СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
HIGH-SPEED OBJECTS DETECTION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к системам, определяющим местоположение или обнаруживающим объекты с использованием отражения электромагнитных волн, а также измеряющих расстояния до объектов по линии визирования.
Более конкретно изобретение относится к оптической локации пространства и может быть использовано в измерительной аппаратуре, системах предупреждения столкновения транспортных средств, в навигационных устройствах и в системах охранной сигнализации, а также в оптических устройствах обнаружения объектов и препятствий для обеспечения движения транспортных средств в условиях ограниченного пространства.
Предшествующий уровень техники
Под оптической локацией 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.
Известен способ, описанный в патенте РФ №2385471 «Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта», G01S 17/50, G01С 3/08, приоритет: 27.10.2009, опубликовано 27.03.2010, авторы: Вильнер В.Г. (RU), Волобуев В.Г. (RU), Казаков A.A. (RU), Рябокуль Б.К. (RU), патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU).
i
i
i
i
i
i
0
0
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
0
0
Способ определения скорости и дальности удаленного объекта, включающий многократное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов и определения в каждом i-м зондировании временного интервала t и между моментами излучения лазерного импульса, и приема отраженного объектом излучения. При каждом зондировании определяют и регистрируют значения моментов текущего времени Т, в которые производят посылки лазерных импульсов, регистрируют значения измеренных интервалов t в серии n зондирований, после завершения серии для каждого зондирования определяют отсчеты дальности R=c⋅t/2, где с - скорость света, интерполируют полученные выборочные значения R линейной зависимостью вида R*(T)=R*+V*T, где R* - оценка дальности в начальный момент периода измерения, V* - оценка средней скорости объекта за время измерения, Т - текущее время, устанавливают величину ΔR допустимого отклонения измеренных значений от интерполирующей функции. После этого определяют модули ΔR=/R(T)-R*(T)/ отклонения замеров R(T) от соответствующих интерполированных значений R*(T), аннулируют замеры, в которых ΔR>ΔR, и повторно интерполируют оставшиеся выборочные значения дальности зависимостью вида R**(T)=R**+V**T, по которой судят об уточненных значениях дальности R и скорости V объекта.
i
i
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются определение скорости и дальности удаленного объекта, многократное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов, определение в каждом i-м зондировании временного интервала t между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения. При каждом зондировании определяют и регистрируют значения моментов текущего времени Т, в которые производят посылки лазерных импульсов.
Недостатком данного способа является то, что необходимо обрабатывать большое количество измеренных величин, поскольку временной интервал между излученным и отраженным сигналом определяется в каждом зондировании. Также необходимо учитывать величину ΔR допустимого отклонения измеренных значений от интерполирующей функции, учитывать коэффициент вероятности безошибочного измерения q, а также среднеквадратическую ошибку измерения дальности в каждом измерении. Таким образом, для обработки полученных данных необходимо использовать сложную схемотехнику, что увеличивает время срабатывания устройства и, соответственно, не позволяет детектировать высокоскоростные объекты.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2546219 «Оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса», МПК: F42C 13/02, опубликовано 10.04.2015, авторы: Алямов А.Э. (RU), Баннов 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. Фоточувствительный элемент фотоприемника выполнен в виде матрицы из М≥1 независимых рядов по N≥1 независимых фоточувствительных элементов в каждом ряду, имеющих индивидуальные выходы. Длина матрицы из N элементов, расположенной вдоль экваториальной плоскости боеприпаса, соизмерима с фокусным расстоянием фокусирующей линзы.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются источник оптического излучения, фокусирующая линза, фотоприемник, цилиндрическая линза, фоточувствительный элемент, состоящий из n сегментов.
Недостатком данного устройства является то, что при увеличении числа каналов, состоящих из источника излучения, коллимирующей линзы, цилиндрической линзы, защитных стекол, фокусирующей линзы, фотоприемника, происходит усложнение конструкции, что ухудшает ее надежность и массогабаритные характеристики.
В качестве прототипа для способа был выбран патент РФ №2456637 «Способ лазерной локации», МПК: G01S 17/42, дата подачи заявки: 26.10.2010, опубликовано 20.07.2012, авторы: Лопота В.A. (RU), Легостаев В.П. (RU), Рудой И.Г. (RU), Сорока А.М. (RU), Зеленщиков А.Н. (RU), патентообладатель: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU).
Способ лазерной локации, включает сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала. В качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из, по меньшей мере, двух импульсов с изменяемым промежутком времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала.
Недостатком данного способа является то, что для реализации данного способа необходимо использовать высокочастотный лазерный локатор в течение продолжительного временного периода, что неизбежно приводит к необходимости охлаждения локатора и, следовательно, усложнению конструкции устройства. Для определения параметров движения объекта необходимо использовать несколько цуг волн, состоящих из двух или более импульсов с разными амплитудами и промежутками по времени, что увеличивает время на обработку сигнала после обнаружения объектов и накладывает ограничение на возможность детектирования высокоскоростных объектов. Также недостатком является то, что для определения углового положения объекта в пространстве необходимо использовать механический привод, что усложняет возможную конструкцию устройства и ограничивает его применимость и соответственно увеличивает время на обнаружение объекта.
