ОПТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР КРУГОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2009 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к области оптической локации и может использоваться для поиска, обнаружения и автоматического сопровождения воздушных объектов, имеющих оптический контраст, с определением их пространственных координат.

Системы оптической локации известны, например: Б.Ф.Федоров «Лазеры. Основы устройства и применения», Москва, 1988 г., стр.141-146; Г.П.Катыс «Автоматическое сканирование», Москва, 1967 г., изд. «Машиностроение», стр.326; Г.П.Катыс «Оптико-электронная обработка информации», Москва, 1973 г., изд. «Машиностроение», стр.416, RU №2071101 G02B 26/10, RU №2084925 G01S 17/06, SU №1378604 G01S 17/06, DE №3935683 G01S 17/00, «Оптический журнал» №2, 2002 г., ГОИ им. С.И.Вавилова, Санкт-Петербург, стр.21.

Системы оптической локации, как правило, содержат пассивные сенсоры различных оптических диапазонов. Источниками электромагнитного излучения оптического диапазона для этих устройств являются лазеры, работающие в импульсном или в непрерывном режиме. Отдельные оптические устройства служат как для формирования передачи излучения лазера, так и для приема отраженного от объекта наблюдения излучения лазера. В отдельных системах оптической локации применяются индивидуально адаптированные оптические формирующие устройства для пассивных сенсоров, работающих в различных оптических диапазонах длин волн, а также сканирующее устройство, обеспечивающее обзор заданного пространства. Для функционирования системы применяются вычислительные устройства, обеспечивающие обработку поступающих сигналов по внешним командам, проведение встроенного контроля и выдачу необходимой информации во внешнее устройство.

Из недостатков предъявленных аналогов можно отметить следующие:

- небольшие углы обзора пространства по азимуту;

- малые скорости сканирования заданного пространства;

- недостаточная защита применяемых сенсоров от внешних и внутренних засветок. Наиболее приближенный по теме прототип - это «Устройства для считывания информации с листа» (патент RU №2071101 G02B 26/10). Основной недостаток этого устройства заключается в невозможности сканирования по углу места.

Изобретение направлено на создание компактного оптического локатора кругового обзора (ОЛКО), исключающего недостатки вышеуказанных систем. Это, прежде всего, скрытное обнаружение и распознавание объектов в широком диапазоне углов наблюдения как по азимуту, так и по углу места, при высоких скоростях сканирования. Небольшие размеры приемопередающих зрачков. Хорошая помехозащищенность применяемых сенсоров от внутренних и внешних засветок. Более высокое разрешение пространственных координат. Относительно небольшие объемы и вес в конструктивном исполнении.

На чертежах, представленных ниже, показано следущее.

Фиг.1 - Функциональная схема соединений блоков и узлов ОЛКО.

Фиг.2 - Вид ОЛКО спереди.

Фиг.3 - Вид ОЛКО по стрелке «А». Показан ход оптических лучей.

Фиг.4 - Увеличенный фрагмент нижней части Фиг.1. Детализация устройства телескопа.

Для достижения поставленной задачи в данном оптическом локаторе импульсная лазерная приемопередающая система выполнена в соответствии с конструкцией (патент №2084925 G01S 17/06). Приемопередающий оптический тракт совмещен на передачу и прием оптической энергии, работает на трех длинах оптических волн через один телескоп (Фиг.4), который управляет по углу места проходящим через него излучением лазера. Такое решение достигнуто путем использования оптического переключателя (ОП), патент №2029239 G01S 15/00 и патент №2084925 G01S 17/06, а также устройства преобразования длины волны излучения лазера, совмещенного с устройством управления расходимостью (Фиг.5), с применением сканирующего устройства (Фиг.3), выполненного в виде цилиндра с отверстиями на обоих торцах, смонтированного в роторе двигателя (патент №2071101 G02B 26/10), имеющего два зеркала (Фиг.3, поз.10), соединенных под углом 90 градусов, которые управляются устройством (БУЗ, Фиг.2, поз.13) по углу места во время сканирования оптическим локатором исследуемого пространства по азимуту, а также оптический люк для входа и выхода оптического излучения (Фиг.3, поз.29). Встроенный в цилиндр зеркальный объектив позволяет использовать сенсоры любого оптического диапазона. Сканирующая система в виде цилиндра с оптикой не имеет электрических связей с остальными устройствами системы, что дает возможность увеличить скорость сканирования пространства. Для фиксирования температурного контраста наблюдаемого объекта предлагается применять сенсор в виде линейки из чувствительных элементов.

