СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО РАССЕЯННОЙ В АТМОСФЕРЕ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
METHOD OF LOCATING SOURCE OF OPTICAL RADIATION BASED ON COMPONENT SCATTERED IN ATMOSPHERE

Изобретение относится к области мониторинга (измерения) местоположений источников оптического излучения (ИОИ) и может быть использовано в системах обеспечения вхождения в связь, системах траекторных измерений, а также в системах координатометрии оптико-электронных средств различного базирования и т.п.
Известен наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату способ определения направления на ИОИ по рассеянной в атмосфере составляющей (см., например, А.Ю. Козирацкий, Ю.Л. Козирацкий, П.Е. Кулешов и др. Патент №2285275, Россия, G01S 17/06. Определения направления на источник оптического излучения по рассеянной в атмосфере составляющей и устройство его реализации. - М: РОСПАТЕНТ. Опубл. 10.10.2006, бюл. №28, 2006), основанный на применении первого и второго оптико-электронных координаторов (ОЭК) с матричными фотоприемниками, приемные плоскости которых перпендикулярны, осуществлении координатной привязки фотоэлементов матричных фотоприемников, приеме ОЭК рассеянного атмосферным каналом оптического излучения ИОИ, определении координат фотоэлементов противоположных по периметру линеек фотоэлементов первого и второго ОЭК с матричными фотоприемниками, сигнал на выходе которых имеет максимальное значение, и вычислении по их значениям угловых координат ИОИ.
Недостатком способа является невозможность одновременного определения пространственного положения оптического луча и координат самого ИОИ из-за отсутствия в способе оценки дальности до ИОИ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является определение местоположения ИОИ по рассеянной в среде распространения составляющей.
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения местоположения ИОИ по рассеянной в атмосфере составляющей, основанном на применении двух ОЭК с матричными фотоприемниками, приемные плоскости которых взаимно перпендикулярны, осуществлении координатной привязки фотоэлементов матричных фотоприемников двух ОЭК, приеме рассеянного атмосферным каналом оптического излучения ИОИ двумя ОЭК с матричными фотоприемниками, определяют крайние фотоэлементы противоположных по периметру линеек фотоэлементов двух ОЭК с матричными фотоприемниками, сигнал на выходе которых превысил пороговое значение, и вычисляют по значениям координат их местоположения координаты местоположения ИОИ.
Сущность изобретения заключается в применении двух ОЭК с матричными фотоприемниками, принимающих рассеянное атмосферным каналом излучение направленного ИОИ. Каждый фотоэлемент матрицы имеет координатную привязку. Для оценки координат местоположения ИОИ задействованы крайние по периметру линейки фотоэлементов матрицы. Определение координат местоположения ИОИ осуществляется по положению крайних фотоэлементов линеек, имеющих выходные сигналы, координаты которых являются крайними точками «диаметров» проекций изображений оптического луча ИОИ на плоскости матриц ОЭК.
B21
B22,
H21
H22
B11
В12
H11
Н12
На фигуре 1 представлена схема, поясняющая способ, где: 1, 2 - верхняя и нижняя линейки фотоэлементов первого матричного ОЭК; 3, 4 - верхняя и нижняя линейки фотоэлементов второго матричного ОЭК; 5 - направленный ИОИ. Для упрощения понимания сущности способа и снижения математической (вычислительной) нагрузки на фигуре 1 упразднено влияние элементов оптического тракта ОЭК на формирование изображений в плоскости матричных приемников. Также поле первого ОЭК лежит в координатной плоскости y0z, а поле второго ОЭК лежит в координатной плоскости x0z, причем нижние линейки фотоэлементов 2 и 4 матриц расположены на координатных осях х00 и 0у0 соответственно для обоих координаторов. При оценке координат местоположения ИОИ 5 задействованы крайние по периметру линейки фотоэлементов, в частности верхние и нижние линейки первого и второго ОЭК 1-4. Каждый фотоэлемент матрицы имеет координатную привязку относительно начала координат. Направленный ИОИ 5 размещен в точке С и формирует оптический луч, попадающий в поля зрения ОЭК. Матричные ОЭК принимают рассеянное атмосферным каналом излучение направленного ИОИ 5. В зависимости от параметров передающей системы ИОИ 5 (см., например, А.С. Борейшо. Лазеры: Устройство и действие. - С. Петербург: изд. Механический ин-т, 1992, стр. 117; Р.Я. Штейнман, С.М. Шапиро, З.А. Косарева и др. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. - М.: изд. Советская энциклопедия, 1969, стр. 381) сфокусированное изображение луча на фоточувствительных матрицах ОЭК будет отображать его расходимость θ. Поэтому на дистанции распространения диаметры сечения оптического луча ИОИ будут различны. В результате на линейках фотоэлементов матриц ОЭК 1-4 формируются различные по протяженности изображения луча направленного ИОИ 5 (представленные затемненными элементами). Для определения координат местоположения ИОИ 5 используются крайние фотоэлементы линеек 1-4, имеющие выходные сигналы, координаты которых являются крайними точками «диаметров» проекций изображений оптического луча на линейках фотоэлементов 1-4 матриц ОЭК. Следовательно, положение фотоэлементов, значения токов выходных сигналов которых превысили пороговое значение, ограничивается крайними фотоэлементами верхней и нижней линеек 3, 4 с координатами (х,0,Н), (х0,Н), (х,0,0), (х,0,0) для второго ОЭК и фотоэлементами верхней и нижней линеек 1, 2 с координатами (0,у,Н), (0,у,Н), (0,у,0), (0,у,0) для первого ОЭК (где подстрочные знаки обозначают: первые В, Н - принадлежность к верхней и нижней линейкам фотоэлементов соответственно; вторые 1, 2 - принадлежность к первому и второму ОЭК соответственно; третье 1, 2 - крайние координаты фотоэлементов, выходные сигналы которых превысили пороговое значение относительно начала координат соответственно). Эти значения координат фотоэлементов в дальнейшем используются при расчете координат местоположения направленного ИОИ 5.
