УСТРОЙСТВО ЛОКАЦИИ ПРОСТРАНСТВА С ДВОЙНОЙ ЗОНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
DEVICE FOR LOCATION OF SPACE WITH DOUBLE SENSITIVITY ZONE

Область техники
Изобретение относится к системам, определяющим местоположение или обнаруживающим объекты с использованием отражения электромагнитных волн, а также измеряющих расстояния до объектов и их скорость.
Более конкретно изобретение относится к оптической локации пространства и может быть использовано в измерительной аппаратуре, системах предупреждения столкновения транспортных средств, в навигационных устройствах, а также в летательных аппаратах для обнаружения высокоскоростных объектов и препятствий, определения скорости встречи с ними и выдачи команды на ответные действия летательного аппарата.
Предшествующий уровень техники
Под оптической локацией пространства понимается режим функционирования локатора, включающий в себя обзор заданной области пространства, обработку отраженных сигналов, принятие решения о наличии или отсутствии объектов и препятствий в зоне чувствительности и определение параметров их движения.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2546219 «Оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса», МПК: F42C 13/02, приоритет: 29.10.2013, опубликовано 10.04.2015, авторы: Алямов А.Э. (RU), Банков В.Я. (RU), Батурин А.Г. (RU), Камнев Ю.В. (RU).
Оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса содержит источник оптического излучения, коллимирующую линзу, фокусирующую линзу и фотоприемник. За коллимирующей линзой установлена цилиндрическая линза, а фоточувствительный элемент фотоприемника выполнен в виде матрицы из М≥1 независимых рядов по N≥1 независимых фоточувствительных элементов в каждом ряду, имеющих индивидуальные выходы, при этом длина матрицы из N элементов, расположенной вдоль экваториальной плоскости боеприпаса, соизмерима с фокусным расстоянием фокусирующей линзы.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются источники оптического излучения, фотоприемник, цилиндрическая линза.
Недостатком данного устройства является то, что каждый приемоизлучающий канал устройства имеет сложную компоновку и включает в себя несколько оптических элементов различного типа, что усложняет конструкцию и юстировку всего канала.
При увеличении числа каналов происходит усложнение конструкции, что уменьшает ее надежность и ухудшает массогабаритные характеристики.
Известно также устройство, описанное в патенте РФ №2516376 «Устройство лазерной локации заданной области пространства», МПК: G01S 17/02, приоритет 14.06.2012, опубликовано 20.05.2014, авторы: Подгорнов В.А. (RU), Подгорнов С.В. (RU), Перевалов А.И. (RU).
Устройство лазерной локации заданной области пространства содержит блок управления, передающую оптическую систему с полем излучения, в фокальной плоскости которой установлен источник света, приемную оптическую систему с полем зрения, выполненную в виде цилиндрической линзы, в фокальной плоскости которой установлен фотоприемник, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения приемной оптической системы. Устройство снабжено выпуклым коническим зеркалом, размещенным перед передающей и принимающей оптическими системами, передающая оптическая система составлена из n идентичных пар перпендикулярно скрещенных цилиндрических линз с совпадающими главными оптическими осями и фокальными плоскостями, а также из n импульсных лазерных источников света, соединенных с выходами блока управления, установленных в совпадающих фокальных плоскостях соответствующих пар цилиндрических линз, пары цилиндрических линз расположены равномерно по окружности, в центре которой закреплена приемная оптическая система с главной оптической осью, совпадающей с осью симметрии зеркала и параллельной главным оптическим осям пар цилиндрических линз передающей оптической системы.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются, передающая оптическая система с полем излучения, в фокальной плоскости которой установлен источник света, приемная оптическая система с полем зрения, в фокальной плоскости которой установлен фотоприемник, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения приемной оптической системы. Также устройство содержит зеркало, размещенное перед передающей и принимающей оптическими системами.
Недостатком данного устройства является то, что наличие двух цилиндрических линз уменьшает коэффициент светопропускания передающего канала системы, усложняет юстировку, конструктив передающей оптической системы и не позволяет уменьшить габариты устройства. Дополнительно к этому электрический сигнал, передаваемый в блок управления по кабелям, подвержен действию различных помех, что негативно влияет на качество самого сигнала и уменьшает помехозащищенность всего устройства.
Известно также устройство, описанное в полезной модели к патенту РФ №173766 «Устройство лазерной локации заданной области пространства», МПК: G01S 17/88, приоритет 12.04.2017, опубликовано 11.09.2017, авторы: Гребенев Б.В. (RU), Коваленко А.Ф. (RU).
Устройство лазерной локации заданной области пространства содержит блок управления, лазер, передающую оптическую систему, приемную оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположен приемник излучения, интерференционный фильтр, установленный перед приемником излучения, и коническое зеркало, размещенное перед передающей и приемной оптическими системами, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения приемной оптической системы. Передающая оптическая система образована конусом с внешней отражающей поверхностью и усеченным конусом с внутренней отражающей поверхностью, преобразующими лазерный пучок круглого сечения в пучок кольцевого сечения, а приемник излучения выполнен в виде матричного фотоприемного устройства.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются, передающая оптическая система, приемная оптическая система, в фокальной плоскости которой расположен приемник излучения и коническое зеркало, размещенное перед передающей и приемной оптическими системами, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения приемной оптической системы.
