ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛОКАТОР
OPTICAL-ELECTRONIC LOCATOR

Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к устройствам измерения угловых координат и дальности до выбранных объектов, и может быть использовано при создании комплексов контроля движения судов в акватории морского порта и зон взлета/посадки самолетов в аэропортах.
При обзоре окружающего пространства проблемным является измерение дальности до объектов лазерными дальномерами (ЛД), имеющими очень малое поле зрения - единицы угловых минут, в то время как поле зрения устройств технического зрения, например, теле- или тепловизионных оптико-электронных модулей, составляет единицы и даже десятки градусов. Сложность измерения дальности возрастает при работе по малоразмерным объектам (катера, лодки, самолеты, вертолеты), находящимся на больших расстояниях, когда требуется непрерывное наведение ЛД на объекты. При этом погрешность наведения на объекты должна быть менее угла расходимости лазерного излучения.
Известны оптико-локационные устройства кругового обзора [В.Г. Архипов, Ю.В. Чжан. Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2352957 от 22.01.2007 г.; Ю.В. Чжан. Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2453866 от 27.05.2009 г.], в которых применены оптико-электронные модули (ОЭМ) технического зрения и ЛД. Основной недостаток этих локаторов заключается в том, что наведение визирной оси ЛД на объект осуществляется поворотами зеркал по двум осям, при этом механические погрешности узлов поворота зеркал удваивают погрешность наведения, что существенно ужесточает требования к конструкции и увеличивает вероятность пропуска объекта. Погрешности карданных подвесов, в которых устанавливают зеркала для наведения визирной оси ОЭМ на объект, особенно в условиях переменных ветровых нагрузок, снижают точность измерения угловых координат объекта.
Для исключения погрешностей карданных подвесов при обнаружении объектов в зоне обзора в оптико-пеленгационной системе кругового обзора [В.В. Тарасов и др., Оптико-пеленгационная система кругового обзора, патент РФ №2356063 от 27.11.2007 г.] применены N оптико-электронных каналов электронного сканирования, объективы которых стационарно закреплены и равномерно расположены в азимутальной плоскости на окружности с радиальным расположением их оптических осей. Суммарное поле обзора этих объективов перекрывает сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков. Недостаток этой системы заключается в том, что наведение визирной оси дальномера на выбранный объект осуществляют поворотным зеркалом, закрепленным в двухосном карданном подвесе, что приводит к погрешности наведения визирной оси дальномера.
Также известно применение оптических клиньев для сканирования [М.М. Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1983, §6.2, стр.104-106] и компенсации сдвига изображения объекта на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства при сканировании [А.Я. Прилипко, Н.И. Павлов. Теплопеленгатор, патент РФ №24583 56 от 15.04.2011 г.].
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерений угловых координат и снижение вероятности пропуска объектов при измерении дальности до них.
Этот результат достигается тем, что, во-первых, ОЭМ и ЛД жестко соединены между собой и неподвижны в процессе измерений, что исключает погрешности карданных подвесов, возникающие в процессе механического наведения и слежения за объектом; во-вторых, для наведения визирной оси ЛД на объект применены оптические клинья, обеспечивающие оптическую редукцию, при которой влияние механических погрешностей на точность наведения визирной оси снижается в несколько раз [М.М. Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1983, §6.2, стр.106]: в-третьих, угловые координаты объектов в поле зрения ОЭМ определяются электронными средствами, что позволяет снизить погрешность измерения угловых координат до десятых долей угловых минут.
Конструктивно результат обеспечивается жесткой установкой ОЭМ и ЛД на общую платформу и размещением перед ЛД узла, выполненного в виде двух оптических клиньев, закрепленных в поворотные обоймы и механически связанных друг с другом через механизм передачи вращения, обеспечивающий вращение обойм с оптическими клиньями в противоположные стороны на равные углы. Механизм передачи вращения снабжен приводом и датчиком углового положения. Обоймы с оптическими клиньями, привод и датчик углового положения установлены во вращающийся цилиндр, снабженный своими приводом и датчиком углового положения. Управление оптико-электронным локатором осуществляется вычислительным блоком через шину последовательного обмена. Видеокадры контролируемой зоны выводятся на экран монитора вычислительного блока.
Выбор объекта осуществляет оператор с помощью устройства выбора объекта, например, компьютерной «мыши», наведением на него курсора. Вычислительный блок определяет вертикальные и горизонтальные координаты выбранного объекта в координатной системе, связанной с полем зрения ОЭМ. Причем начало этой системы координат смещено по диагонали на половину поля зрения W/2 ОЭМ относительно его оптической оси. На этот же угол оптическая ось ЛД наклонена относительно оптической оси ОЭМ, т.е. оптическая ось ЛД проходит через начало системы координат.
