Лазерное устройство видения

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к системам видения, в частности к устройствам, которые обеспечивают обнаружение различных объектов, круглосуточное наблюдение за ними и определение расстояний до них в условиях ограниченной видимости, вызванные плотным туманом, снегом, дождем, дымом и т.д. Данный прибор может быть использован для безопасного вождения автомобильного и других видов транспорта.
Уровень техники
Известны различные лазерные устройства видения, работающие, в инфракрасной (ИК) области патент RU 2465619 С1, публикация 2012 г, патент US 5719567 А публикация 1995.
Устройство в ИК (патент RU 2465619 С1) работоспособно в ночное время суток или при низком уровне фонового освещения. Принцип работы устройства состоит в следующем. В направлении объекта наблюдения излучается лазерный импульс. Отраженный объектом импульс регистрируется приемным блоком, который формирует изображение объекта.
Недостатком этого устройства является то, что оно неработоспособно в дневное время суток. Это вызвано тем, что в видимой и ИК-области в окнах прозрачности атмосферы солнечное фоновое излучение или значительно ухудшает качество изображения (даже при использовании стробирования приемника), или может привести к выходу из строя электронно-оптического преобразователя.
Устройство в УФ диапазоне длин волн (патент US 5719567 А) предназначено для обеспечения видимости ориентиров на взлетно-посадочных полосах аэропортов повышения уровня безопасности при посадках самолетов в любое время суток. Принцип работы устройства состоит в следующем. На взлетно-посадочной полосе в качестве ориентиров устанавливается лазерный источник излучения, на самолете размещается приемный блок, регистрирующий изображение этого источника.
Недостатком устройства является то, что в нем отсутствует возможность определения расстояния до объекта и то, что лазерный источник удален от приемного блока на значительные расстояния и функционально не связан с ним.
Близкой к заявляемой полезной модели по конструктивным характеристикам является активно-импульсная система видения, описанная в работе Белов В.В., Матвиенко Г.Г., Пак Р.Ю., Шиянов Д.В., Кирпиченко Р.Ю., Курячий М.И., Пустынский И.Н., Шурыгин Ю.А. Активные ТВ-системы видения с селекцией фонов рассеяния // Датчики и системы. 2012. №3. С. 25-30. В этой системе, помимо других элементов, прибора с зарядовой связью (ПЗС) в составе телевизионной камеры, блока управления, синхрогенератора, дополнительно введены формирователь импульсов управления затвором ПЗС и формирователь импульсов записи зарядового изображения в вертикальные регистры ПЗС. При этом указанные блоки включены между блоком управления и телевизионной камерой, и выходы строчных синхроимпульсов и тактовых импульсов синхрогенератора соединены с дополнительными входами блока управления. Все элементы устройства конструктивно связаны. Введение дополнительных формирователей и новых связей позволило снизить уровни темнового тока ПЗС и темнового фона электронно-оптического преобразователя (ЭОП), обеспечить высокую точность и стабильность формирования задержек и длительностей импульсов, используемых в телевизионной системе, что уменьшило размытие зон видимости.
Недостатком прототипа является невозможность его работы в дневное время суток и негативное влияние фоновых помех на качество изображения.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по всем параметрам кроме одного является ОЭС видения, описанная в магистерской диссертации О.Ф. Ванданова, защищенная в Томском госуниверситете в 2016 г. под руководством В.В. Белова. Приведенная в ней схемная реализация лазерной системы видения в УФ диапазоне длин волн (стр. 30-36) не гарантирует эффективную работу в дневное время суток. В схеме отсутствует узкополосный фильтр, благодаря которому отсекается излучение вне солнечно слепого диапазона, которое может регистрироваться фотоприемниками (ФЭУ, например), уменьшая тем самым отношение сигнал /шум до уровня, когда обнаружение и идентификация объектов становится невозможной.