Недостатком данного устройства является то, что лазер при близком расположении может создавать помехи в работе блока управления. Наличие одного источника излучения - лазера негативно влияет на надежность работы устройства при воздействии внешних факторов. Наличие двух цилиндрических корпусов и их соединение через пилоны отрицательно влияет на надежность конструкции устройства при вибрационных воздействиях. Также пилоны перекрывают часть излучения лазера, из-за чего образуются «мертвые зоны» в области локации. Также недостатком является большое количество переотражений лазерного пучка, что снижает его мощность на выходе.
В качестве прототипа был выбран патент РФ №2672528 «Оптическое устройство обнаружения объектов», МПК: G01S 17/02, опубликовано 15.11.2018, авторы: Черепко Д.Ю. (RU), Шмыгин В.В. (RU).
Оптическое устройство обнаружения объектов содержит оптоэлектронный блок, источники света в составе передающей оптической системы с полем излучения, объектив с полем зрения, зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения объектива, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком анализа данных, матричным фотоприемником, установленным в фокальной плоскости объектива, выполненного с возможностью регулирования своего поля зрения, каждый источник света снабжен коллиматором, при этом блок анализа данных, матричный фотоприемник, источники света с коллиматорами смонтированы в единый оптоэлектронный блок.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются, оптоэлектронный блок, источники света в составе передающей оптической системы с полем излучения, объектив с полем зрения, зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения объектива. Устройство снабжено матричным фотоприемником, установленным в фокальной плоскости объектива, выполненного с возможностью регулирования своего поля зрения.
Недостатком данного устройства является то, что устройство не позволяет определять скорость обнаруженных высокоскоростных объектов. Использование коллиматоров, состоящих, как правило, из нескольких линз, усложняет конструкцию и увеличивает потери лазерного излучения, что уменьшает дальность обнаружения объектов. Также усложняется сборка и настройка пар линза-коллиматор. Изготовление зеркала в виде конической пирамиды усложняет изготовление оптической части устройства.
Раскрытие изобретения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание универсального устройства локации пространства, предназначенного для обнаружения с высокой вероятностью высокоскоростных объектов и определения их скорости.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в создании двойной конической зоны чувствительности, увеличении количества источников света, обслуживаемых одним фотоприемником, работе устройства в двух диапазонах.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство локации пространства с двойной зоной чувствительности, содержащее оптоэлектронный блок, n-пар источников света в составе передающей оптической системы с полем излучения, приемную оптическую систему-объектив с полем зрения, зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения приемной оптической системы, согласно изобретению, зеркало выполнено из двух частей, одна из которых конус, другая усеченный конус. Конусы расположены на центральной оси устройства, с возможностью изменения расстояния между ними. Объектив снабжен фильтрационным покрытием. Зона чувствительности составлена из двух конических зон, каждая из которых представлена одним зеркалом и одним источником света.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - создание двойной конической зоны чувствительности, увеличение количества источников света, обслуживаемых одним фотоприемником, работе устройства в двух диапазонах. Это позволяет создать универсальное устройство локации пространства предназначенное для обнаружения с высокой вероятностью высокоскоростных объектов для определения их скорости.
Краткое описание фигур и чертежей.
Предлагаемое устройство локации пространства с двойной зоной чувствительности иллюстрируется чертежами:
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства локации пространства с двойной зоной чувствительности.
На фиг. 2 показана передающая оптическая система.
Варианты осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 1, устройство локации пространства с двойной зоной чувствительности состоит из цилиндрического корпуса 1 со свегопрозрачным окном 2. Корпус 1 содержит оптоэлектронный блок 3, включающий в себя n пар источников света 4, снабженных цилиндрическими линзами 5, матричный фотоприемник 6 и блок обработки сигналов 7.
Каждый источник света 4 выполнен с цилиндрической линзой 5 в едином корпусе и не имеет коллиматора, что по сравнению с прототипом, позволяет уменьшить потери излучения и упростить конструкцию устройства. И, следовательно, увеличить дальность обнаружения высокоскоростных объектов и препятствий и обеспечить простоту изготовления и сборки передающей оптической системы.
Как показано на фиг. 1, внутри цилиндрического корпуса 1 размещен объектив 9 с фильтрационным покрытием, в фокальной плоскости объектива 9 установлен матричный фотоприемник 6.
Как показано на фиг. 2, передающая оптическая система составлена из n пар идентичных источников света 4, размещенных равномерно по двум окружностям, в центре которых закреплена приемная оптическая система с матричным фотоприемником 6. Таким образом, достигается технический результат увеличения количества источников света, обслуживаемых одним фотоприемником. Что позволяет решить задачу получения высокой вероятности обнаружения высокоскоростных объектов и определения их скорости.
1
2
1
2
Как показано на фиг. 2, источники света 4, расположенные на внутренней окружности 16 устройства, работают на длине волны λ, а источники на внешней окружности 17 на длине волны λ. Работа устройства в двухволновом диапазоне позволяет увеличить вероятность обнаружения высокоскоростных объектов, поскольку коэффициент отражения излучения от объекта 15 будет разный для λ и λ.
