СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ
METHOD AND APPARATUS FOR OPTICAL LOCATION

Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к способам и устройствам измерения угловых координат и дальности до объектов при непрерывном сканировании окружающего пространства, и может быть использовано при создании сканирующих систем непрерывного обзора, как стационарных, например, для обзора акватории морского порта, так и передвижных - в интересах разведки, точного наведения оружия, охраны границ.
При круговом или секторном сканировании окружающего пространства проблемными являются как вопрос эффективного формирования последовательности видеокадров, обеспечивающей панорамный обзор окружающего пространства, так и измерение дальности до объектов лазерными дальномерами (ЛД), имеющими очень малое поле зрения - единицы угловых минут, в то время как поля зрения устройств технического зрения, например теле- или тепловизионных камер, составляет единицы или даже десятки градусов. Эта проблема усугубляется при непрерывном сканировании окружающего пространства с большими угловыми скоростями: в десятки и сотни градусов в секунду. При этом объект, имеющий малые угловые размеры, проходит через поле зрения ЛД за единицы и даже десятые доли миллисекунды.
Известны оптико-локационные системы и системы кругового обзора [В.Я. Ширнин и др. Широкопольная инфракрасная система кругового обзора, патент РФ №2189049 от 03.10.2001; А.Я. Прилипко и др. Многофункциональная оптико-локационная система, патент РФ №2292566 от 15.09.2005; В.Г. Архипов, Ю.В. Чжан. Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2352957 от 22.01.2007], в которых применены оптико-электронные модули технического зрения. Основным недостатком этих систем является невозможность получения панорамной картины окружающего пространства и измерения дальности ЛД в процессе непрерывного сканирования окружающего пространства.
Известны способ и устройства кругового обзора [Ф.М Броун и др. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления, патент РФ №2445644 от 19.04.2010; А.Я. Прилипко, Н.И. Павлов. Теплопеленгатор, патент РФ №2458356 от 15.04.2011], в которых формирование массива видеокадров осуществляют при непрерывном горизонтальном сканировании окружающего пространства оптико-электронным модулем с матричным фотоприемным устройством (МФПУ), а фиксацию оптического изображения на МФПУ на время экспонирования видеокадра обеспечивают оптическим компенсатором, выполненным либо в виде вращающейся оптической призмы, либо в виде вращающихся оптических клиньев.
Недостаток указанных способа и устройств состоит в невозможности измерения с помощью ЛД расстояния до объектов в процессе сканирования из-за его малого поля зрения, составляющего единицы угловых минут, и большой угловой скорости сканирования.
Частично этот недостаток преодолен в оптико-пеленгационной системе кругового обзора [В.В. Тарасов и др. Оптико-пеленгационная система кругового обзора, патент РФ №2356063 от 27.11.2007]. Указанная система содержит оптико-электронный блок электронного сканирования пространства, имеющий несколько оптико-электронных каналов электронного сканирования (ОЭКЭС), объективы которых равномерно расположены в азимутальной плоскости на окружности с радиальным расположением их оптических осей, в фокальной плоскости каждого объектива расположена фоточувствительная поверхность МФПУ. Поля обзора этих объективов перекрывают сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков, что позволяет получить соответствующий массив видеокадров.
Система дополнительно включает оптико-электронный канал механического сканирования пространства, оптическая ось объектива которого проходит перпендикулярно азимутальной плоскости через центр окружности, на которой расположены объективы ОЭКЭС. Оптико-электронный канал механического сканирования включает поворотное зеркало, расположенное на оптической оси его объектива под углом к ней и выполненное с возможностью поворота как по азимуту, так и по углу места.
Система также содержит ЛД, визирная ось которого сопряжена с визирной осью оптико-электронного канала механического сканирования и управляется приводами поворотного зеркала.
Недостатки указанной системы состоят: во-первых, в большом количестве ОЭКЭС, необходимых для обзора, уменьшение числа которых автоматически ведет к увеличению их полей зрения, а следовательно, к уменьшению масштаба видеоизображений, и, как результат, к уменьшению дальности обнаружения и распознавания объектов, вплоть до их пропуска; во-вторых, в конструктивной сложности системы в целом; в-третьих, в потере времени, необходимого для наведения на объект по двум осям светодальномерного канала.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что вначале известными средствами непрерывно получают последовательность видеокадров сканируемого пространства, в полученной последовательности выбирают видеокадр с объектом, до которого требуется измерить дальность, вычисляют вертикальную и горизонтальную координаты выбранного объекта, выставляют визирную ось ЛД по вычисленной вертикальной координате объекта, а замер дальности производят в следующем цикле сканирования в момент прохождения сканирующей платформой вычисленной горизонтальной координаты объекта. Горизонтальную координату объекта вычисляют как сумму координаты начала выбранного кадра и горизонтальной координаты объекта в кадре.