По полученным значениям угловых координат выбранного объекта вычислительный блок вычисляет углы поворота клиньев для наведения визирной оси ЛД на выбранный объект.
n
На основании [М.М. Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1983, §6.2, стр.104-105] можно показать, что угол φ между оптической и визирной осями ЛД равен:
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>ϑ</mi></mrow>
,
где σ - угол при вершине оптических клиньев,
n - показатель преломления материала клиньев,
ϑ - угол поворота каждого клина, равный:
<mrow><mi>ϑ</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>β</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,
n
где α - горизонтальная угловая координата объекта,
n
β - вертикальная угловая координата объекта.
n
Угол поворота плоскости отклонения визирной оси ψ, необходимый для наведения визирной оси дальномера на выбранный объект, обеспечивается совместным поворотом оптических клиньев и равен:
n
После поворота клиньев на углы ϑ и ψ визирная ось ЛД будет наведена на выбранный объект.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства. На фиг.2 приведен пример положения объектов на экране монитора и соответствующие этому положению угловые координаты выбранного объекта.
Оптико-электронный локатор содержит платформу 1 (фиг.1), на которой жестко закреплены ОЭМ 2 и модуль лазерного дальномера 3 с ЛД 4, а также электронный блок 5 с вычислительным блоком 6, монитором 7 и устройством выбора объектов 8. Электронный блок 5 может быть расположен в любом, удобном для оператора месте. Оптическая ось ЛД 4 наклонена относительно визирной оси ОЭМ 2 по диагонали на угол, равный половине поля зрения W/2 ОЭМ 2.
ОЭМ 2 содержит объектив 10, в фокальной плоскости которого расположена фоточувствительная поверхность фотоприемной  матрицы телекамеры 11. Телекамера 11 через шину последовательного обмена 9 подключена к вычислительному блоку 6.
Модуль лазерного дальномера 3 содержит ЛД 4, соединенный через шину последовательного обмена 9 с вычислительным блоком 6, и узел оптических клиньев 12, установленный перед ЛД4. Узел оптических клиньев 12 содержит оптические клинья 13 и 14, закрепленные в поворотные обоймы 15 и 16 соответственно, которые связаны друг с другом механизмом вращения 17, обеспечивающим вращение поворотных обойм 15 и 16 в противоположные стороны на равные углы. В простейшем случае механизмом вращения может быть коническая передача. Механизм вращения 17 соединен с приводом 18 и датчиком углового положения (ДУП) 19, которые через шину последовательного обмена 9 подключены к вычислительному блоку 6.
Обоймы 15 и 16 с оптическими клиньями 13 и 14, привод 18 и ДУП 19 установлены во вращающийся цилиндр 20, соединенный зубчатыми передачами 21 и 22 с приводом 23 и ДУП 24 соответственно. Привод 23 и ДУП 24 через шину последовательного обмена 9 соединены с вычислительным блоком 6.
n
В начальном положении вершины клиньев 13, 14 развернуты в противоположные стороны (ϑ=90 градусов), а вращающийся цилиндр 20 развернут в исходное положение (φ=0). При этом визирная ось ЛД совпадает с его оптической осью и находится в начале координат.
Оптико-электронный локатор работает следующим образом.
n
n
o
o
Оператор просматривает видеоизображение зоны обзора на экране монитора 7 (фиг.2), с помощью устройства выбора объекта 8 (например, компьютерной «мыши») наводит курсор вычислительного блока 6 на изображение выбранного объекта «n» и дает команду на определение угловых координат объекта и дальности до него. По этой команде вычислительный блок 6 определяет горизонтальную α и вертикальную β координаты объекта относительно начала координат α, β.
Вычислительный блок 6 подает значение угла поворота клиньев ϑ на привод 18. Привод 18 поворачивает обоймы 15 и 16 с клиньями 13 и 14 на вычисленный угол ϑ. Поворот обойм контролируется ДУМ 19.
n
Значение угла поворота плоскости отклонения визирной оси ψ подается на привод 23, который поворачивает цилиндр 20 на этот угол. Поворот цилиндра 20 контролируется ДУП 24.
n
После выполнения операции поворота визирной оси ЛД на вычисленные углы ϑ и ψ, вычислительный блок 6 выдает ЛД 4 команду на замер дальности.
n
n
Измеренные значения дальности до объекта и координаты α и βзаносят в память вычислительного блока 6; они могут быть вызваны внешними устройствами через шину последовательного обмена 9.