В качестве импульсного сканирующего лазера 2 может быть использован сканирующий полупроводниковый лазер (СПЛ): лазерная электронно-лучевая трубка, представляющая собой лазерную электронно-лучевую трубку, представляющую собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и сканирующим электронным пучком и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный пучок накачки и управления излучением (разработчик - НИИ "Платан", г.Фрязино, Московской обл., патент РФ №2126575), в котором управление направлением излучения осуществляется стандартными телевизионными средствами и может управляться от ЭВМ.

Формирующая оптика 3 и 11 (первый и третий формирующие объективы соответственно) предназначена для согласования полей зрения импульсного сканирующего лазера 2 и обзорной телевизионной камеры 10 таким образом, чтобы центр угла поля зрения импульсного сканирующего лазера 2 и центр угла поля зрения телевизионной камеры 10 совпадали по направлению наблюдения устройства.

Второй формирующий объектив 6 предназначен для приема и построения изображения объектов сканируемой области пространства в фокальной плоскости, в которой расположено светоклапанное устройство 7 (например, жидкокристаллический модулятор), пропускающее на приемник излучения 9 только ту часть энергии, которая в данный момент времени облучается импульсным сканирующим лазером 2.

Сканирующий приемник излучения 4 предназначен для выделения и измерения отраженного от наблюдаемых объектов излучения импульсного сканирующего лазера 2 и передачи сигналов в блок управления 12.

В качестве фотоприемника излучения 9 может быть использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-74А, выпускаемый Московским электроламповым заводом, или аналогичный.

Узкополосный фильтр 5 настроен на длину волны излучения импульсного сканирующего лазера 2 и предназначен для выделения из спектра длины волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера 2, что уменьшает паразитные засветки и увеличивает показатель "сигнал-шум".

Светоклапанное устройство 7 предназначено для увеличения отношения полезного сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов, к шуму путем динамического перекрытия областей изображения предметов, не облучаемых импульсным сканирующим лазером 2 в данный момент времени, что приводит к уменьшению паразитных засветок фотоприемного устройства (уменьшению шума).

В качестве жидкокристаллического модулятора света могут быть использованы серийно выпускаемые жидкокристаллические индикаторы, например DV-12864-05S2M, фирмы "DATA INTERNATIONAL".

Блок управления 12 предназначен для формирования временного интервала и энергии импульсов подсветки импульсного сканирующего лазера 2, приема электрического сигнала от приемника излучения 4, преобразования его в цифровой код и математической обработки, формирования сигнала видеоизображения путем наложения информационных надписей на видеосигнал обзорной телевизионной камеры 10 и передачи его на монитор 13 по команде с пульта управления или ЭВМ.

Обзорная телевизионная камера 10 предназначена для формирования видеоизображения наблюдаемого объекта и окружающего объект пространства на мониторе 13.

Обзорное поворотное зеркало 16 предназначено для кругового обзора наблюдаемого пространства.

Устройство для наблюдения объектов работает следующим образом.

Блок управления 12 формирует временной интервал и энергию импульсов подсветки от импульсного сканирующего лазера 2. При этом импульсный сканирующий лазер 2 последовательными лучами с выходным диаметром 30-300 мкм построчно формирует импульсы света длительностью 5-30 нсек каждый, с периодом, достаточным для прохождения импульса излучения до максимально удаленного наблюдаемого объекта и обратно. Учитывая то, что импульсный сканирующий лазер 2 является, по сути, телевизионной трубкой, где люминофор экрана заменен слоем активного элемента полупроводникового лазера, имеется возможность спроектировать плоскость излучающего экрана с помощью формирующей оптики 3 (объектива) в область наблюдаемых объектов. В этом случае, подавая управляющие сигналы на телевизионную трубку в определенной последовательности (например, по принципу телевизионной развертки), осуществляется сканирование области наблюдаемых объектов лазерным излучением.

Так как поля зрения импульсного сканирующего лазера 2 и сканирующего приемника излучения 4 совмещены, изображение области наблюдаемых объектов с помощью узкополосного фильтра 5 и второго формирующего объектива 6 проектируется на плоскость светоклапанного устройства 7 (жидкокристаллического модулятора света). При этом узкополосный фильтр 5, настроенный на длину волны излучения импульсного сканирующего лазера 2, выделяет из спектра длину волны, соответствующую рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера 2, и обеспечивает пропускание только длины волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера 2. Это уменьшает паразитные засветки и увеличивает показатель "сигнал-шум".

Затем в жидкокристаллическом модуляторе 7 сигналами с блока управления 12 открываются только оптически сопряженные с импульсным сканирующим лазером 2 окна, через которые отраженное от наблюдаемых объектов излучение импульсного сканирующего лазера 2 попадает через собирающую линзу 8 на фотоприемник 9. После чего отраженное от наблюдаемых объектов излучение с временной задержкой, зависящей от дальности до наблюдаемого объекта, фиксируется в фотоприемнике 9 и передается в блок управления 12 в виде электрического сигнала, где исследуются временные и амплитудные характеристики сигнала. При этом блок управления 12 осуществляет преобразование его в цифровой код и математическую обработку отраженного от наблюдаемого объекта излучения, формирует сигнал видеоизображения наблюдаемого объекта(ов) и окружающего этот объект(ы) пространства и передает его на монитор 13 по команде с пульта управления или ЭВМ.

