СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2014 года по МПК G01S17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к наблюдению объектов при пониженной освещенности, а конкретнее к способам определения местоположения или обнаружения объекта, с использованием активно-импульсного прибора.

Известен способ наблюдения объектов при пониженной освещенности, по которому объект освещают импульсным источником света, принимают отраженный от объектов свет приемником оптического изображения, синхронизируя работу его управляемого затвора с излучением импульсного света. Устройство для осуществления данного способа содержит импульсный источник света с передающей оптикой, приемник оптического изображения с управляемым импульсным затвором (европейский патент N 03263735). Регулируя задержку между моментом излучения света и моментом открывания затвора прибора, получают изображение объектов, расположенных в наиболее интересующей зоне.

Недостатком известного способа и устройства является то, что при использовании одного источника и одной камеры возможно получение информации об объектах, расположенных только в достаточно узкой зоне видимости. Для расширения зоны видимости возможно использование нескольких одновременно работающих источников (или нескольких импульсов) с различной задержкой для формирования одного кадра или камер (каждая камера работает на свою дальность) с последующим суммированием видеосигналов, что ведет к существенному возрастанию аппаратных затрат (европейский патент N 0468175).

Использование трех камер, работающих на различные дальности, с соответственной цветовой кодировкой получаемых этими камерами изображений для определения дальности до объектов (европейский патент N 0531722) позволяет оценить дальность лишь приблизительно, особенно при работе в мутной среде (туман, дым, пыль и т.д.). Например, при наличии полосы тумана на переднем плане (красного цвета) и объекта на заднем плане (синего цвета) результирующее изображение будет пурпурного цвета, что затруднит оценку дальности до объекта. Для людей, неправильно воспринимающих цвета, определение дальности с использованием такого прибора будет невозможно.

Известно устройство по патенту Великобритании N 1052178. Устройство включает в себя освещение объектов импульсным источником света, прием отраженного от объектов света приемником оптического изображения, причем конструкция приемника позволяет изменять по вертикали взаимное положение изображений объектов в зависимости от дальности до них.

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.).

Общим для упомянутых выше источников информации является использование активно-импульсного прибора, состоящего из электронно-оптического преобразователя (ЭОП), телевизионной камеры (ТК), оптически сочлененной с ЭОП, входного объектива, проецирующего изображение сцены на фотокатод ЭОП, электронных блоков управления ЭОП и лазерным излучателем, генерирующим короткие импульсы света.

Активно-импульсные приборы, построенные на основе электронно-оптического преобразователя и лазерной подсветки, обеспечивают наблюдение объектов с высоким качеством на местности практически независимо от уровня естественной освещенности, а также могут работать в условиях световых, метеорологических и искусственных помех. Примером может являться прибор, заявленный в патенте патент США: Ofer David, Yehuda Borenstein US 7,733464B2, МКИ G01C 3/08, 8.06.2010, который является аналогом предлагаемого технического решения. Принцип действия прибора отражен на фиг.2. Обозначения:

1 - импульс лазера длительностью τ;

2 - открытое состояние ЭОП длительностью θ;

3, 4 - зависимость от времени расстояния L=0,5c до объекта, от которого отразился передний и задний фронты лазерного импульса соответственно ∆L=0,5c(τ+θ) - глубина просматриваемой сцены;

n=f·T_k - количество лазерных импульсов частоты f за время кадра T_k;

t₃ - время задержки включения ЭОП;

с - скорость света.

Работа прибора происходит следующим образом: лазер генерирует импульс света, длительностью τ, который распространяется в глубину сцены. Часть энергии импульса отражается от объектов, расположенных на различных расстояниях от излучателя, возвращается и попадает на фотокатод ЭОП. Если при этом ЭОП включить на время θ с заданной задержкой по времени t₃, то будет зарегистрировано изображение участка сцены глубиной ∆L=0,5c(τ+θ), находящегося на расстоянии ∆L 0,5с t₃. Если повторять этот процесс с частотой f, то получается n=f T_k (T_k - длительность кадра) изображений участка сцены глубиной ∆L и находящемся на расстоянии L, которые суммируются в одном кадре.

Такой способ наблюдения практически не зависит от освещенности на местности, т.к. его воздействие на приемник ослаблено в число раз, равное 1/f·θ. Для примера, при f=10³ Гц и θ=10^-7 сек ослабление равно 10⁴ раз. При таких условиях прибор может работать в дневных условиях, а также при наличии мощных точечных засветок: встречные фары, костры, осветительные фонари и т.п.