Для компенсации разворота сканирующей линейки (сенсора) по крену, зависящего от угла поворота цилиндра по азимуту, используется призма «Дове» (Фиг.2, поз.4), соединенная посредством редуктора с коэффициентом передачи 1:2 (Фиг.2, поз.5) с вращающимся цилиндром с оптикой.

Устройство в виде телевизионного канала ночного видения, работающее в видимом диапазоне оптических волн, совмещено с устройством фиксирования температурного контраста посредством спектроделительного зеркала (Фиг.2, поз.2). Такое выполнение системы оптического локатора позволяет комплексировать в едином сканирующем устройстве три информационных канала: 1) пеленгатор температурного контраста наблюдаемого объекта, 2) пеленгатор наблюдаемого объекта в отраженном свете видимого диапазона длин волн, 3) импульсный приемопередатчик, работающий на трех длинах волн оптического диапазона, который выполняет функции дальномера, а также подсветчика наблюдаемого объекта.

На Фиг.1 представлена функциональная схема системы оптического локатора кругового обзора (ОЛКО). На Фиг.1, поз.8; 10 - сканирующее устройство (СУ). На Фиг.1, поз.13 - устройство управления блоком зеркал (БУЗ) по углу места. На Фиг.1, поз.16 - управляемый телескоп (УТ, Фиг.4), в котором предусмотрена подстройка на излучаемую длину волны путем вкручивания или выкручивания стакана с отрицательной линзой в неподвижную часть телескопа, а также поворот излучения в ОЛКО по углу места с помощью плоскопараллельной пластины, вмонтированной во вращающуюся часть телескопа. На Фиг.1, поз.14 - блок переключения длины волны излучения (БПВИ), совмещенный с блоком расходимости излучения, в котором предусмотрена автоматическая подстройка оптики под излучаемую длину волны. На Фиг.5, поз.15 - оптический переключатель (ОП), обеспечивающий передачу и прием через одну оптическую систему УТ (патент №2029239 G01S 15/00) излучения лазера и прием отраженного от объекта наблюдения эха сигнала, а также направляющий отраженное от объектов излучение различных длин волн по соответствующим для этих длин волн каналам.

На Фиг.1, поз.1 - телевизионный канал ночного видения (ТВН), имеющий в составе конструкции электрооптический преобразователь света (ЭОП) с электронным затвором, конструктивно соединенным с прибором с зарядовой связью (ПЗС матрицей), матрицу, например LCD (Liguid Crystal Display), блок оптических фильтров (Фиг.2, поз.22), зеркальный объектив с корригирующей оптикой (Фиг.2, поз 21).

На Фиг.2, поз.3; 4 - инфракрасный канал (ИК) обнаружения объектов с температурным контрастом, в состав которого входит сенсор в виде линейки из чувствительных к температурному контрасту фотоэлементов, призма «Дове» (Фиг.2, поз.4), зеркальный объектив с корригирующей оптикой (Фиг.2, поз.21). На Фиг.1, поз.9 процессор (ПР) - управляющий взаимодействием всех блоков и устройств по внешним командам.

Изобретение поясняется примером.

СУ выполнено в виде полого цилиндра с отверстиями на обоих торцах, который является ротором электродвигателя. На внешней поверхности цилиндра закреплены постоянные магниты электродвигателя, оптический люк (Фиг.3, поз.29) и кодовый диск, с которого снимается информация об угле поворота цилиндра, с помощью оптронов (Фиг.2, поз.8), закрепленных на неподвижном основании. На это же основание закреплены обмотки электродвигателя. Внутри цилиндра жестко закреплен зеркальный объектив (Фиг.2, поз.21), обеспечивающий передачу оптической информации для двух каналов, ИК и ТВН. Ниже по оси «Y», внутри цилиндра, смонтированы два зеркала (Фиг.2, поз.10), жестко закрепленные под углом 90 градусов, имеющие возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной оси вращения полого цилиндра. В нижней части неподвижного основания ОЛКО установлено устройство БУЗ (Фиг.2, поз.13) для поворота на заданный угол сборки двух зеркал внутри вращающегося цилиндра.

