ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СЛЕЖЕНИЯ ЗА ПРОТЯЖЕННЫМ ОБЪЕКТОМ

Полезная модель относится к системам автоматического обнаружения и сопровождения удаленных протяженных объектов, и, в частности, к средствам оптической локации, использующим лазерное сканирование пространства и цифровую систему регистрации и обработки отраженного оптического сигнала. Устройство может быть использовано в лазерных локационных системах наведения и целеуказания противотанковых и зенитных ракетных комплексов ближней тактической зоны.
Необходимость создания новой лазерной системы пеленгации и автоматического сопровождения протяженных объектов в настоящее время весьма актуальна, так как многие радиолокационные системы слежения за удаленными объектами не обладают достаточной разрешающей способностью и на малых дальностях не дают исчерпывающего информационного образа протяженного объекта, оценок угловой скорости и направления его движения. Это в первую очередь связано с недостаточной информационной емкостью поступающего на систему слежения сигнала. В результате не в полной мере реализуются требования высокоточного наведения на протяженные цели управляемых артиллерийских боеприпасов.
В качестве аналога технического решения может быть указана известная система обнаружения и опознавания [Система обнаружения и опознавания, патент RU 2115955 С1; кл. G08G 9/00, G05D 1/12; 1998], содержащая установленные на первом объекте источник лазерного излучения и соединенный с его выходом модулятор, последовательно соединенные пульт управления, привод наведения и оптическую формирующую систему, съюстированную с источником лазерного излучения. Система содержит размещенные на первом объекте индикатор дальности, блок кодирования, переключатель, первое реле времени, задатчик времени излучения, дальномер, панкратическую систему с приводом, приемник лазерного излучения, демодулятор, измеритель времени излучения, блок сравнения и индикатор, датчик отклонения, блок отклонения с приводом, на втором объекте - индикатор, датчик отклонения, блок декодирования, уголковый отражатель с диафрагмой, приемник лазерного излучения, демодулятор, второе реле времени и привод диаграммы.
Известное техническое решение позволяет измерять дальность до цели и получать дополнительную информацию о цели, которую можно использовать для ее распознавания. Однако известная система не обеспечивает выделение информации о геометрических характеристиках протяженного объекта, что ограничивает ее функциональные возможности. Кроме того, из-за недостаточного объема информации и малого энергетического отношения сигнал/помеха система не обеспечивает высокую вероятность правильного обнаружения.
Известна лазерная система слежения [Реферат №1347725; G01S 17/00; 1999], которая содержит подвижную платформу, на которой размещены фотоприемник и последовательно оптически связанные управляющий лазер, снабженный блоком включения, оптический вентиль, светоделители и многоканальный приемно-передающий блок, каждый канал которого содержит оптически связанные фазовращатель и управляемый лазер с жестко соединенным с ним диссектором, блок сервоуправления и электрически связанные поисково-следящую систему и вычислитель. При этом подвижная платформа снабжена приводом и датчиком углового положения, оптические оси управляемого лазера и диссектора в каждом канале, выход фотоприемника через блок сервоуправления подключен к управляющим входам фазовращателя, управляющие входы диссекторов подключены к выходам поисково-следящей системы, дополнительный выход которой соединен с вычислителем и приводом подвижной платформы.
В известном техническом решении с целью увеличения углового поля системы в режиме обнаружения, центральный управляемый лазер многоканального приемно-передающего блока жестко закреплен на подвижной платформе, а остальные управляемые лазеры установлены с возможностью углового перемещения относительно центрального, выходы диссекторов подключены к входам вновь введенных ключей первой группы и к поисково-следящей системе через вновь введенные ключи второй группы, выходы ключей первой группы соединены с ключами второй группы в каждом канале и с входами ключей второй группы других каналов за исключением канала центрального управляемого лазера, дополнительный выход поисково-следящей системы подсоединен также к блоку включения управляющего лазера и к блоку сервоуправления, управляемые лазеры дополнительно снабжены вновь введенными приводами первой группы и датчиками контроля положения зеркал резонаторов, а также приводами второй группы и датчика контроля углового положения лазеров, причем выходы всех датчиков контроля соединены с соответствующими вновь введенными компараторами, выходы которых подключены к входам вновь введенных ключей третьей группы, а выходы вычислителя подключены к вторым входам компараторов и ключей третьей группы, выходы которых соединены с управляющими входами двух приводов и привода подвижной платформы.
