Устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться в обзорно-поисковых оптико-электронных системах лазерной локации, использующих принцип отражения излучения от исследуемого объекта.
Известно одноканальное устройство для обнаружения световозвращающих оптических систем и определения дальности до них по патенту РФ №2400770 от 30.12.2008 г. Устройство содержит передающий и приемный каналы, передающий канал содержит полупроводниковый лазер и передающую оптическую систему, а в приемном канале установлен приемный объектив, в фокальной плоскости которого находится ФПЗС-матрица. Угловые координаты положения световозвращающего объекта и дальность до него определяют с использованием единственного приемного канала за счет фазовой манипуляции импульсами подсвета с определенными алгоритмами обработки амплитуды отраженного от цели сигнала и без требования высокоточного наведения на световозвращатель.
Устройство имеет следующие недостатки:
1. Устройство имеет небольшую зону обнаружения, определяемую размером лазерного пятна на цели, который ограничен расходимостью лазерного луча.
2. В устройстве отсутствует визирный канал, поэтому необходимо сопрягать устройство для обнаружения с внешней системой вывода изображения (информация выводится на подключаемый дисплей).
3. Есть вероятность получения недостоверных данных, поскольку отсутствует функция верификации полученных данных.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели - прототипом - является устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов по патенту РФ №2568336. Данное устройство измеряет координаты обнаруженных приборов и измеряет дальность до них. Устройство содержит визирный канал, устройство обнаружения, содержащее передающий и приемный каналы, и электронный блок управления и обработки. Приемный блок выполнен в виде двухканальной системы построения изображений с s- и р - поляризаций и с возможностью осуществлять раздельную регистрацию изображений с s- и р- поляризаций. В данном устройстве дальномерное устройство выполнено в виде отдельного канала и также содержит передающий и приемный каналы.
Устройство имеет следующие недостатки:
1. Устройство имеет небольшую зону обнаружения, определяемую размером лазерного пятна на цели, который ограничен расходимостью лазерного луча.
2. Устройство имеет большие габариты и массу, т.к. устройство обнаружения и дальномерное устройство выполнены в виде самостоятельных каналов, каждый из которых содержит передающий и приемный каналы.
3. Наличие призменного поляризационного блока снижает коэффициент пропускания приемного канала, что уменьшает дальность обнаружения. Для обнаружения целей на больших дальностях необходимо применение более мощного излучателя или более чувствительного ФПУ.
Техническая проблема заключается в создании устройства для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них с получением следующего технического результата: увеличение зоны обнаружения целей (улучшение обнаружительных способностей), увеличение дальности обнаружения и уменьшение массы и габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Заявляемое устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них, как и прототип, содержит визирный канал, содержащий объектив, телевизионную матрицу и блок визуализации, устройство обнаружения, содержащее передающий и приемный каналы, дальномерное устройство и электронный блок управления и обработки сигналов, причем передающий канал содержит лазерный излучатель и коллимирующую оптическую систему, а приемный канал содержит объектив, в фокальной плоскости которого находится фотоприемное устройство (ФПУ), при этом телевизионная матрица, блок визуализации, ФПУ и лазерный излучатель связаны с электронным блоком управления и обработки сигналов. В отличие от прототипа дальномерное устройство совмещено с устройством обнаружения и имеет общие с ним передающий и приемный каналы, при этом передающий канал содержит установленную на оптической оси между коллимирующей оптической системой и лазерным излучателем систему сканирования, связанную с электронным блоком обработки сигналов, а лазерный излучатель имеет одноимпульсный и многоимпульсный режимы работы.
Закон сканирования (траектория сканирования) по горизонту и (или) вертикали может быть любым: строчным, спиральным круговым, розеточным, гипоциклоидальным, спиральным прямым и т.д.
Блок визуализации может быть выполнен в виде микродисплея, оптически связанного с окуляром, либо в виде дисплея. В качестве лазерного излучателя может быть использован полупроводниковый или твердотельный лазерный излучатель.
Структурная схема устройства приведена на рисунке, где обозначено:
1 - визирный канал;
2, 7 - объектив;
3 - телевизионная матрица;
4 - микродисплей;
5 - окуляр;
6 - приемный канал;
8 - фотоприемное устройство (ФПУ);
9 - передающий канал;
10 - коллимирующая оптическая система;
11 - система сканирования;
12 - лазерный излучатель;
13 - электронный блок управления и обработки сигналов (БУОС).
Устройство для обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и измерения дальности до них содержит визирный канал 1, приемный канал 6, передающий канал 9 и электронный блок управления и обработки сигналов (БУОС) 13.
Визирный канал 1 содержит оптически связанные объектив 2 и телевизионную матрицу 3, микродисплей 4, и окуляр 5, оптически связанный с микродисплеем 4. Телевизионная матрица 3 связана с входом БУОС 13, а микродисплей 4 - с выходом БУОС 13. Визирный канал 1 предназначен для визуального обзора окружающей местности.
Приемный канал 6 содержит объектив 7 и размещенное в его фокальной плоскости фотоприемное устройство (ФПУ) 8, выходом связанное с входом БУОС 13. Приемный канал 6 предназначен для регистрации отраженного целью излучения в плоскости чувствительной площадки ФПУ 8.
