Устройство для круглосуточного наблюдения положения пятна излучения на удалённом объекте

Полезная модель относится к области оптоэлектроники, а более конкретно к созданию оптико-электронных систем отображения информации об удаленных объектах наблюдения.
Известны оптико-электронные устройства для наблюдения объектов на местности, созданные на основе фотоэлектрических вакуумных или твердотельных приборов.
Такими приборами являются электронно-оптические преобразователи (ЭОП), низкоуровневые камеры на их основе и полупроводниковые преобразователи видеосигнала - матрицы ПЗС (прибор с зарядовой связью) или матрицы КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).
Одной из насущных проблем является разработка круглосуточного оптоэлектронного устройства для обнаружения и определения положения пятна лазерного излучения, создаваемого импульсными лазерными целеуказателями (ЛЦУ) - дальномерами, работающими в различных спектральных диапазонах.
При работе импульсных лазерных дальномеров, состоящих из собственно лазерных излучателей и фотоприемных устройств, описанных, например, в патенте РФ №2288449 от 27.04.2006 г. «Лазерный импульсный дальномер», дальность до объекта определяют путем измерения времени прохождения импульса лазерного излучения от излучателя до объекта и обратно с помощью фотоприемника, например, лавинного фотодиода.
Такие дальномеры обеспечиваю измерение расстояния до 20 км и более при условии соответствующей дальности видимости.
В этом случае, когда дальномер совмещен с оптико-электронным устройством, работающим в том же спектральном диапазоне, что и излучатель дальномера, есть возможность увидеть изображение пятна излучения дальномера.
Однако, при дальности, равной или больше 3-5 км, возможности таких оптоэлектронных устройств не позволяют наблюдать изображение пятна излучения, в особенности днем, в связи со следующими причинами:
- чувствительность фотоприемных приборов на основе матриц ПЗС или КМОП даже при условии высокого быстродействия и синхронизации их частоты с частотой работы дальномера недостаточна для отображения пятна излучения дальномера;
- если излучатель дальномера и фотоприемный прибор разнесены в пространстве, наблюдение пятна лазерного дальномера возможно только при синхронизации лазерного дальномера с фотоприемным прибором. Обычно лазерные дальномеры работают на длине волны 1,06 или 1.54 мкм с частотой 20 Гц и длительностью импульса ~ 10 нс.
7
Синхронизация работы лазерного излучателя с фотоприемным устройством позволяет снизить яркость фона в зоне между объектом и приемником на величину, равную скважности стробирующих импульсов, то есть отношению частоты строба и длительности, например, при частоте 20 Гц (типичная частота работы твердотельных лазерных дальномеров с диодной накачкой на длине волны 1,06 мкм и 1,54 мкм) и длительности строба 200 нс, ослабление яркости фона составит 5×10 раз.
При таких параметрах излучателя и синхронизации излучателя с приемником твердотельные фотоприемники, работа которых основана на накоплении сигнала (матрицы ПЗС или КМОП) даже при высоком быстродействии работают в режиме накопления и не «увидят» пятна излучения.
В этом случае только оптоэлектронные устройства, называемые активно-импульсными, (см. например, патент РФ №2040015 от 20.07.1995 г. «Активно-импульсный прибор ночного видения») на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), работающие в режиме «стробирования», позволяют, обладая «мгновенным» усилением, сохраняющимся независимо от времени открытия затвора ЭОП, увидеть объект.
В ночное время суток такие приборы работают в режиме активно-импульсного прибора ночного видения, а днем - наблюдательного прибора с лазерной подсветкой. Лазерный осветитель и фотоприемное устройство на основе ЭОП с затвором находятся в едином изделии.
Управление такими приборами осуществляется электронным способом, т.е. либо от источника питания ЭОП, либо от источника питания лазерного излучателя.
Однако, в случае, если излучатель и оптоэлектронное устройство отображения разнесены в пространстве, электронная синхронизация их работы невозможна, и, соответственно, увидеть пятно излучения на объекте также невозможно.