К недостаткам системы следует отнести: сложность конструкторского решения, использование нескольких управляемых лазеров, необходимость согласования их работы, использование специальных электроприводов лазеров и, соответственно, датчиков контроля положения зеркал резонаторов и датчиков контроля углового положения лазеров. При этом, как следует из анализа имеющегося описания, исходных данных для получения графического портрета объекта слежения явно недостаточно.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для наблюдения объектов [Устройство для наблюдения объектов; патент RU 2263931 С1; кл. G01S 17/02, G02В 23/12; 2004], содержащее импульсный сканирующий лазер, представляющий собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электронно-лучевой трубки, формирующей электронный луч накачки и управления излучением, с первым формирующим объективом, сканирующий приемник излучения, содержащий последовательно установленные узкополосный фильтр, пропускающий излучение с длиной волны, соответствующей рабочей длине волны импульсного сканирующего лазера, второй формирующий объектив, в фокусе которого установлено светоклапанное устройство, и собирающую линзу, в фокусе которой установлен фотоприемник излучения, телевизионная камера выполнена с третьим формирующим объективом, при этом углы полей зрения импульсного сканирующего лазера и телевизионной камеры совпадают по направлению наблюдения, при этом блок управления соединен с телевизионной камерой, приемником излучения, светоклапанным устройством и импульсным сканирующим лазером.
Технический результат известного решения - повышение скорости обнаружения и слежения подвижных объектов посредством использования электронного метода пространственного оптического сканирования местности (сканирования поля зрения) импульсным сканирующим лазером и на основе обработки результатов сканирования.
Известное техническое решение в отличие от ранее рассмотренных аналогов обладает рядом качеств оптической локационной системы - целеуказателя, совмещающей качества телевизионных систем слежения и наведения, позволяет определять координаты обнаруженных объектов и дальность до них в условиях малых энергетических отношений сигнал/шум. К числу недостатков известного устройства для наблюдения объектов следует отнести сложность конструкции, обусловленная, в частности, наличием сканирующего фотоприемника, а также ограниченные возможности по созданию геометрического образа (портрета) лоцируемого протяженного объекта, что обусловлено использованием одноканального приемника излучения. Дополнительно укажем следующее.
1. Мощность импульсного лазерного источника с электронной накачкой ограничена вследствие того, что импульсный сканирующий лазер, используемый в прототипе (патент РФ №2126575, разработчик - НИИ "Платан", г.Фрязино, Московской обл.) используется в системах отображения информации, растровой оптической микроскопии и других сферах, не связанных с лазерным сканированием пространства на значительные расстояния. Основной задачей, решаемой устройством (патент №21265753) является уменьшение расходимости излучения лазерного электронно-лучевого прибора, но не повышение мощности лазерного источника. Очевидно, что одновременное совмещение функции развертки луча с использованием электронной накачки на излучающем экране с функцией повышения мощности импульса луча невозможно.
2. Невысокая информативная емкость поступающего сигнала связана с регистрацией отраженного луча на незначительной площади одноканального приемного устройства. Кроме того, чувствительность существующих фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не превосходит 10 мА/лм, как сказано в описании прототипа.
Предлагаемая полезная модель решает задачу автоматического слежения за протяженным объектом с определением его геометрического портрета. Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение информационной емкости поступающего сигнала за счет использования специальной схемы сканирования луча и многоканального приема вторичного излучения, а также повышение дальности устойчивого сопровождения за счет увеличения мощности сканирующего импульса. Вследствие этого обеспечиваются условия для формирования геометрического портрета протяженного объекта.
Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для слежения за объектом, содержащем импульсный источник излучения с формирующей оптикой, установленной на оптической оси импульсного источника, приемник излучения, отраженного от исследуемого объекта, с приемной оптикой и блок управления, в отличие от прототипа, импульсный источник излучения включает в себя лазер со стеклянной активной средой, объектив и блок развертки и модуляции, состоящий из светонепроницаемой камеры, приемного зеркала, вибрирующего зеркала, вибратора и модулятора, вибрирующее зеркало за счет магнитного вибратора обеспечивает колебание луча в вертикальном направлении (развертку луча), модулятор делит период развертки на несколько импульсов для увеличения частоты сканирующих импульсов, приемное устройство, жестко соединенное с источником излучения, выполнено в виде измерительной камеры, состоящей из светонепроницаемого корпуса, телескопического объектива с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели, включающей матрицу линз и матрицу ИК-модулей; при этом источник излучения вместе с измерительной камерой установлены на основании, осуществляющем колебательное вращение относительно подвижной платформы в горизонтальном направлении, в свою очередь подвижная платформа установлена на неподвижной платформе и относительно нее может производить разворот в вертикальном направлении; для осуществления вращения в горизонтальном и вертикальном направлениях измерительной камеры используются электроприводы с шаговыми исполнительными двигателями, сигналы с выходов ИК-модулей поступают на вход микропроцессорного блока управления, содержащего собственно микропроцессорный блок и цифровое индикаторное устройство, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам электроприводов горизонтального и вертикального наведения соответственно, третий выход блока управления соединен с управляющим входом телескопического объектива, а четвертый выход - связан с информационным входом монитора.
На фиг.1 представлена схема функциональная устройства слежения за протяженным объектом.
На фиг.2 изображена конструктивная схема блока развертки и модуляции в разрезе.
На фиг.3 изображена схема электрическая принципиальная одного ИК-модуля, представляющего собой ячейку измерительной матрицы.
На фиг.4 представлена схема структурная электрическая матрицы оптронов, являющихся выходными элементами измерительной матрицы.
Оптическое устройство слежения за протяженным объектом содержит (фиг.1): импульсный сканирующий лазер (лазерную пушку) 1, объектив 2, блок развертки и модуляции 3, измерительную камеру 4, состоящую из светонепроницаемого корпуса 4, телескопического объектива 5 с управляемым фокусным расстоянием, измерительной панели 6, состоящей из матрицы линз и матрицы ИК-модулей, основание 7, подвижную платформу 8, неподвижную платформу 9, электроприводы горизонтального и вертикального вращения 10, микропроцессорный блок управления (МБУ) с цифровым индикаторным устройством 11, монитор 12.
Оптическое устройство слежения за протяженным объектом может быть выполнено следующим образом.
3+
Импульсный сканирующий лазер (лазерная пушка) представляет собой лазер со стеклянной активной средой Na-Са-Si с примесью трехвалентного неодима Nd.
Стеклянная среда обладает рядом специфических свойств. Это материал, имеющий высокие оптические свойства и позволяющий в широких пределах варьировать размеры и форму рабочего тела. Лазеры на стекле могут быть выполнены в виде тонких волокон диаметром несколько микрон, а также в виде круглых стержней диаметром несколько сантиметров и длиной до двух метров. Стекло хорошо подходит для генерации импульсов с высокой энергией излучения.
3+
5
Диапазон длин волн на стеклах составляет от 0,92 до 1,66 мкм. Лазер на ионе N можно выполнить на длины волны излучения от 0,92 до 1,37 мкм. Генерация на неодиме для силикатного стекла Na-Са-Si обеспечивает длину волны 0,92 мкм. При наиболее эффективном отношении длины стержня к диаметру энергия стеклянных лазеров в режиме свободной генерации может достигать 150 Дж за импульс при длительности импульса 0,2…3 мс. В предлагаемом устройстве длительность импульса 0,28 мс, период подачи импульсов 0,56 мс. В устройстве генератор импульсов накачки лазера связан с генератором развертки, при этом длительность импульсов лазера совпадает с длительностью развертки. Так как для приемного устройства требуются импульсы излучения с тактовой частотой 36 кГц, для согласования сканируемых импульсов и приемного устройства отраженных импульсов их длительность должна быть равна 1/36000=0,028 мс. Таким образом, задачей модулятора является деление периода развертки на 0,28/0,028=10 частей. К.п.д. преобразования электрической энергии, подводимой к импульсной лампе накачки, в энергию оптического излучения лазеров на неодимовом стекле может превышать 5%. Мощность излучения лазера в импульсе достигает 10 т.
