УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к обзорно-поисковым оптико-электронным системам лазерной локации, в частности, к малогабаритным лазерным минилокаторам с автоматическим сканированием либо сканированием с рук требуемого пространственного поля и может использоваться для скрытного быстродействующего обнаружения специализированных приборов наблюдения и прицеливания, ведущих локальное «дуэльное» наблюдение.
Известен ряд технических решений, позволяющих обнаруживать оптические и оптико-электронные объекты. Например, известно устройство [1] основанное на использовании широкоформатного фотоприемника - электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с режимом стробирования по дальности и активного подсвечивающего лазерного канала во всем поле приема. Это устройство содержит объектив, ЭОП, блок затворных импульсов, видеоконтрольное устройство (монитор), импульсный лазер, модулятор, делитель кадровой частоты, синхронизатор, блок обработки и пульт управления. При работе это устройство дает картину (изображение) просматриваемого участка местности в требуемом поле зрения. Специфика использования ЭОПа накладывает ограничение по чувствительности в условиях значительных фоновых засветок, большого рассеяния в атмосфере, наличия искусственных и естественных источников света и т.п., т.к. ЭОП накапливает световую энергию за время цикла измерения, которое может достигать долей секунды. Применение же стробирования требует дополнительного времени на получение дальномерной информации (на настройку плавающего строба) или необходимости использования дополнительного дальномерного канала. При этом обработка визуальной информации ведется оператором, который не может достоверно распознавать тип светящихся участков изображения (реальная это цель либо искусственный источник или бликующие паразитные объекты).
Существуют устройства обнаружения, позволяющие в автоматическом режиме, т.е. без участия оператора в обработке информации, обнаруживать требуемые объекты (визирные и наблюдательные оптические приборы) с применением требуемых режимов работы по частичной селекции ложных объектов (диффузные, автомобильные и дорожные знаки, бутылки, стекло и т.п.) с определенной вероятностью подавления их с обеспечением повышенной оперативности (быстродействия) обнаружения требуемых объектов.
Известно также устройство обнаружения оптических и оптико-электронных объектов, выбранное в качестве прототипа [2], содержащее лазерный излучатель с источником питания, оптически сопряженный с цилиндрическим объективом, формирующим индикатрису в виде «узкого ножа», расположенного вертикально, линейку фотоприемников с входным объективом и интерференционным фильтром, которая установлена вертикально в фокальной плоскости объектива, блок последовательного считывания и обработки сигналов с линейки фотоприемников, линейку светоиндикаторов отображения углового положения обнаруживаемых объектов, установленную на вертикальной оси в плоскости, сопряженной с полем изображения окружающей местности, оптико-визирный канал с последовательно установленными окуляром, светоделительным кубом, сеткой, оборачивающей системой и объективом, блок звукового оповещения, подключенный к выходу блока обработки. При этом, вертикальная и горизонтальная оси индикатрисы цилиндрического объектива лазерного излучателя, вертикальная и горизонтальная оси поля приема излучения линейки фотоприемников и вертикальная и горизонтальная оси поля изображения обнаруженного объекта линейки индикаторов угла совмещены в поле обзора изображения окружающей местности, каждый индикатор линейки отображения соединен через блок обработки сигнала и через выход линейки фотоприемников с соответствующей группой приемников линейки фотоприемников, вход блока питания лазерного излучателя соединен с одним из выходов блока обработки сигналов для обеспечения контроля режима работы лазерного излучателя.
сканα
лаз
лаз
счит
Принцип работы устройства основан на локации сканируемого пространства вертикально сформированной ножевидной диаграммой лазерного излучения с определенной угловой скоростью ϖ. В случае попадания на объект данного излучения принимается отраженный оптический сигнал, который попадает через оптическую приемную систему на определенный элемент линейки фотоприемников с накоплением заряда и последовательным считыванием. Длительность лазерных импульсов выбирается исходя из быстродействия считывания информации с линейки фотоприемников и требуемой скорости углового сканирования, а также требований по чувствительности фотоприемника. Как правило, длительность импульса лазера T выбирается меньше или равной времени считывания всех элементов линейки фотоприемников T≤T и составляет единицы миллисекунд, что соответствует частоте излучения порядка десятков-сотен герц. При этом специфика работы линейки фотоприемников - это накопление энергии (числа фотонов) за время цикла, т.е. энергия копится в течение единиц миллисекунд, поэтому наряду с энергетикой лазерных импульсов имеем добавку от накопленной фоновой (солнечной) подсветки подстилающей поверхности, соизмеримой или даже превосходящей локационную подсветку, причем эта фоновая подсветка контрастно может отличаться при переходе от сильно отражающих поверхностей (мокрая листва, трава, белые здания, бликующие стекла и т.п.) до слабо отражающих (например, темная поверхность и т.п.), и контраст может изменяться более чем на порядок. Поэтому выделить полезный сигнал от нужного объекта на фоне ложных практически невозможно, т.е. вероятность выделения полезного сигнала на фоне ложных мала. Также использование ПЗС-линейки принципиально не позволяет определять расстояние до объекта по временной задержке сигнала трассе.