Поворот происходит при помощи штока (Фиг.2, поз.24), один конец которого имеет зубчатую нарезку, соединенную с шестерней, которая жестко закреплена на валу сборки зеркал, а другой конец упирается в диск с шестеренкой, закрепленный на коноиде (ФИГ.2, поз 25). Диск с коноидом вращается двигателем посредством шестерни, которая закреплена на валу двигателя, который имеет возможность перемещаться по наружной поверхности СУ как по вертикали, так и вокруг оси «Y». Скорость вращения коноида задается процессором (Фиг.1, поз.9). Как видно из Фиг.2, верхнее зеркало передает оптическую информацию каналам ИК и ТВН, а нижнее зеркало работает на передачу и прием приемопередающего канала (ПК). Также в нижней части СУ жестко закреплена вращающаяся часть УТ с устройством для отклонения плоскопараллельной пластины на заданный угол. Это позволяет отклонять выходное излучение лазера по углу места независимо от положения сборки зеркал (Фиг.3, поз.10), но строго соосно и параллельно с сенсорной линейкой, чувствительной к температурному контрасту.

Приемопередающий канал установлен на неподвижной части ОЛКО и состоит из:

а) лазера (Фиг.1, поз.11), работающего в импульсном режиме,

б) устройства для переключения на заданную длину волны излучения БПВИ (Фиг.1, поз. 14) с возможностью дискретного переключения излучения лазера на заданную расходимость с автоматической юстировкой оптики этого устройства под одну из трех длин волн излучения. Это происходит при помощи кулачков (Фиг.5, поз.33), закрепленных на каждом канале устройства преобразования длины волны излучения (Фиг.5, поз.32), которые смещают одну из компонент оптики, устройства дискретного переключения излучения лазера на заданную, по команде ПР, расходимость (Фиг.5, поз.31).

в) ОП (Фиг.5, поз.15), работающего на передачу излучения лазера и прием отраженного от объекта наблюдения эха сигнала через один УТ. ОП одновременно переключает по команде от ПР на соответствующий канал одну из трех длин волн излучения и прием эха сигнала, а также направляющий отраженное от объектов излучение различных длин волн по соответствующим для этих длин волн каналам с помощью системы зеркал, в которой подвижное двухстороннее зеркало (Фиг.5, поз. 30) переключается в три положения по команде от ПР на заданный канал. В конструкции ОП все три сенсора на 100% закрыты от засветок в моменты мощного излучения лазера.

г) УТ, составленного из двух частей (Фиг.4), одна из которых вращается вместе с полым цилиндром, а другая жестко закреплена на неподвижном основании. Часть УТ, закрепленного на неподвижном основании, подвижкой одной из компонент оптики (Фиг.4, поз.26) по команде от ПР подстраивает эту оптику для каждой из трех длин волн излучения, это происходит при помощи стакана с отрицательной линзой, который за счет винтовой нарезки вкручивается (выкручивается) в неподвижную часть телескопа двигателем, имеющим на валу закрепленную шестерню, которая соединяется с шестерней, жестко закрепленной на стакане. УТ, посредством введения в сходящихся оптических пучках телескопа плоскопараллельной пластины, отклоняет оптическую ось излучения ПК по углу места. Отклонение происходит при помощи штока, один конец которого имеет зубчатую нарезку, соединенную с шестеренкой, жестко закрепленной на валу сборки плоскопараллельной пластинки. Другой конец упирается в диск в виде шестеренки, закрепленной на вращающейся гайке, движение которому по оси «Y» передает двигатель с помощью шестеренки, закрепленной на его валу.

На неподвижной части ОЛКО также установлены:

- ИК канал (Фиг.2, поз.3; 4), у которого в качестве сенсора применена линейка чувствительных, к заданной длине волны, фотоэлементов, которая при помощи вращающегося синхронно со сканирующим полым цилиндром и призмой «Дове» (Фиг.2, поз.4), всегда параллельна оси вращения полого цилиндра;

- ТВН (Фиг.2, поз.1), имеющий в своем составе ЭОП с электронным затвором, конструктивно соединенным с ПЗС матрицей, матрицу, например LCD, предназначенную для защиты ЭОП от локальных засветок, и оптическую схему, которая формирует две плоскости изображения, съюстированные между собой, одну для матрицы LCD, другую для мишени ЭОП. Сигналы на матрицу LCD поступают от ПР (Фиг.1, поз.9) для управления подавлением локальных засветок, которые появляются в поле зрения ТВН. Сигналы о засветках поступают от ПЗС матрицы в ПР. В ПР по выявленным областям, превышающим заданную амплитуду электрических сигналов на пикселях ПЗС матрицы, формируется сигнал управления для матрицы LCD для уменьшения пропускания оптической энергии в данной области.

В консольной части ОЛКО смонтирован блок встроенного контроля (БВК, Фиг.2, поз.6), позволяющий оперативно проверять параметры ОЛКО.

Система работает следующим образом.