Для обеспечения развертки лазерного луча в вертикальном направлении на угол до 30° и его модуляции он проходит через блок развертки и модуляции (фиг.2), состоящий из светонепроницаемой камеры 1 со входным отверстием для прохождения сканирующего луча, приемного зеркала 2, вибрирующего зеркала 3, вибратора, состоящего из магнитных подошв 4, пластинчатой пружины 5 и двух катушек индуктивности 6 и модулятора 7, состоящего из пяти объективов, расположенных на пути прохождения луча лазера при своем колебании.
При подаче на катушки 6 импульсного напряжения (поочередно по времени) происходит вибрация зеркала 3, благодаря чему совершаются колебания сканирующего луча в вертикальном направлении. При прохождении через объективы модулятора 7 происходит деление сканирующего импульса лазера на импульсы излучения периодом 0,028 мс.
×
Габаритные размеры измерительной камеры около 450×450×600 мм. Телеобъектив измерительной камеры - зеркально-линзовый с переменным управляемым фокусным расстоянием. Фокусное расстояние меняется от 50 до 1500, то есть кратность фокусного расстояния 1500/50=30. Приближенные габаритные размеры измерительной панели могут быть следующие: 400×400×110 мм, количество ИК-модулей (ячеек оптронов) - 2500 (матрица 50×50). В матрице линз каждая выпуклая линза имеет квадратную форму с размерами около 8×8 мм и фокусным расстоянием около 25 мм.
Если отраженные от объекта импульсы лазерного излучения длиной волны 0,92-0,95 мкм и периодом 0,028 мс, проходя через объектив 5 (рис.1), поступают на один из секторов матрицы линз измерительной панели 6, то они попадают на входной фотодиод VD одной из матриц ИК-модулей (фиг.3).
На фотодиоде VD происходит преобразование информационного сигнала из оптического в электрический. Далее он буферным каскадом усиливается, фильтруется (для повышения помехоустойчивости) и формируется в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами на выходе. Система автоматической регулировки (АРУ) компенсирует фоновую засветку фотодиода. Калибровка АРУ сделана в паузах между импульсами, поэтому микросхема не реагирует на непрерывную помеху даже на рабочей частоте.
Благодаря интегратору и компаратору с гистерезисом в схеме обеспечивается защита от появления неконтролируемых выходных импульсов. В исходном состоянии, пока нет ИК-сигналов - выходной транзистор закрыт и на выходе будет напряжение, близкое к питанию. При подаче оптических импульсов длиной волны 0,92-0,95 мкм на фотодиод VD выходной транзистор открывается и потенциалы точек 1 и 3 становятся равными. При этом МДП-транзистор VT1 закрывается и на вход оптопары U1 поступает напряжение, в результате которого открывается ключ соответствующей ячейки матрицы оптронов (фиг.4).
В матрице оптронов управляемые ключи-оптроны расположены на пересечении горизонтальных и вертикальных шин. Горизонтальные шины соединены с выходами регистра горизонтальных шин (РГШ) - распределителя импульсов, выполненного по схеме кольцевого регистра. Микросхемы К176ТМ1, которые используются в регистре, являются D-триггерами с динамическим управлением. Их количество равно количеству горизонтальных шин, то есть 50.
Опрос вертикальных шин происходит с помощью регистра вертикальных шин (РВШ) - кольцевого регистра, выполненного аналогично на таких же микросхемах (D-триггерах К176ТМ1). На вход этого регистра поступают счетные импульсы частотой около 10000 Гц, с такой же частотой происходит опрос вертикальных шин. Счетные импульсы, поступающие на вход регистра горизонтальных шин, снимаются с одного из выходов регистра вертикальных шин, то есть частота их в 50 раз меньше (10000/50=200 Гц). Таким образом, период всего цикла обхода шин (опроса всех ячеек) составляет
При открывании ключей-оптронов в результате засветки фотодиодов логическая «1» (+напряжения питания) через открытые ключи поступает с соответствующих горизонтальных шин на вертикальную шину (рис.4) и, если в это время на одном из выходов регистра Q опроса вертикальных шин появляется единица, то на выходе соответствующей ячейки «И» в этот промежуток времени также возникнет «1», которая через выходной элемент «ИЛИ» поступает на вход системы управления 11 (рис.1). МСУ анализирует, какие импульсы из полного цикла опроса матрицы (всего 2500 импульсов) соответствуют засветке фотодиодов (то есть несут в себе «I» информации), какие импульсы несут в себе «0» информации. При сравнительном анализе через определенные интервалы времени всей совокупности поступающей информации определяются те ячейки матрицы, которые свойственны движущимся предметам, попавшим в «поле зрения» измерительной панели. На основании такого анализа формируется «образ» объекта, который после обработки в МСУ может быть воспроизведен на экране монитора 12.