В качестве прототипа для устройства был выбран патент РФ №2375724 «Способ лазерной локации заданной области пространства и устройство для его осуществления», МПК: G01S 17/02, опубликовано 10.12.2009, авторы: Вышиваный И.Г. (RU), Галченко Б.И. (RU), Израилев Б.И. (RU), Перевалов А.И. (RU), Ткач А.Я. (RU), Патентообладатели: ГК «Росатом» (RU), ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина" (RU), НИИИС (RU).
Устройство для лазерного обнаружения постороннего объекта в заданной области пространства, содержит вычислительное устройство, выход которого соединен с индикатором распознавания объекта, передающую и приемную оптические системы с пересекающимися полями зрения, образующие зону чувствительности, снабженные объективами, в фокальной плоскости которых размещены источник светового излучения и фотоприемное устройство. Источник светового излучения выполнен лазерным и импульсным. В объективах передающей и принимающей оптических систем установлены цилиндрические линзы. Цилиндрические линзы сориентированы относительно друг друга таким образом, что их плоскости сечения наибольшей кривизны параллельны друг другу.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются вычислительное устройство (ВУ), передающая и приемная оптические системы с пересекающимися полями зрения, образующие зону чувствительности, источник светового излучения и фотоприемное устройство (ФПУ), источник светового излучения выполнен лазерным и импульсным.
В качестве недостатка можно отметить, что для расширения области пространства, в которой проводится лазерная локация, вводится механический привод ориентирования. Это усложняет устройство и увеличивает его габаритные размеры. Также устройство не позволяет определять скорость высокоскоростных объектов.
Раскрытие изобретения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа и создание компактного устройства для осуществления регистрации высокоскоростных объектов.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в увеличении частоты генерации импульсов, уменьшении времени на обнаружение объекта и времени на обработку сигнала после обнаружения объекта, при одновременном уменьшении количества деталей в составе устройства и упрощении конструкции устройства.
Указанный технический результат в устройстве достигается тем, что устройство для обнаружения высокоскоростных объектов, содержащее вычислительное устройство, передающую и приемную оптические системы, с пересекающимися полями зрения, образующие зону чувствительности, и фотоприемное устройство, лазерный и импульсный источник светового излучения, согласно изобретению, устройство снабжено блоком обработки данных. Вычислительное устройство снабжено логическим элементом и соединено с источником излучения и блоком обработки данных, в состав которого включен индикатор распознавания объекта. Приемная оптическая система снабжена фокусирующей линзой, в фокальной плоскости которой размещено фотоприемное устройство. Передающая оптическая система снабжена цилиндрической линзой, в фокальной плоскости которой размещен источник излучения. Системы установлены в одной вертикальной плоскости друг под другом, с центральными оптическими осями, параллельными друг другу.
Указанный технический результат в способе достигается тем, что способ обнаружения высокоскоростных объектов, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, согласно изобретению, лазерный источник излучения генерирует единичные импульсы в дежурном режиме с паспортной частотой. После попадания объекта в зону чувствительности фотоприемное устройство регистрирует отраженный сигнал, который обрабатывает вычислительное устройство. От него сигнал поступает в логический элемент, который переключает источник излучения в рабочий режим с частотой, в несколько раз большей, чем паспортная частота. При этом источник излучения генерирует пачку импульсов. Отраженные от объекта сигналы проходят фотоприемное устройство и вычислительное устройство, которое сравнивает количество излученных импульсов в пачке и количество отраженных сигналов. Далее ВУ передает информацию в логический элемент, который делает вывод о наличии высокоскоростного объекта в зоне чувствительности и передает информацию в блок обработки данных, который определяет параметры движения объекта.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - уменьшение количества деталей в составе устройства, упрощение конструкции устройства, увеличение частоты генерации импульсов, уменьшение времени на обнаружение объекта, экономия времени на обработку сигнала после обнаружения объекта.
Это позволяет разработать способ и создать компактное устройство обнаружения объектов для осуществления регистрации высокоскоростных объектов.
Вычислительное устройство может делать вывод о наличии объекта в зоне чувствительности при наличии отраженных сигналов из пачки излученных импульсов.
Это дополнительно улучшает технический результат - уменьшение времени на обнаружение объекта, уменьшение времени на обработку сигнала после обнаружения объекта.
Логический элемент при отсутствии отраженных сигналов из пачки излученных импульсов может переключать источник излучения в дежурный режим.
Это дополнительно улучшает технический результат - увеличение частоты генерации импульсов.
Краткое описание фигур и чертежей.
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического устройства обнаружения объектов.
На фиг. 2 представлена блок-схема работы устройства.