При расчете координат местоположения ИОИ 5 могут быть использованы различные аппаратно реализованные математические модели, вытекающие из геометрии взаимного положения ОЭК и ИОИ, одна из которых приведена ниже.
H
B
Определяют диаметры оптического пучка dи dсоотносительно верхних и нижних линеек фотоэлементов 1-4 матричных ОЭК.
Вычисляют угловое положение лазерного луча ε в пространстве по формуле:
где Н - расстояние между верхней и нижней линейками фотоэлементов ОЭК,
- длина оптического луча ИОИ 5 между верхней 1, 3 и нижней 2, 4
линейками фотоэлементов 1-4 ОЭК.
ИОИ
В
В
Н
Н
Н
1
<mrow><mtext>k</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mtext>L</mtext></mfrac></mrow>
Определяют высоту Н, на которой находится источник излучения, относительно нижней линейки фотоэлементов ОЭК, используя соотношения подобия образованных фигур (треугольников ΔСАВ и ΔСАВ). Для этого вводят в рассмотрение отношения
с учетом расходимости лазерного луча θ (L - расстояние СА между ИОИ и центральной точки пучка относительно нижних линеек 2, 4 фотоэлементов, L - длина неспроецированного участка оптической оси луча):
Тогда
Высоту, на которой находится ИОИ 5, относительно нижних линеек 2, 4 ОЭК определяют как:
ИОИ
Используя выражения (2) и (5), вычисляют координату z ИОИ 5 по оси Z
0
0
где z - координата нижней линейки фотоэлементов ОЭК по оси Z. При принятых ограничениях установки (фигура 1) ОЭК z=0.
H
H
H
H
B
B
В
B
Находят координаты точек оси пучка ИОИ 5 A(x, y, z) и A(x, y, z) относительно верхних и нижних линеек фотоэлементов 1-4 матричных ОЭК.
Решают систему уравнений, описывающую положение лазерного луча, проходящего через две данные точки
ИОИ
ИОИ
ИОИ
и находят координаты местоположения ИОИ 5 С(x, y, z)
Таким образом, на основе полученных значений координат крайних точек диаметров оптического луча относительно верхних и нижних линеек фотоэлементов 1-4 матричных ОЭК рассчитываются значения координат местоположения ИОИ 5.
На фигуре 2 представлена блок-схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ (затемненные фотоэлементы имеют выходные сигналы, величина тока растет с насыщением тени). Блок-схема устройства включает: 6 - направленный ИОИ, 7 - матричные ОЭК, 8 - микропроцессор, 9 - противоположные линейки фотоэлементов ОЭК, 10 - координаты крайних фотоэлементов противоположных линеек фотоэлементов ОЭК, выходные сигналы которых превысили пороговое значение.
Устройство работает следующим образом. Матричные ОЭК 7 установлены на местности, причем их приемные плоскости ортогональны. Каждый фотоэлемент матрицы ОЭК 7 имеет координатную привязку в декартовой системе координат. Рассеянное оптическое излучение направленного ИОИ 6 принимается ОЭК 7. Координаторы 7 измеряют токи выходных сигналов противоположных линеек фотоэлементов 9 матриц, на основе значений которых выделяют координаты крайних фотоэлементов, сигналы которых превысили пороговое значение 10. Далее ОЭК 7 формируют информационные сигналы о перечисленных значениях координат фотоэлементов и передают их в микропроцессор 8, который по поступившим данным вычисляет координаты местоположения ИОИ 6.
Таким образом, у заявляемого способа появляются свойства, заключающиеся в возможности определения координат местоположения ИОИ за счет оценки координат пространственного распределения рассеянного изображения оптического луча двумя разнесенными ОЭК. Тем самым предлагаемый авторами способ устраняет недостатки прототипа.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ определения местоположения ИОИ по рассеянной в атмосфере составляющей, основанный на применении двух ОЭК с матричными фотоприемниками, приемные плоскости которых взаимно перпендикулярны, осуществлении координатной привязки фотоэлементов матричных фотоприемников двух ОЭК, приеме рассеянного атмосферным каналом оптического излучения ИОИ двумя ОЭК с матричными фотоприемниками, определении крайних фотоэлементов противоположных по периметру линеек фотоэлементов двух ОЭК с матричными фотоприемниками, сигнал на выходе которых превысил пороговое значение, и вычислении по значениям координат их местоположения координат местоположения ИОИ.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптико-электронные и электротехнические узлы и устройства.