Включение ЭОП на короткое время обеспечивает регистрацию только отраженного от объекта потока лазерного излучения. Рассеянный в атмосфере поток излучения не регистрируется приемным каналом прибора. В результате прибор позволяет вести наблюдение в условиях метеопомех: снег, туман, дым, дождь и т.п.

Недостатком этого технического решения является то, что описанные выше преимущества прибора реализуются только при очень малых значениях величин τ и θ порядка 10^-8÷10^-6 сек, что соответствует ∆L от 1,5 м до 150 м. Это ограничение затрудняет обнаружение объектов наблюдения, требуется предварительное целеуказание и знание расстояния до объекта.

Значение ∆L можно увеличить за счет увеличения θ, но при этом устройство будет терять устойчивость к помехам.

Этот недостаток можно устранять, если применить, как это делается в прототипе предлагаемого технического решения (патент США: Jeffrey Thomas femillaed, willes H. Weber US 6,730,913 B2, МКИ G01J 5/00, 4.05. 2004), режим сканирования по глубине сцены.

Принцип действия прибора отражен на фиг.3.

Обозначения:

π - длительность включения ЭОП (π<θ);

t_3i - программно-изменяемое время задержки для i-того импульса лазера из n импульсов за один кадр, остальное то же, что на фиг.2.

В этом режиме прибор работает следующим образом (фиг.3). В течение времени кадра (стандарт 25 Гц) для каждого импульса лазера задается свое время задержки t_3i, а ЭОП включается на время π<θ: так, что за время кадра на каждый лазерный импульс просматриваются разные участки сцены, изображение этих участков суммируются в кадре. Такой режим управления обеспечивает достаточно большую глубину просматриваемой сцены: ∆L_max=0,5c(τ+π)·f·T_k, где T_k - длительность кадров с одновременным сохранением избирательности.

Однако, если сравнить схемы работы прототипа и аналога, то при одной и той же глубине сцены и одинаковых параметрах лазерных импульсов облученность объектов в случае аналога в f·T_k раз выше, чем для прототипа. Это получается, из-за того, что за время кадра (T_k) сигнал от объекта в случае прототипа регистрируется один раз, а в случае аналога f·T_k раз.

Недостатком этого технического решения является то, что для компенсации этих потерь в прототипе предлагается изменять (увеличивать) амплитуду лазерных импульсов либо увеличивать усиление ЭОП. Такие способы компенсации не эффективны: так, для f=10³ Гц и T_k=25·10^-3 сек амплитуду лазерного импульса надо увеличить в 25 раз, что не приемлемо на практике. То же самое касается усиления ЭОП, величина которого должна быть оптимальна для получения качественного изображения с минимальными флуктуациями. Кроме этого, в прототипе максимальная глубина сцены ограничена величиной ∆L_max.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение получения четкости и яркости изображения с увеличенной глубиной сцены за счет увеличения облученности объектов с одновременным упрощением используемого оборудования.

Указанный технический результат достигается в способе определения местоположения или обнаружения объекта, с использованием активно-импульсного прибора, включающего в себя приемный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и лазерный излучатель, генерирующий короткие импульсы подсветки объекта, отражения которых от объекта затем суммируют в кадре ЭОП, тем, что после каждой генерации короткого импульса подсветки объекта с заданной длительностью τ осуществляют периодическое включение ЭОП на время π через заданное время задержки t₃ с частотой f_г=1/(π+τ)в течение заданного времени θ, причем число включений ЭОП на один импульс подсветки объекта выбирают не более величины K_max=(t_3Kmax-t₃)/(τ+π),

где t_3Kmax=(1/f-π) - максимальное время задержки включения ЭОП для лазерного излучателя, генерирующего короткие импульсы подсветки объекта с частотой f,

t₃ - время задержки включения ЭОП до момента начала периода времени θ.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема принципа действия активно-импульсного прибора в соответствии с предлагаемым техническим решением.

На фиг.2 показан принцип действия активно-импульсного прибора в способе-аналоге.

На фиг.3 показан принцип действия активно-импульсного прибора с управляемым временем задержки в способе-прототипе.