Варианты осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 1, устройство обнаружения объектов, которое состоит из корпуса 1, включающего в себя приемную оптическую систему и передающую оптическую систему.
Приемная оптическая система состоит из фотоприемного устройства ФПУ 2, фокусирующей линзы 3 и обладает полем зрения 4. Передающая оптическая система состоит из лазерного источника излучения 5, цилиндрической линзы 6 и имеет поле излучения 7. Пересечение поля зрения 4 приемной оптической системы и поля излучения 7 передающей оптической системы образует зону чувствительности 8.
Передающая и приемная оптические системы установлены в одной вертикальной плоскости устройства друг под другом, как показано на фиг. 1. Центральные оптические оси X и Y этих систем лежат в этой же плоскости и параллельны друг другу.
Вычислительное устройство 9 с помощью логического элемента 10 передает сигнал на лазерный источник излучения 5 и в блок обработки данных 11.
По сравнению с прототипом, устройство не содержит объектива принимающей оптической системы с установленной цилиндрической линзой, фоточувствительного элемента, выполненного в виде фотодетектора для формирования видеоимпульса. Также изобретение не имеет сканирующего устройства, сервопривода с платформой. Это позволяет уменьшить количество деталей в составе устройства, упростить конструкцию устройства и уменьшить время на обнаружение объекта.
Работа устройства обнаружения высокоскоростных объектов осуществляется следующим образом.
Лазерный источник излучения 5 генерирует единичные импульсы в дежурном режиме с паспортной частотой, которые, проходя через цилиндрическую линзу 6, образуют поле излучения 7. Устройство сканирует пространство последовательностью лазерных сигналов.
Поле зрения 4 приемной оптической системы устройства образовано полем зрения линзы 3.
Пересечение поля зрения 4 приемной оптической системы и поля излучения 7 передающей оптической системы образует зону чувствительности 8. При попадании высокоскоростного объекта 12 в зону чувствительности 8 отраженные от объекта 12 сигналы проходят фокусирующую линзу 3, регистрируются ФПУ 2 и передаются в ВУ 9. Логический элемент 10, входящий в состав ВУ 9, выдает команду на переключение лазерного источника излучения 5 в рабочий режим, при котором происходит генерация излучения с частотой, в несколько раз большей, чем паспортная частота. Источник излучения 5 генерирует пачку импульсов, которая осуществляет локацию заданного пространства. После этого ВУ 9 сравнивает количество излученных импульсов в пачке и количество отраженных сигналов от объекта 12 и передает информацию в логический элемент 10. Логический элемент 10 делает вывод о наличии или отсутствии высокоскоростного объекта 12 в зоне чувствительности 8. В случае отсутствия объекта 12 логический элемент 10 переключает источник лазерного излучения 5 в дежурный режим. При наличии объекта 12, источник излучения 5 продолжает находиться в рабочем режиме, а информация о принятых импульсах передается логическим элементом 10 в блок обработки данных 11.
Здесь полученный электрический сигнал обрабатывается с целью оценки параметров обнаружения и классификации объекта 12, результаты вычисления поступают в индикатор распознавания объекта 13, входящий в состав блока обработки данных 11.
По сравнению с прототипом увеличена частота генерации импульсов в рабочем режиме при предположительном появлении объекта 12, уменьшено время на обнаружение объекта 12, что позволяет решить задачу регистрации высокоскоростных объектов.
Также в блоке обработке данных 11 происходит определение расстояния до объекта 12 по времени задержки между излученным и принятым сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала при использовании в носителе нескольких устройств, осуществляющих сканирование пространства в разных направлениях.
По сравнению с прототипом, сравнение количества излученных и отраженных импульсов позволяет уменьшить время на обнаружение объекта, уменьшить время на обработку сигнала после обнаружения высокоскоростного объекта.
В представленной реализации устройства логический элемент 10 позволяет осуществлять обнаружение высокоскоростных объектов 12 с необходимой вероятностью согласно критерию обнаружения «k из n» (Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. «Основы проектирования лазерных локационных систем». - М.: Высшая школа, 1983 г., с. 83-87). Поскольку возможно задавать необходимое минимальное количество принятых отраженных импульсов из пачки излученных для подтверждения обнаружения объекта 12, то это позволяет использовать устройство для решения различных задач в составе различных носителей.
При использовании данного способа обнаружения объектов, непродолжительная работа источника излучения в рабочем режиме позволяет избежать деградации источника вследствие перегрева, и, соответственно, увеличивает непрерывное время работы всего устройства при обнаружении высокоскоростных объектов.
Промышленная применимость
Возможно использование изобретения в оптических неконтактных датчиках, лазерных дальномерах и устройствах оптической локации пространства, а также в качестве универсального устройства обнаружения объектов и препятствий для обеспечения движения транспортных средств в условиях ограниченного пространства.
Решение поставленной задачи и работоспособность оптического устройства обнаружения объекта была подтверждена в ходе комплекса проведенных исследований.