Опыт сотрудников ИОА СО РАН в создании и испытании оптико-электронных систем связи (ОЭСС) в УФ диапазоне длин волн на рассеянном лазерном излучении убеждает нас в этом. Так в полевых испытаниях этих макетов, выполненных в 2017 г., положительные результаты были получены только в ночных условиях. В дневных условиях эта связь стала возможной, когда в состав ОЭСС был введен полосовой оптический фильтр FF 01-157/12-25 (см. работу Белов В.В., Гриднев Ю.В., Кудрявцев А.Н., Тарасенков М.В., Федосов А.В. Оптико-электронная связь в УФ-диапазоне длин волн на рассеянном лазерном излучении. // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. №07. С. 559-562).
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей является создание устройства для круглосуточного наблюдения объектов и определение расстояний до них в условиях плохой видимости или недостаточной естественной освещенности, вызванные плотным туманом, снегопадом, дымом, при отсутствии фоновых (рассеянных) излучений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что данное устройство, включающее блок управления, видеомонитор и импульсный источник излучения УФ области спектра, приемник, работают в диапазоне 0,25-0,3 мкм, в так называемой «солнечно-слепой» зоне, которая получила название в связи с тем, что интенсивность солнечного излучения в указанном диапазоне длин волн практически близка к нулю вблизи поверхности земли, т.к. энергия солнечных электромагнитных волн этого диапазона полностью поглощается озоновым слоем в стратосфере. Поэтому солнечные фоновые помехи данным прибором не регистрируются. Т.е. работа осуществляется круглые сутки, соответствующие в видимом диапазоне длин волн условиям глубокой безлунной и беззвездной ночи. Для достижения этой цели необходимы оптическая система в виде оптического объектива для УФ диапазона с узкополосным фильтром, согласованным с источником импульсного излучения и электронно-оптический преобразователь, чувствительный в том числе к «солнечно-слепой» области спектра.
Это устройство видения пригодно для работы в любое время суток.
Краткое описание чертежей
Лазерное устройство видения в УФ диапазоне длин волн состоит из:
1 - источник излучения;
2 - блок управления;
3 - приемная оптическая система;
4 - узкополосный фильтр;
5 - ЭОП;
6 - передающая оптическая система;
7 - матрица ПЗС;
8 - видеомонитор.
Под цифрой 9 обозначен объект наблюдения.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом. В основе принципа действия системы лежит стробоскопический эффект. Источник излучения (1) посылает короткие световые импульсы на объект (8) с расходимостью в 12°. Отраженный от объекта световой импульс приемной оптической системой (3) фокусируется через узкополосный фильтр (4) на фотокатод электронно-оптического преобразователя (ЭОП) (5) снабженный затвором. Затвор открывается в момент прихода импульса, отраженного объектом, на короткое время и с высокой скважностью, обеспечивая тем самым видимость объекта и блокируя попадание в прибор постоянной засветки рассеянной от взвешенных в атмосфере частиц и молекул воздуха. В результате увеличивается контраст, и достигается наблюдение объектов через полупрозрачные и рассеивающие среды, реализуется возможность определения расстояния до объектов. Длительность импульсов излучения и длительность открытого состояния ЭОПа определяют величину глубины контролируемого пространства. Время задержки открывания ЭОПа и длительность его открытого состояния регулируются блоком управления (3). Стробируемый (включаемый в определенное время на короткий интервал времени) электронно-оптический преобразователь усиливает световой поток и преобразовывает УФ в видимый диапазон длин волн. С помощью передающей оптической системы (6) изображение с экрана ЭОПа передается на матрицу ПЗС камеры (7). Для визуализации изображения к приемнику может быть подсоединен видеомонитор (8).
Определение расстояния до объекта осуществляется следующим образом. Фиксируется интервал времени между излучением лазерного импульса в направлении объекта и принятым отраженным от него импульсом. Расстояние определяется как половина произведения скорости света на этот интервал времени.
Все блоки и элементы устройства конструктивно связаны.
Таким образом, в представленном лазерном устройстве видения УФ диапазона длин волн достигнут сформулированный ранее технический результат. Т.е. обеспечена возможность его круглосуточной работы при разнообразных погодных условиях, реализована возможность одновременного наблюдения объекта и определение расстояния до него, а также отсутствует влияние фонового солнечного излучения, что обеспечивается применением УФ лазера, ЭОП, чувствительного к УФ диапазону длин волн, приемной оптической системы, пропускающей УФ излучение и узкополосного фильтра в солнечно-слепой области спектра.