ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Советский патент 1994 года по МПК G01S3/78 

Изобретение касается оптической локации и может быть использовано для определения угловых координат источников излучения в системах оптической ориентации объектов, в робототехнике - для реализации систем технического зрения роботов.

Целью изобретения является повышение точности, быстродействия, уменьшение габаритно-весовых характеристик устройства.

На фиг. 1 показана конструкция пеленгатора; на фиг. 2 - топология матрицы фотоячеек; на фиг. 3 - процесс измерения пеленга по одной координате.

Устройство содержит матрицу оптических систем 1; оптические оси матрицы 2; матрицу фоточувствительных ячеек 3; фоточувствительную ячейку 4; усилитель 5 сигнала фотоприемника; вычислитель пеленга 6; X, Y, Z - оси прямоугольной системы координат, связанные с данной ячейкой матрицы; I, II, III, IV - фоточувствительные элементы ячейки соответствующих квадрантов; I_I, I_II, I_III, I_IV - выходы матрицы фотоячеек; лучи источника 7; растр линз 8; многощелевую диафрагму 9; плоскость фотоприемника 20 (матрицы фотоячеек), α- пеленг источника, f - фокусное расстояние, h - размер элемента (щелевой диафрагмы) по координате.

На диаграмме (фиг. 3а) показано распределение освещенности изображения, формируемое растром линз; на диаграмме (фиг. 3д) - многощелевой диаграммой. Здесь Х_о - координата элементарного изображения.

На диаграммах (фиг. 3б, е, в, ж, г, з) изображены функции фоточувствительности соответственно S₁(x), S₂(x) и S₁(x) - S₂(x), образованные линейными комбинациями сигналов фотоприемного тракта.

На фиг. 3и показана дискриминационная характеристика пеленгатора. Здесь U_макс и -U_макс соответственно максимальное и минимальное выходные напряжения.

Оптико-электронный пеленгатор содержит формирователь изображения - матрицу оптических систем 1 (фиг. 1), оптические оси 2 которых параллельны одна другой, координатный фотоприемник - матрицу фоточувствительных ячеек 3, оптически сопряженных с матрицей оптических систем 1. Каждая ячейка 4 состоит из четырех независимых фоточувствительных элементов I, II, III, IV, расположенных в квадрантах прямоугольной X, Y-системы координат, связанной с данной ячейкой. Соответствующие оси координатных систем всех ячеек параллельны одна другой, а фоточувствительные элементы одноименных квадрантов всех ячеек параллельно соединены (фиг. 2). Оптически оси 2 (фиг. 1) матрицы оптических систем 1 совпадают с Z-осями систем координат соответствующих ячеек. Выходы фотоприемника 3 соединены со входами четырехканального усилителя сигналов фотоприемника 5, выходы усилителя 5 - со входами пеленгов 6.

Устройство работает следующим образом. Матрица оптических систем 1 формирует в плоскости матрицы фоточувствительных ячеек 3 ряд идентичных изображений удаленного источника. Положение изображений относительно соответствующих элементарных координатных систем матрицы фотоячеек характеризует направление на удаленный источник. Преобразованные в фототоки потоки излучения, попадающие на элементарные фоточувствительные элементы I, II, III, IV, суммируются в соответствии с принадлежностью к одноименным квадрантам по всем ячейкам приемника. Выходные сигналы фотоприемника представляют собой суммы фототоков I_I, I_II, I_III, I_IV элементов одноименных квадрантов, которые после усиления в четырехканальном усилителе 5 поступают в вычислитель пеленга 6.

Вычисление пеленга происходит по формулам
tgα_x= K, (1)
tgα_y= K, (2) где tgα _x, tgα _y - тангенсы углов направлений на излучающий источник соответственно в плоскостях X_Z и Y_Z;
U_I , U_II
U_III, U_IV - суммарные сигналы фоточувствительных элементов соотвественно первого-четвертого квадрантов;
К - масштабный коэффициент.

Вычисление пеленгов по формулам (1) и (2) поясняются на фиг. 3. Здесь лучи источника 7, проходя через растр линз 8 или многощелевую диафрагму 9, образуют в плоскости фотоприемника 10 многоэлементные изображения Е(х), представленные в диаграммах а и д соответственно.