По результатам цифровой (математической) обработки отраженного от наблюдаемого объекта излучения импульсного сканирующего лазера 2 определяются координаты и дальность до обнаруженной цели, а сами данные, обработанные в блоке управления 12, закладываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

При соответствующем согласовании схемы управления жидкокристаллического модулятора света 7 с приемником излучения 9 (фотоэлектронным умножителем) можно снимать видеосигнал, при этом чувствительность такого приемника на несколько порядков выше ПЗС-приемников и электронно-оптических преобразователей (ЭОП) (чувствительность ЭОП≈300 мкА/лм, а чувствительность ФЭУ≈10 мА/лм).

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:

1. Повышение скорости обнаружения и слежения подвижных и статических объектов за счет использования электронного метода пространственного оптического сканирования местности (сканирования поля зрения) не менее чем 50 раз.

3. Обеспечение возможности создания оптической локационной системы - целеуказателя, совмещающей качества телевизионных систем слежения и наведения, обладающей высокой чувствительностью и позволяющей определять координаты обнаруженных исследуемых объектов и дальность до них.

4. Применение предлагаемого устройства для наблюдения объектов на транспортных средствах, в судовождении, где необходимо иметь изображение всех объектов, находящихся перед транспортным средством, благодаря возможности пеленгации объектов за время обработки одного кадра по всему полю зрения с точностью нескольких метров.

5. Обеспечение возможности пеленгации предлагаемым устройством для наблюдения маломерных и малозаметных объектов, например дистанционно пилотируемых летательных аппаратов и объектов, выполненных по технологии "стелс";

6. Обеспечение возможности выборочной подсветки объектов лазерным излучением для наведения средств противодействия наблюдаемым объектам.

7. По своим характеристикам предлагаемое устройство может быть использовано для наблюдения и обнаружения бликующих объектов, в том числе ведущих встречное наблюдение, например во время военных действий, определения их координат и, при необходимости, импульсной подсветки для целеуказания.

8. Обеспечение возможности использования предлагаемого устройства для наблюдения объектов для организации лазерной системы видения, которая по четкости изображения будет приближаться к телевизионной.

Источники информации

1. Патент Великобритании №1052178.

2. Патент RU №2205426, 2003.

3. Международная заявка №PCT/RU96/00207, 1996. Номер международной публикации: WO 96/35963.

Устройство может быть использовано в лазерных локационных системах для определения координат и дальности до всех удаленных объектов, находящихся в поле зрения устройства. Устройство содержит 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. Технический результат - повышение точности наведения, надежности и скорости обнаружения и слежения посредством синхронного сканирования поля зрения импульсным сканирующим лазером и блоком управления . 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для наблюдения объектов, содержащее импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси оптического тракта импульсного источника излучения, приемник излучения, отраженного от исследуемого объекта, с приемной оптикой, и блок управления, соединенный с телевизионной камерой и приемником излучения, отличающееся тем, что импульсный источник излучения выполнен в виде сканирующего лазера, представляющего собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный луч накачки и управления излучением, и с формирующей оптикой в виде первого формирующего объектива, приемник излучения выполнен сканирующим в виде фотоприемника излучения с приемной оптикой в виде последовательно установленных на оптической оси оптического тракта сканирующего фотоприемника излучения узкополосного фильтра, обеспечивающего возможность пропускания длины волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера, второго формирующего объектива, в фокусе которого установлено светоклапанное устройство, и собирающей линзы, в фокусе которой установлен фотоприемник излучения, телевизионная камера выполнена с третьим формирующим объективом, при этом первый и третий формирующие объективы установлены с возможностью согласования полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры таким образом, чтобы углы полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры совпадали по направлению наблюдения, осуществляемого устройством для наблюдения объектов, а блок управления выполнен с возможностью формирования временного интервала и энергии импульсов излучения импульсного сканирующего лазера, приема и цифровой обработки отраженного от наблюдаемого объекта излучения импульсного сканирующего лазера и формирования посредством телевизионной камеры сигнала видеоизображения наблюдаемого объекта, при этом блок управления дополнительно соединен со светоклапанным устройством и импульсным сканирующим лазером.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введены светоделительное устройство и обзорное поворотное зеркало, первый и второй формирующие объективы выполнены в виде одного общего формирующего объектива, оптические тракты и оптические оси импульсного сканирующего лазера и сканирующего фотоприемника излучения выполнены совмещенными посредством светоделительного устройства, установленного на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения между общим формирующим объективом и светоклапанным устройством, при этом обзорное поворотное зеркало установлено перед общим формирующим объективом на оптической оси сканирующего фотоприемника излучения с возможностью обеспечения кругового обзора наблюдаемого пространства, а импульсный сканирующий лазер установлен с возможностью передачи излучения посредством светоделительного устройства, общего формирующего объектива, узкополосного фильтра и обзорного поворотного зеркала.