СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL POSITION OF OBJECTS AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, может быть использовано для одновременного измерения расстояния до объектов, находящихся в поле обзора, их угловых координат и взаимного расположения.
Известен способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат, состоящий в излучении в направлении зоны обзора импульса света, например, с помощью инфракрасных светодиодов и детектировании отраженных импульсов света, например, с помощью фоточувствительных элементов. При излучении одного импульса света от объектов в зоне обзора, находящихся на разных угловых координатах и разных расстояниях, отражаются множество импульсов света, которые фокусируются и детектируются фоточувствительными элементами. Положение фоточувствительного элемента, на который поступает отраженный импульс света, определяет угловые координаты объекта в зоне обзора, от которого поступил сигнал, соответствующий детектированному импульсу света. Импульс света, в силу Эффекта Доплера, при отражении от движущегося объекта изменяет свою длительность - увеличивается, если объект удаляется, и уменьшается, если объект приближается, при этом изменяются несущая частота и частота модуляции сигнала. Изменение несущей частоты при отражении от движущегося объекта приводит к изменению длительности отраженного импульса света. Сигналы от отраженных импульсов света, детектированные на фоточувствительных элементах, оцифровывают [Способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления [Патент РФ №2521203 C1, М.кл. G01C 3/08; G01S 17/58; G01P 3/36 от 27.12.2012 г.].
Недостатком этого способа является ограниченное поле обзора из-за узкой диаграммы направленности излучения.
Известны фасеточные оптико-электронные системы, поле обзора которых перекрывается множеством оптических каналов, состоящих из объектива и приемника излучения (Устройство для обнаружения и измерения азимутального угла светоизлучающих импульсных объектов, [патент РФ №2494343 С1, М.кл. G01С 1/00 от 10.04.2012 г.]). Такие системы обладают высоким быстродействием, но не обеспечивают измерение дальности до объекта, что является их недостатком.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ наземного лазерного сканирования, заключающийся в направлении лазерного импульсного излучения с малым углом расходимости на объекты, сканировании лазерным излучением поля обзора с помощью оптико-механической системы с одновременным измерением угловых координат направленного излучения, приеме (детектировании) отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, вычислении дальности до объекта по времени прихода импульсов для каждого углового направления и формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки (точки) объекта. Способ реализуется в устройствах наземных лазерных сканеров [Монография «Наземное лазерное сканирование»: В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с., стр. 9].
Недостатком способа является низкое быстродействие в связи с оптико-механическим сканированием.
Целью изобретения является повышение быстродействия при формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки объекта.
Поставленная цель достигается тем, что объект облучают во множестве формируемых двумерной дифракционной решеткой направлений, перекрывающих в совокупности поле обзора и образующих матрицу смежных оптических каналов, при этом каждому оптическому каналу задают определенное угловое направление, сигнал в каждом оптическом канале поступает на соответствующий элемент матрицы приемников излучения, а дальность до точки объекта вычисляется в каждом из оптических каналов, при этом в устройстве, реализующем способ, лазерный излучатель снабжен расширителем пучка, за которым установлена двумерная дифракционная решетка, приемник излучения выполнен в виде матрицы элементов, оптически сопряженных через приемный объектив с дифракционной картиной, а блок управления излучением лазера выполнен в виде модулятора и генератора опорного сигнала, подключенного одновременно к модулятору и процессору.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где обозначены: 1 - лазер, 2 - расширитель пучка, 3 - дифракционная решетка, 4 - дифракционная картина в пространстве объектов, 5 - приемный объектив, 6 - матрица приемников излучения, 7 - многоканальный фазометр, 8 - процессор, 9 - генератор опорного сигнала, 10 - модулятор.
Способ реализуется следующим образом.
В пространстве объектов с помощью лазерного излучателя создается множество пучков лазерного излучения, образующих пространственную структуру в виде сетки с равномерным расположением пучков по ортогональным направлениям.
а
Расширитель пучка 2 лазерного излучателя представляет собой телескопическую систему с увеличением, достаточным для облучения двумерной дифракционной решетки 3, состоящей из сетки отверстий, расположенных с одинаковым шагом (периодом) по ортогональным осям. Угол дифракции θ определяется размером отверстия и длиной волны излучения лазера 1. Дифракционная картина в пространстве объектов содержит максимумы, расположенные через определенный постоянный интервал. При прямоугольной форме отверстий со стороной  этот интервал равен в угловой мере . Угловое поле приемного объектива охватывает определенную часть дифракционной картины, определяемую размерами чувствительной поверхности матрицы приемников излучения и фокусным расстоянием объектива. Матрица 6 содержит m x n элементов, каждый из которых воспринимает поток излучения в определенном постоянном направлении. По отраженным от объекта пучкам излучения в каждом направлении измеряют дальность до отражающего элемента объекта. В результате измерений получают массив (облако) точек, для каждой из которых известны угловое направление и дальность.
Устройство работает следующим образом.
Генератор опорного сигнала 9 создает высокочастотный сигнал несущей частоты, который через модулятор 10 управляет излучением лазера. Лазер 1 излучает соответствующее непрерывное гармоническое излучение с постоянной начальной фазой. Пучок излучения лазера коллимируется расширителем пучка 2 и облучает дифракционную решетку 3. В результате дифракции в пространстве объектов создается дифракционная картина 4 в виде совокупности узких оптических пучков, облучающих объект. Отраженное от объекта излучение принимается объективом 5, в фокальной плоскости которого расположена матрица приемников излучения 6. При распространении излучения в каждом оптическом канале возникает разность фаз между опорным сигналом и сигналом, отраженным от объекта, пропорциональная дальности до соответствующего элемента объекта, отражающего сигнал. Сигналы с элементов матрицы поступают в многоканальный фазометр 7, измеряющий фазовый сдвиг в каждом канале. Процессор 8 вычисляет дальности до элементов поверхности объекта в каждом направлении, задаваемом углом дифракции, при этом определенные элементы матрицы приемников излучения принимают поток только соответствующего направления, а поэтому направление на элемент отражающей поверхности определяется по номеру элемента в матрице приемников излучения. Таким образом, процессор 8, формирует массив координат каждой поверхности объекта (дальность и угловые координаты по двум осям).