Иллюстрируемый одномерный процесс измерения пеленга соответствует измерению положений Х элементарных изображений Е(х) вдоль координаты Х. Показанные на диаграммах (фиг. 3б, в, г, е, ж, з) функции фоточувствительности S₁(x), S₂(x), S₁(x) - S₂(x) образованы линейными комбинациями сигналов U_I, U_II, U_III, U_IV - фотоприемного тракта, которые в свою очередь есть результаты интегрального преобразования сигнала изображения Е(х), т. е.

U₁= E(x) S_I(x)dx, (3)
U_II= E(x) S_II(x)dx, (4)
U_III= E(x) S_III(x)dx, (5)
U_IV= E(x) S_IV(x)dx, (6) где S_I, S_II, S_III, S_IV - функции фоточувствительности фотоприемника, реализуемые пространственным распределением элементов соответствующих квадрантов с учетом тракта усиления;
х_макс - размер приемной поверхности по координате Х.

Функци S₁(x) и S₂(x) выражаются следующим образом:
S₁(x) = S_I(x) + S_II(x), (7)
S₂(x) = S_III(x) + S_IV(x). (8)
На фиг. 3д показана дискриминационная характеристика пеленгатора, т. е. зависимость напряжения U(x_c), определяемого функцией фоточувствительности S₁(x) - S₂(x), от координаты Х положения изображения. Размеры участков нелинейности определяются в основном формой распределения освещенности изображения Е(х). Для изображений с высокой крутизной фронтов, формируемых многощелевой диафрагмой (фиг. 3д), эти участки имеют принебрежимо малые размеры. Для изображений с гауссовой формой (фиг. 3а) размеры участков нелинейности возрастают.

Значение масштабного коэффициента К в формулах (1), (2) также зависит от формы распределения освещенности изображения.

Для распределения освещенности изображения, формируемого многощелевой диафрагмой, при равенстве размеров щелей и размеров элементов приемника:
K = h/f, (9) где h - размер элементов приемника;
f - расстояние от плоскости щелевой диафрагмы до плоскости фотоприемника.

По сравнению с известным предлагаемый пеленгатор обладает повышенными точностью и быстродействием, уменьшенными габаритно-весовыми характеристиками. (56) Optocal Engineering, 1981, vol. 20, pp. 135-142.

Малашин М. С. и др. Основы проектирования лазерных локационных систем. - М. : Высшая школа, 1982, с. 152-155.

Изобретение касается оптической локации и может быть использовано для определения угловых координат источников излучения в системах оптической ориентации объектов, для реализации систем технического зрения роботов. Изобретение позволяет повысить точность и быстродействия при измерении пеленгов источников, а также снизить габаритно-весовые характеристики пеленгатора. Изобретение основано на взаимодействии многоэлементного изображения источника излучения, формируемого матрицей оптических систем 1 (растром линз или многоцелевой диафрагмой), с матрицей фоточувствительных ячеек 3, выполненной на одной полупроводниковой подложке. Каждая фотоячейка 4 представляет собой четырехквадрантный фотоприемник. Фоточувствительные элементы одноименных квадрантов всех ячеек матрицы параллельно соединены. Оптические оси матрицы оптических систем параллельны и совпадают с Z-осями матрицы фотоячеек. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕЛЕНГАТОР, включающий последовательно установленные и оптически сопряженные формирователь изображения источника и координатный фотоприемник, последовательно соединенные четырехканальный усилитель сигналов фотоприемника и вычислитель пеленга, при этом четыре выхода координатного фотоприемника соединены с соответствующими входами четырехканального усилителя сигналов фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия, уменьшения габаритно-массовых характеристик, формирователь изображения выполнен в виде матрицы оптических систем, оптические оси которых параллельны друг другу, координатный фотоприемник содержит матрицу фоточувствительных ячеек, оптически сопряженных с матрицей оптических систем, каждая их ячейка выполнена в виде четырехквадрантного фотодетектора, причем оси прямоугольных систем координат, связанных с каждой ячейкой параллельны, а фоточувствительные элементы одноименных квадрантов всех ячеек параллельно соединены. 2. Пеленгатор по п. 1, отличающийся тем, что матрица оптических систем образована растром линз. 3. Пеленгатор по п. 1, отличающийся тем, что матрица оптических систем образована многощелевой диафрагмой. 4. Пеленгатор по п. 1, отличающийся тем, что фоточувствительные ячейки и межячеичные соединения выполнены на единой полупроводниковой подложке.