Для лучшего воспроизведения «образа» объекта, для возрастания разрешающей способности изображения необходимо увеличивать количество ячеек матрицы. Например, при увеличении разрядности регистра вдвое (до 100) количество ячеек для воспроизведения «образа» объекта увеличивается до 10000, то есть разрешающая способность увеличивается в 10000/2500=4 раза, то есть разрешающая способность увеличивается в квадратной зависимости от геометрических размеров матрицы.
В исходном состоянии основание 7 вместе с измерительной панелью 6 и излучателя 1 с помощью электропривода горизонтального вращения совершает возвратно-вращательное движение относительно подвижной платформы 8 (фиг.1), при котором угол поворота в горизонтальном направлении доходит до 180°. При этом каждый цикл поворота в горизонтальном направлении осуществляется при соответствующем значении фокусного расстояния f телеобъектива, для этого, начиная с f=50 мм для первого цикла поворота, МСУ подает команду на следующий цикл на увеличение фокусного расстояния на 50 мм. То есть следующий цикл поворота произойдет уже с фокусным расстоянием объектива f=100 мм и т.д. При каждом цикле МБУ осуществляет проверку поступающей информации на условие «резкости изображения», программа такого условия также входит в состав программного обеспечения процессора. При обнаружении отраженных от объекта импульсов ИК-излучения, МБУ дожидается цикла поворота, соответствующему «резкому изображению», определяет направление на источник отраженного сигнала и уменьшает амплитуду колебаний. Осуществляется оптимальное регулирование направления и амплитуды колебаний. МБУ входит в режим активного слежения, при котором измерительная панель направлена на объект слежения и относительно этого направления производит незначительные угловые колебания.
МБУ производит также оценку смещения отраженных от объекта импульсов ИК-излучения в вертикальном направлении. Для устранения углового вертикального смещения относительно направления на объект с выхода МБУ поступает управляющее воздействие на электропривод вертикального вращения, посредством которого подвижная платформа 8 (фиг.1), а вместе с ней и основание 7 с измерительной камерой 4 и лазерным излучателем 1 поворачиваются относительно неподвижной платформы 9 на угол, необходимый для устранения углового вертикального смещения относительно направления на объект.
При анализе «образа» объекта МБУ учитывает, что ряд ячеек могут быть совсем не засвечены ИК излучением - логический «0», ряд ячеек засвечены полностью (превосходит некоторый заданный уровень освещенности) - логическая «1», а ряд ячеек за несколько циклов сканирования могут менять свой уровень от «0» к «1», то есть возможны колебания между «0» и «1». Система управления интегрирует эти оценки и выдает на монитор точку серого цвета той или иной интенсивности. То есть образ объекта получается более полный, с возможными оттенками.
С учетом всей совокупности выполняемых устройством функций новым техническим результатом является:
1. Существенное повышение информационной емкости поступающего сигнала в единицу времени о лоцируемом объекте, что необходимо для построения в МБУ геометрического портрета и более полной и достоверной идентификации объекта. Данный эффект достигается за счет увеличения совокупной площади приемного устройства и использования матрицы линз и матрицы ИК-модулей.
2. Увеличение общей пространственной зоны (поиска и слежения) при сохранении высокой разрешающей способности и скорости сопровождения объекта. Это достигается за счет использования двух направлений поиска и слежения за объектом (по горизонтальному и вертикальному каналам).
3. Повышение дальности действия устройства без потери достоверности информации за счет применения импульсного лазерного излучателя (лазерной пушки) большой мощности и высокой чувствительности приемного устройства. По предварительной оценке авторов полезной модели, дальность достоверного обнаружения при удовлетворительных атмосферных условиях может быть доведена до 12000-15000 метров.
Источники информации:
1. Патент RU 2115955C1 G08G 9/00, G05D 1/12, 1998.
2. Реферат №1347725. G01S 17/00, 1999.
3. Патент RU 2263931 С1 (прототип) G01S 17/02, G02В 23/12, 2004
4. Иванов В.И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991.