При включении ОЛКО начинается раскрутка СУ. При этом происходит контроль в БВК электрических параметров, а также параллельности оптических осей всех каналов. По внешней команде система начинает работать в одном из трех режимов:

а) режим пассивного сканирования,

б) режим активного сканирования,

в) режим автоматического слежения за объектом.

Режим пассивного сканирования.

В этом режиме сенсор ИК (линейка фотоэлементов) при развороте на 360° не перекрывает предыдущее просканированное пространство по углу места вследствие задаваемого закона разворота коноида (Фиг.2, поз.25), управляемого от ПР через БУЗ, поворотом двух зеркал по углу места. При обнаружении объекта с температурным контрастом сигнал с сенсора ИК подается на ПР, команда с которого подается на ТВН для срабатывания электронного затвора ЭОП. Полученная информация с ТВН поступает в ПР, который определяет величину углового рассогласования между «истинным» объектом и его температурным аналогом. Угловые координаты «истинного» объекта выдаются во внешнее устройство. В случае отсутствия информации с ТВН об «истинном» положении наблюдаемого объекта во внешнее устройство выдаются угловые координаты объекта с температурным контрастом. Консоль, в которую встроен БВК, при сканировании прикрывает зону в 30°. Для обеспечения обзора в 360° ОЛКО медленно разворачивается по оси «Y» на ±30° двигателем (Фиг.2, поз.18) через редуктор (Фиг.2, поз.19), закрепленным на стабилизированной платформе (Фиг.2, поз.20).

Режим активного сканирования.

В этом режиме, также как в режиме пассивного сканирования, определяется угловое положение «истинного» объекта. Скорость поворота сборки зеркал по углу места задается с ПР на БУЗ такой, чтобы каждый обнаруженный объект фиксировался в ОЛКО как минимум дважды в течение двух последовательных оборотов вращения СУ. Параметры зафиксированных объектов обрабатываются в ПР, вычисляется поправка на отработку угла отклонения в УТ индикатрисы излучения приемопередающего канала по углу места с учетом временных задержек в канале ПК. На третьем обороте СУ в УТ отрабатывается вычисленный в ПР угол и в расчетное время происходит излучение ПК и замер дальности до объекта наблюдения.

В случае отсутствия информации с ТВН об истинном положении наблюдаемого объекта, на первом обороте СУ, с ПР автоматически подается команда в БПВИ на переключение излучения лазера на волну, соответствующую спектральному диапазону мишени ЭОП, и на увеличение расходимости индикатрисы излучения, также в УТ, для подстройки оптики под заданную длину волны излучения, в ОП, для переключения канала на соответствующею длину волны излучения, в ТВН, для переключения фильтра на соответствующую длину излучения.

В УТ подается команда от ПР на отработку угла плоскопараллельной пластиной, соответствующей информации по углу места, полученной из ИК канала от объекта с температурным контрастом, в первом обороте СУ. На втором обороте СУ, из ПР в ПК выдается команда на замер дальности.

На третьем обороте, с учетом полученной информации о дальности до объекта на втором обороте, в момент повторного излучении ПК формируется строб для открытия электронного затвора ЭОП, канала ТВН, в момент прихода отраженной волны от облученного объекта. Полученная информация с ТВН поступает в ПР, который определяет величину углового рассогласования между «истинным» объектом и его температурным аналогом. В этом режиме возможно распознавание объекта на мониторе. Угловые координаты «истинного» объекта выдаются во внешнее устройство.

Режим автоматического слежения за объектом

В этом режиме, также как в режиме пассивного сканирования, определяется угловое положение одного из выбранных «истинных» объектов в зоне наблюдения. Скорость поворота сборки зеркал по углу места задается с ПР на БУЗ такой, чтобы один из выбранных обнаруженных объектов фиксировался в ОЛКО в течение каждого оборота вращения СУ. Движение выбранного объекта в наблюдаемом пространстве фиксируется сенсором ИК или автоматом слежения ПР по информации, получаемой от ТВН канала. От ПР команда на отработку по углу места подается на УБЗ с таким расчетом, чтобы информация от объекта всегда попадала на средний пиксель сенсорной линейки ИК. Измерение дальности происходит при каждом обороте СК, что дает возможность вычислять радиальную скорость движения объекта. Работа ТВН канала аналогична работе в активном режиме. Полученная информация об отслеживаемом объекте выдается во внешнее устройство. Заявленное конструктивное решение оптического локатора кругового обзора соответствует критерию промышленной применимости. Оно может быть изготовлено на отечественных предприятиях оптико-механической промышленности.