Известно устройство для определения положения светового пятна, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник-мультискан, имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и блок преобразования электрического сигнала, одними выводами источники смещения соединены между собой, а другими с соответствующими выводами делительной шины мультискана, вход блока преобразования электрического сигнала соединен с общей шиной, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными последовательно фильтром высоких частот, синхронным детектором и интегратором, модулятором, блок преобразования электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение и выходом соединен с входом фильтра высоких частот, выход интегратора связан с объединенными выводами источников смещения, а модулятор соединен с источником светового излучения (RU 2097691 С1, МПК G01B 21/00, опубликовано: 27.11.1997).
Также известно устройство для определения положения светового пятна, включающее фотоприемник-мультискан с набором встречно включенных p-n переходов, делительной и общей шинами, земляную шину, оптическую систему для формирования на поверхности мультискана светового пятна от источника излучения, источник питания, соединенный с делительной и земляной шинами, блок преобразования электрического сигнала «напряжение-напряжение», выполненный в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного входом с общей шиной мультискана, а выходом с регистрирующим устройством, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит внешний источник импульсного напряжения и электронный ключ, входной электрод электронного ключа подключен к общей шине мультискана, выходной электрод электронного ключа подключен к земляной шине, а управляющий электрод электронного ключа подключен к упомянутому источнику импульсного напряжения (RU 2399022 С1, МПК G01B 11/00, опубликовано: 10.09.2010).
Кроме того, известно устройство для определения положения светового пятна, состоящее из фотоприемника-мультискана, содержащего набор встречно включенных p-n переходов, делительную и общую шины, оптической системы для формирования на поверхности фотоприемника-мультискана светового пятна от источника излучения, преобразователя электрического сигнала, соединенного с общей шиной мультискана, регистрирующего устройства и источника питания, соединенного с делительной шиной мультискана, отличающееся тем, что источник питания выполнен имеющим среднюю точку, преобразователь электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, дополнительно введены внешний источник импульсного напряжения, интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, соединенный своим входом с выходом преобразователя ток-напряжение, а выходом - со средней точкой источника питания и регистрирующим устройством, и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом - к выходу интегратора, а управляющим электродом - к внешнему источнику импульсного напряжения, причем отношение К величины сопротивления Roc в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение к величине сопротивления Rинт во входной цепи интегратора удовлетворяет соотношению 1<K≤1000 (RU 2399023 С1, МПК G01B 11/00, G01J /44, опубликовано: 10.09.2010).
Несмотря на то, что три представленных выше устройства имеют некоторое сходство в названии с предлагаемым устройством, тем не менее, все они позволяют определять координаты светового пятна относительно самого прибора, но не на удаленном объекте.
Проблема заключается в том, что для задачи обнаружения лазерного излучения от ЛЦУ необходима визуализация объектов, на которые попадает лазерное излучение от ЛЦУ и самого лазерного пятна. Визуализация нужна для определения точности попадания лазерного излучения от ЛЦУ на объект наблюдения и в особенности необходима, в случае если объект, на который направлен ЛЦУ, перемещается в пространстве.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства для круглосуточного обнаружения, визуализации и определения положения пятна отдаленного импульсного лазерного дальномера на наблюдаемом удаленном объекте.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается устройство для круглосуточного наблюдения положения пятна излучения на удаленном объекте, характеризующееся тем, что оно содержит корпус, в котором размещены фотоприемник с первым входным объективом и платой усилителя, ПЗС камера, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) со вторым входным объективом, состыкованный с матрицей ПЗС камеры, импульсный источник питания ЭОП, при этом выход платы усилителя подключен к входу синхронизации импульсного источника питания ЭОП, выход которого подключен к входу ПЗС камеры, снабженной USB кабелем передачи видеоданных к ЭВМ, а импульсный источник питания ЭОП снабжен USB кабелем управления устройством посредством ЭВМ.
Кроме того, в качестве фотоприемника использован лавинный фотодиод.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для круглосуточного наблюдения положения пятна излучения на удаленном объекте.
1 - Корпус;
2 - Первый входной объектив;
3 - Второй входной объектив;
4 - Импульсный источник питания;
5 - Плата усилителя;
6 - ПЗС камера;
7 – ЭОП, состыкованный с матрицей ПЗС камеры;
8 - USB кабель передачи видеоданных от устройства к ЭВМ;
9 - USB кабель управления устройством через ЭВМ;
10 - Фотоприемник.