Реализуют на практике способ определения местоположения или обнаружения объекта достаточно просто. Так же как в аналоге, прототипе и большинстве примеров из уровня техники, используют активно-импульсный прибор, включающий в себя приемный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и лазерный излучатель, генерирующий короткие импульсы подсветки объекта, отражения которых от объекта затем суммируют в кадре ЭОП. После каждой генерации короткого импульса подсветки объекта с заданной длительностью τ осуществляют периодическое включение ЭОП на время π через заданное время задержки t₃ с частотой f_г=1/(π+τ)в течение заданного времени θ, причем число включений ЭОП на один импульс подсветки объекта выбирают не более величины K_max=(t_3Kmax-t₃)/(τ+π),

где t_3Kmax=(1/f-π) - максимальное время задержки включения ЭОП для лазерного излучателя, генерирующего короткие импульсы подсветки объекта с частотой f,

t₃ - время задержки включения ЭОП до момента начала периода времени θ.

Таким образом, предлагается более рациональное решение, суть которого иллюстрируется схемой на фиг.1, на которой обозначены:

T=(τ+π) - период включения ЭОП,

t_3Kmax=(1/f-π) - максимальное время задержки для одного импульсного лазера,

_Kmax=(t_3Kmax-t_3i)/(τ+π) - максимальное число раз включения ЭОП на один импульс лазера,

К_раб - рабочее число включения ЭОП, определяемое его чувствительностью и мощностью лазерного излучения.

Остальные обозначения в соответствии с фиг.2 и 3.

Для каждого импульса лазерного излучения, через заданное время задержки t₃ осуществляется запуск генератора, включающего ЭОП на время π с частотой

f_г=1/π+θ, что обеспечивает просмотр участка сцены ∆L_max=0,5c(π+θ)·f_г(1/f-t₃).

Для примера π=100 нс, θ=100 нс, t₃=100 нс, f_г=1/200 нс=5 мГц, f=5 кГц:

∆L_max=30·(5·10³-0,5)≈15·10⁴ м.

Такая большая глубина сцены не достижима на практике. Реальное значение ∆L_раб определяется чувствительностью ЭОП и мощностью лазерного излучения. Эта величина при прочих равных условиях всегда будет больше, чем ∆L_max в прототипе.

В случае настоящего изобретения можно уровнять временем задержки - t₃ и добиваться повышенной облученности для дальних участков.

Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения обеспечивается достижение технического результата в виде обеспечения получения четкости и яркости изображения с увеличенной глубиной сцены за счет увеличения облученности объектов с одновременным упрощением используемого оборудования.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Способ определения местоположения или обнаружения объекта, с использованием активно-импульсного прибора, включающего в себя приемный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и лазерный излучатель, генерирующий короткие импульсы подсветки объекта, отражения которых от объекта затем суммируют в кадре ЭОП, в котором после каждой генерации короткого импульса подсветки объекта с заданной длительностью τ осуществляют периодическое включение ЭОП на время π через заданное время задержки t₃ с частотой f_г=1/(π+τ) в течение заданного времени θ, причем число включений ЭОП на один импульс подсветки объекта выбирают не более величины K_max=(t_3Kmax-t₃)/(τ+π), где t_3Kmax=(1/f-π) - максимальное время задержки включения ЭОП для лазерного излучателя, генерирующего короткие импульсы подсветки объекта с частотой f, t₃ - время задержки включения ЭОП до момента начала периода времени θ. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения четкости и яркости изображения с увеличенной глубиной сцены. 3 ил.

Способ определения местоположения или обнаружения объекта, с использованием активно-импульсного прибора, включающего в себя приемный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и лазерный излучатель, генерирующий короткие импульсы подсветки объекта, отражения которых от объекта затем суммируют в кадре ЭОП, отличающийся тем, что после каждой генерации короткого импульса подсветки объекта с заданной длительностью τ осуществляют периодическое включение ЭОП на время π через заданное время задержки t₃ с частотой f_г=1/(π+τ) в течение заданного времени θ, причем число включений ЭОП на один импульс подсветки объекта выбирают не более величины K_max=(t_3Kmax-t₃)/(τ+π),
где t_3Kmax=(1/f-π) - максимальное время задержки включения ЭОП для лазерного излучателя, генерирующего короткие импульсы подсветки объекта с частотой f,
t₃ - время задержки включения ЭОП до момента начала периода времени θ.