Приемная оптическая система устройства с полем зрения 8 выполнена в виде объектива 9 с фильтрационным покрытием и главной оптической осью, совпадающей с осью симметрии зеркал 12 и 13, в фокальной плоскости которого установлен матричный фотоприемник 6. При этом двойная коническая зона чувствительности 10 образована пересечением поля излучения 11 передающей оптической системы и поля зрения 8 приемной оптической системы.
Использование двух конических зеркал 12 и 13, размещенных перед передающей и принимающей оптическими системами и выполненных в виде конуса 12 и усеченного конуса 13, позволяет сформировать двойную коническую зону излучения 11 от n пар источников света 4. Наличие проставки 14 с регулируемой высотой «d» позволяет изменять расстояние между зеркалами 12 и 13 и соответственно поле излучения 11. Это позволяет регулировать зону чувствительности 10.
Зеркала 12 и 13 имеют отражающее покрытие с максимальным коэффициентом отражения излучения в диапазоне длин волн таком же, как у источников света 4. Это позволяет уменьшить потери излучения и увеличить дальность обнаружения объекта 15.
На фиг. 1 пунктирными линиями показан ход лучей от источников света 4, которые ограничивают поле излучения 11 передающей оптической системы, а штрихпунктирной линией с точками - ход лучей к объективу 9, которые ограничивают поле зрения 8 приемной оптической системы.
Возможность регулирования угла наклона «γ» зоны излучения 11 путем установки зеркал 12 и 13 с нужными углами «α» и «β» позволят создавать оптимальную зону чувствительности 10 для использования устройства в определенной ситуации (фиг. 1).
Универсальность устройства обнаружения объектов заключается в создании двойной конической зоны чувствительности 10 путем использования двух зеркал 12 и 13, в возможности регулирования зоны чувствительности 10 путем изменения размера «d» проставки 14. Двойная зона чувствительности 10 позволяет получать больше информации о параметрах движения высокоскоростных объектов 15, а также определять их скорость при пересечении зоны чувствительности 10.
Конструкция объектива 9 позволяет регулировать поле зрения 8 и изменять область пересечения поля излучения 11 передающей оптической системы и поля зрения 8 объектива 9. Таким образом, изменяется диапазон расстояний, в котором осуществляется обнаружение высокоскоростного объекта 15 и отсекается фоновое излучение, что повышает помехозащищенность устройства от ложных срабатываний.
Фильтрационное покрытие объектива 9 пропускает свет только с длиной волны излучения источников света 4. Использование объектива 9 с фильтрационным покрытием позволяет улучшить чувствительность устройства за счет вырезания из спектра регистрируемого сигнала фонового излучения (помехи), что увеличивает соотношение сигнал-шум, обеспечивает помехозащищенность устройства и упрощает конструкцию, поскольку отпадает необходимость в использовании дополнительных элементов - фильтров
Работа устройства локации пространства с двойной зоной чувствительности осуществляется следующим образом.
Оптоэлектронный блок 3 формирует сигнал на поочередное или одновременное включение источников света 4 в соответствии с заданным алгоритмом. Излучение от источника света 4 проходит через цилиндрическую линзу 5, формируя коллимированный пучок излучения.
Коллимированные пучки излучения от n пар источников света 4 попадают на конические зеркала 12 и 13 и формируют поле излучения 11, которое распространяется через свегопрозрачное окно 2 в окружающее пространство.
Часть поля излучения 11, отразившись от детектируемого объекта 15, находящегося в зоне чувствительности 10, поступает через окно 2 обратно внутрь корпуса 1, отражается от зеркала 12 и попадает в объектив 9, как показано на фиг. 1.
Объектив 9 фокусирует излучение на светочувствительную площадку матричного фотоприемника 6, который преобразовывает излучение в электрический сигнал и передает его в блок анализа данных 7.
В блоке анализа данных 7, который входит в состав оптоэлектронного блока 3, по заложенному алгоритму фиксируют факт нахождения объекта 15 в зоне чувствительности 10 и вычисляют скорость его движения. Скорость движения вычисляют на основании пересечения объектом 15 двойной зоны излучения 11 в разные моменты времени.
Возможность установки n пар источников света 4 и использование двух зеркал 12 и 13 позволяет сформировать двойную зону чувствительности 10 и повысить надежность обнаружения для объектов 15 с различными габаритами.
Формирование двойной конической зоны чувствительности 10 в виде набора n пар коллимированных пучков излучения 11, равномерно распределенных в пространстве, позволяет увеличить дальность обнаружения объектов 15 за счет концентрации энергии в узком пучке излучения 11, а также позволяет получить больше информации о параметрах движения высокоскоростного объекта 15 для определения его скорости.
Промышленная применимость
Возможно использование изобретения в измерительной аппаратуре, системах предупреждения столкновения транспортных средств, в навигационных устройствах, а также в летательных аппаратах для обнаружения высокоскоростных объектов, определения скорости встречи с ними и выдачи команды на ответные действия носителя устройства локации пространства.