На фиг. 2 представлена структурная схема функционирования устройства при определении положения пятна излучения на удаленном объекте.
На фиг. 3 показан пример определения пятна лазерного дальномера на трубе ТЭЦ. Расстояние до объекта 7 км.
Устройство для круглосуточного наблюдения положения пятна излучения на удаленном объекте содержит корпус 1, в котором размещены фотоприемник 10 с первым входным объективом 2 и платой усилителя 5, ПЗС камера 6, электрооптический преобразователь 7 (далее ЭОП) со вторым входным объективом 3, состыкованный с матрицей ПЗС камеры 6, импульсный источник питания 4 ЭОП, при этом выход платы усилителя 5 подключен к входу синхронизации импульсного источника питания 4 ЭОП, выход которого подключен к входу ПЗС камеры 6, снабженной USB кабелем передачи видеоданных к ЭВМ 8, а импульсный источник питания 4 ЭОП снабжен USB кабелем управления устройством через ЭВМ 9. В качестве фотоприемника 10 может быть использован лавинный фотодиод.
Такая совокупность признаков позволяет в широком диапазоне освещенностей (днем и ночью) видеть пятно дальномера за счет синхронизации оптоэлектронного устройства отображения путем оснащения этого устройства дополнительным фотоприемником, который, получив оптический отклик отраженного от объекта лазерного светового импульса, запускает с той же частотой и длительностью работу затвора ЭОП. В результате яркость окружающего фона также ослабляется на величину, пропорциональную скважности, вследствие чего и днем, и ночью окружающий фон не мешает наблюдению.
Устройство работает следующим образом.
Лазерный импульс от дальномера целеуказателя 17 попадает на наблюдаемую в прибор мишень 11 и отразившись от нее фокусируется с помощью объектива 2 на лавинный фотодиод 10 который передает импульс на усилитель 5. Усилитель 5 усиливает полученный с фотодиода 10 импульс до стандартов TTL и передает его в импульсный источник питания (далее ИИП) 4. ИИП 4 получив сигнал усилителя 5 создает задержку в 50 мс (частота дальномера целеуказателя 20 Гц) и затем генерирует высоковольтный открывающий импульс на фотокатод ЭОП 7, таким образом, лазерный импульс, отраженный от наблюдаемой в прибор мишени попадает с помощью объектива 3 на ЭОП 7, точно во время открытия фотокатода ЭОП 7 открывающим высоковольтным импульсом. Далее изображение мишени и лазерного импульса на ней полученное с помощью ЭОП передается камерой 6 посредством USB кабеля 8 в ЭВМ. В ЭВМ рассчитывается средняя яркость полученного изображения и по кабелю 9 передается управляющий сигнал на ИИП для корректировки длительности высоковольтного открывающего импульса.
Расстояние до наблюдаемого объекта 11 измеряют с помощью импульсного лазерного дальномера 17 (см. фиг. 2), состоящего из импульсного лазерного излучателя 12 с выходной оптикой и фотоприемного устройства 13 с входной оптикой и блоком обработки информации 14. Дальномер обычно находится на значительном расстоянии от предлагаемого устройства, но на расстоянии прямой видимости объекта 11.
Предлагаемое устройство состоит из фотоприемника 10 с входной оптикой, который принимает лазерный импульс дальномера, отраженный от объекта 11, формирует импульс внешней синхронизации для импульсного источника питания ЭОП 4. ЭОП 7 начинает открываться синхронно с частотой импульсного лазерного дальномера и наблюдает объект с находящимся на нем пятном от лазерного дальномера с помощью камеры 6, состыкованной с ЭОП 7. Регистрация положения и координат пятна дальномера осуществляется видеопроцессором 15.
На фиг. 3 показано изображение объекта (трубы ТЭЦ), расположенной на расстоянии 7 км от устройства.
Пятно 16 сформировано импульсным лазерным целеуказателем-дальномером 17.
Видеопроцессор 15 при наличии жесткого растра камеры с помощью дополнительных устройств (датчик GPS, акселерометр, компас) может также определять координаты пятна на объекте.
Таким образом, полезной моделью достигается технический результат в виде создания устройства для круглосуточного обнаружения, визуализации и определения положения пятна отдаленного импульсного лазерного дальномера на наблюдаемом удаленном объекте.