Оптический локатор содержит сканирующее устройство, выполненное в виде полого цилиндра, являющегося ротором электродвигателя, с отверстиями на обоих торцах и оптическим люком на образующей этого цилиндра, служащими для прохождения входящих и исходящих оптических сигналов через оптические элементы, которые встроены внутри цилиндра: канал для приема излучения от объекта, имеющего температурный контраст, канал телевизионный ночного видения, приемопередающий канал, для замера дальности и распознавания объекта с помощью подсветки наблюдаемого объекта. При этом сканирующее устройство выполнено в виде цилиндра с возможностью его вращения и имеет внутри сборку из двух зеркал, соединенных под углом 90°. Зеркала отклоняются при помощи штока, один конец которого имеет зубчатую нарезку, соединенную с шестерней, жестко закрепленной на оси сборки зеркал, а другой конец упирается в коноид, который закреплен на шестерне, смонтированной на неподвижном основании, вращение которой осуществляется по закону, получаемому от вычислительного устройства. Технический результат: обеспечение возможности сканирования по углу места. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптический локатор, содержащий сканирующее устройство, выполненное в виде полого цилиндра, являющегося ротором электродвигателя, с отверстиями на обоих торцах и оптическим люком на образующей этого цилиндра, служащими для прохождения входящих и исходящих оптических сигналов через оптические элементы, которые встроены внутри цилиндра: канал для приема излучения от объекта, имеющего температурный контраст, канал телевизионный ночного видения, приемопередающий канал, для замера дальности и распознавания объекта с помощью подсветки наблюдаемого объекта, отличающийся тем, что сканирующее устройство выполнено в виде цилиндра с возможностью его вращения, имеющего внутри сборку из двух зеркал, соединенных под углом 90°, одно зеркало которого работает с каналом приема излучения, имеющего температурный контраст, и с телевизионным каналом ночного видения, а второе зеркало - с лазерным приемопередающим каналом, работающим на трех длинах волн, излучение которого отклоняется на оси, перпендикулярной оси вращения цилиндра, при помощи штока, один конец которого имеет зубчатую нарезку соединенную с шестерней, жестко закрепленной на оси сборки зеркал, а другой конец упирается в коноид, который закреплен на шестерне, смонтированной на неподвижном основании, вращение которой осуществляется закрепленной на валу электродвигателя шестеренкой по закону, получаемому от вычислительного устройства.

2. Оптический локатор по п.1, отличающийся тем, что приемопередающий канал имеет устройство для дискретного преобразования излучения лазера на одну из трех длин волн, вращающееся на одном валу с устройством дискретного переключения излучения лазера на заданную расходимость с автоматической подстройкой оптики этого устройства под установленную длину волны при помощи кулачков, закрепленных на каждом канале устройства преобразования излучения, которые смещают одну из компонент оптики устройства дискретного переключения излучения лазера на заданную расходимость, работающую с этим преобразованным излучением.

3. Оптический локатор по п.1, отличающийся тем, что оптический переключатель по команде от вычислительного устройства при помощи системы зеркал, в котором одно двухстороннее зеркало, по внешней команде фиксируется в одном из трех положений и переключает приемопередающий канал на соответствующий канал к заданной длине волны излучения, в котором установлены адаптированные к этому излучению интерференционные фильтры и сенсоры.

4. Оптический локатор по п.1, отличающийся тем, что сканирующее устройство в нижней половине имеет часть управляемого телескопа, жестко закрепленного на вращающемся цилиндре, а другая часть управляемого телескопа, смонтированного на неподвижном основании локатора, имеет устройство, позволяющее подстраивать телескоп по внешней команде под заданную длину волны излучения приемопередатчика при помощи стакана с отрицательной линзой, который за счет винтовой нарезки вкручивается (выкручивается) в неподвижную часть телескопа двигателем, имеющим на валу закрепленную шестерню, которая соединяется с шестерней, жестко закрепленной на стакане.

5. Оптический локатор по п.1, отличающийся тем, что телевизионный канал ночного видения имеет устройство по защите от засветок, выполненное в виде оптической схемы, которая формирует две плоскости изображения, съюстированных между собой, одну для управляемой матрицы (например, LCD), другую для мишени ЭОП (электрооптический преобразователь света), конструктивно соединенного с матрицей ПЗС, с которой электрический сигнал с каждого пикселя или области пикселей подается на вычислительное устройство, где определяется превышение амплитуды сигналов к заданному уровню, эквивалентному предельно допустимой световой мощности на мишени ЭОП, при этом в вычислительном устройстве вырабатываются сигналы для управляемой матрицы на адекватный пиксель или на адекватную область пикселей, для уменьшения пропускания световой мощности на мишень ЭОП до уровня, допустимого в соответствующую область засветки.