Аппаратно предлагаемый способ реализуется установкой оптико-электронного модуля (ОЭМ) на сканирующую в горизонтальной плоскости платформу, снабженную приводом и датчиком углового положения. На этой же платформе жестко закреплен одноосный вертикальный подвес, на платформе которого установлен лазерный дальномер. Вертикальный подвес снабжен приводом и датчиком углового положения. Все входы приводов и выходы датчиков углового положения, а также выход устройства выбора объекта через шину последовательного обмена соединены с вычислительным устройством, к выходу которого подключен монитор.
Техническим результатом изобретения является возможность измерения дальности до объекта с помощью ЛД при непрерывном, в том числе круговом, сканировании окружающего пространства.
На фиг.1 показана структурная схема устройства. На фиг.2 приведен пример положения объекта на экране монитора и соответствующие этому положению его координаты относительно начала видеокадра.
Устройство локации с измерением дальности до объектов с помощью ЛД содержит сканирующую в горизонтальной плоскости платформу 1 (фиг.1), на которой размещены ОЭМ 2 и модуль лазерного дальномера 3 с лазерным дальномером 4, установленным на платформу вертикального наведения 5. Привод сканирования 6 соединен с осью вращения сканирующей платформы 1, к этой же оси подсоединен датчик угла сканирования 7, соединенный своим выходом через шину последовательного обмена 8 с вычислительным блоком 9. Вход привода сканирования 6 через шину последовательного обмена 8 соединен с вычислительным блоком 9.
Оптико-электронный модуль 2 содержит оптический блок 10 с компенсатором, в фокальной плоскости которого расположено МФПУ цифровой телекамеры 11. Телекамера 11 соединена своим выходом с входом блока видеопамяти 12, вход/выход которого через шину последовательного обмена 8 соединен с вычислительным блоком 9.
Модуль лазерного дальномера 3 содержит ЛД 4, платформу вертикального наведения 5 с закрепленным на ней ЛД и снабженной приводом вертикального наведения 13 и датчиком угла вертикального наведения 14. Вход привода вертикального наведения 13 и выход датчика угла вертикального наведения 14 через шину последовательного обмена 8 соединены с вычислительным блоком 9.
Вычислительный блок 9 своим видеовыходом соединен с входом монитора 15 и через шину последовательного обмена 8 соединен с выходом устройства выбора объекта 16.
Устройство работает следующим образом.
Вычислительный блок 9 задает скорость и углы сканирования приводу сканирования 6, который обеспечивает скорость вращения сканирующей платформы 1 с установленными на ней оптико-электронным модулем 2 и платформой 5 с лазерными дальномером 4. Оптический блок 10 формирует последовательность оптических изображений на МФПУ телекамеры 11, которая преобразует их в массив видеокадров. Этот массив видеокадров запоминают в блоке видеопамяти 12.
n
n
no
no
Оператор просматривает видеокадры на экране монитора 15 (фиг.2) и с помощью устройства выбора объекта 16 выбирает видеокадр (n) и объект в нем, координаты которого требуется измерить. Оператор с помощью устройства выбора объекта 16 (например, компьютерной «мыши») наводит курсор вычислительного блока 9 на изображение выбранного объекта на экране монитора 15 и дает команду на определение угловых координат и дальности до объекта. По этой команде вычислительный блок 9 вычисляет горизонтальную (α), и вертикальную (β) координаты объекта относительно начала видеокадра (α,β), a также суммарную горизонтальную координату
Σ
no
n
α=α+α.
Вычислительное устройство 9 (фиг.1) выдает значения вертикальной координаты объекта на привод вертикального наведения 13, который поворачивает платформу 5 с ЛД 4 на угол, равный вертикальной координате объекта. Контроль поворота осуществляет вычислительный блок 9 по информации с датчика угла вертикального наведения 14.
n
После выполнения операции поворота платформы 5 с ЛД 4 на заданную вертикальную координату β вычислительный блок 9 выдает ЛД 4 команду на подготовку замера дальности.
Σ
При повторном сканировании вычислительный блок 9 выдаст команду ЛД 4 на измерение дальности в момент совпадения вычисленного значения горизонтальной координаты объекта α с текущим значением датчика угла сканирования 7, т.е. в момент прохождения визирной оси ЛД 4 через объект.