Передающий канал 9 содержит коллимирующую оптическую систему 10, лазерный излучатель 12 и установленную на оптической оси между ними систему сканирования 11. Лазерный излучатель 12 и система сканирования 11 связаны с выходом БУОС 13. Передающий канал 9 предназначен для облучения выбранного объема пространства.
Система сканирования 11 может быть выполнена, например, в виде акустооптических дефлекторов, известных, в частности, из изобретения по патенту РФ №2428777, в виде системы подвижных зеркал, как описано в изобретении по патенту РФ №2356063, или иным путем.
Устройство работает следующим образом:
Оператор наблюдает пространство в визирный канал 1 и включает режим сканирования для увеличения зоны обнаружения целей. Процесс обнаружения целей - оптических и оптико-электронных приборов - осуществляется в два этапа.
На первом этапе осуществляется сканирование выбранного объема пространства одиночными импульсами лазерного излучения, а на втором этапе на обнаруженную цель направляется многоимпульсное излучение. Сканирование одноимпульсным излучением выбранного объема пространства позволяет сократить время сканирования, поскольку время сканирования фрагмента наблюдаемого пространства равно длительности одного импульса. БУОС 13 подает сигнал на лазерный излучатель 12 для формирования одноимпульсного излучения, далее БУОС 13 подает сигнал в систему сканирования 11, которая формирует угол сканирования по горизонту, под которым будет преломляться луч, выходящий через коллимирующую оптическую систему 10 передающего канала 9.
При обнаружении цели и попадании отраженного целью излучения на объектив 7 приемного канала 6 с ФПУ 8 соответствующий сигнал поступает в БУОС 13, который фиксирует угол отклонения оптической оси лазерного луча относительно исходного положения.
Однако, при сканировании луча велика вероятность попадания в зону сканирования посторонних предметов (ложных целей), влияния сторонних помех и неоднородности фона, что не позволяет гарантировать достоверность полученных данных.
Для того чтобы предотвратить влияние помех и исключить ложные срабатывания, на втором этапе проводится верификация полученных данных путем посылки на обнаруженные цели многоимпульсного излучения под зафиксированными БУОС 13 углами. БУОС 13 подает управляющий сигнал на лазерный излучатель 12 для формирования многоимпульсного излучения, а в систему сканирования 11 подает сигнал, соответствующий зафиксированному на первом этапе углу отклонения оптической оси лазерного луча относительно исходного положения, для посылки под этим углом второго луча - многоимпульсного излучения.
Использование многоимпульсного излучения позволяет выделить полезный сигнал на фоне шума. Т.к. отражение от оптических целей является зеркальным, в результате посылки на цель многоимпульсного излучения происходит накопление на ФПУ сигнала, отраженного от оптических целей, т.е. в принимаемом сигнале увеличивается соотношение сигнал/шум в √N раз, где N - количество импульсов в лазерной посылке (величина объема накопления). При этом отраженный сигнал от неоптических целей на ФПУ накапливается в значительно меньшей степени в силу диффузного характера отражения от таких целей и практически величина отраженного сигнала (величина шума) остается неизменной.
Если от цели, обнаруженной на первом этапе, на втором этапе отраженное многоимпульсное излучение принято ФПУ 8 и сигнал с ФПУ 8 поступил в БУОС 13 (цели, которые прошли верификацию), БУОС 13 оценивает соотношение сигнал/шум и, если это соотношение увеличено в √N раз или на близкое к этому значению, а величина принимаемого сигнала выше порогового значения, расценивает этот сигнал, как отраженный оптической целью, и производит расчет дальности до этой цели. БУОС 13 фиксирует момент посылки луча на цель и момент регистрации ФПУ отраженного целью излучения, определяет время прохождения излучением расстояния до цели и обратно и рассчитывает дальность до цели по известной формуле с учетом скорости света. Расчет дальности БУОС 13 выполняет по команде оператора или в автоматическом режиме в зависимости от программного обеспечения БУОС 13.
В случае, если от цели, обнаруженной на первом этапе, на втором этапе отраженное многоимпульсное излучение не принято ФПУ 8 и сигнал с ФПУ 8 в БУОС 13 не поступил, или в отраженном накопленном сигнале соотношение сигнал/шум не увеличено в √N раз, или на близкое к этому значению, а величина принимаемого сигнала ниже порогового значения, данный объект считается ложным и исключается, дальнейшие вычисления в отношении этой цели БУОС 13 не выполняет.
Современная элементная база позволяет реализовать малогабаритный и многофункциональный БУОС для выполнения предлагаемого алгоритма обнаружения объектов и измерения дальности.
Данный алгоритм позволяет отсекать ложные неоптические цели и, следовательно, получать достоверные данные в широкой области обнаружения, улучшая обнаружительные способности устройства.
В данном устройстве отсутствуют отдельный приемный и передающий канал для измерения дальности, что, по сравнению с прототипом, значительно уменьшает его массу и габариты. Оптическая система приемного канала устройства по сравнению с прототипом имеет более высокий коэффициент пропускания из-за отсутствия призменного блока, что приводит к увеличению дальности обнаружения.
При необходимости регистрации дополнительных данных местоположения цели устройство может оснащаться навигационной системой, которая может включать в себя связанные с БУОС GPS-датчик, компас или акселерометр.
Таким образом, предлагаемое устройство, по сравнению с прототипом, при уменьшении массы и габаритов обеспечивает более широкую зону обнаружения оптических и оптико-электронных приборов и увеличенную дальность обнаружения.