Таким образом, недостатками прототипа являются малая вероятность обнаружения нужных оптических объектов (прицелов и т.п.) на фоне ложных объектов; большой процент ложных сигналов, особенно при быстром сканировании (модуляция при сканировании от подсветки солнечным излучением контрастных объектов); невозможность определения расстояния до обнаруживаемых объектов, в том числе нескольких в поле зрения всей линейки фотоприемников.
Технической задачей данного решения является создание устройства обнаружения оптических и оптико-электронных объектов, обеспечивающего повышение вероятности обнаружения оптических и оптико-электронных приборов на фоне паразитных ложных объектов, снижение количества ложных срабатываний при сканировании пространства, повышение разрешающей способности определения углового положении объекта обеспечения измерения расстояния до объектов во всем мгновенном поле зрения (многоканальное измерение расстояния), повышение динамического диапазона амплитудного анализа принимаемых лазерных сигналов.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве обнаружения оптических и оптико-электронных объектов, содержащем последовательно размещенные приемный объектив и линейку N фотоприемников параллельного типа, визирный канал, полупроводниковый лазер, съюстированный с передающим объективом, формирующим в вертикальной плоскости ножевидную диаграмму, сопряженную по полю с полем приема линейки фотоприемников, согласно предлагаемой полезной модели, фотоприемники выполнены в виде лавинных фотодиодов (ЛФД), передающий объектив выполнен в виде сферической линзы, при этом полупроводниковый лазер размещен в фокусе сферической линзы, и в устройство введены поляризационный фильтр, с заклоном к оптической оси под углом α, близким к углу Брюстера, установленный перед линейкой фотоприемников, N - усилителей фототока, подключенных соответственно к выходам линейки фотоприемников, (N-1) суммирующих усилителей, (2N-1) компараторов, N электронных ключей, 2N-1 канальный измеритель временных интервалов (ИВИ) и многоканальное табло на 2N-1 каналов, последовательно соединенные генератор импульсов, m-канальный коммутатор импульсов и усилитель мощности импульсов, выход которого подключен к входу питания полупроводникового лазера, синхронизатор, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход подключен к управляющему входу m-канального коммутатора импульсов и через введенный усилитель тока - к введенному источнику подсветки, съюстированному с оптическим входом элементов фотоприемника, m одновибраторов, входы которых соединены соответственно с выходами m-канального коммутатора импульсов, схема ИЛИ, m входов которой подсоединены соответственно к выходам одновибраторов, и формирователь порогового напряжения, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, а выход подключен к пороговым входам компараторов, при этом выходы усилителей фототока, кроме последнего, соединены соответственно с первыми входами суммирующих усилителей, выходы всех усилителей фототока соединены соответственно с входами нечетных компараторов, выходы усилителей фототока, кроме первого, соединены соответственно с вторыми входами суммирующих усилителей, а выходы суммирующих усилителей подсоединены соответственно к входам четных компараторов, выходы нечетных компараторов через соответствующие ключи соединены с нечетными входами 2N-1 канального ИВИ, выходы четных компараторов соединены соответственно с управляющими входами пары соседних ключей и четными входами 2N-1 канального ИВИ, выходы которых подсоединены соответственно к входам многоканального табло на 2N-1 каналов.
Кроме того, визирный канал состоит из телекамеры, сопряженной с визирным объективом, поле зрения которого больше или равно полю зрения линейки фотоприемников, и микродисплея, оптически сопряженного с окуляром, при этом синхронизирующий вход телекамеры соединен с синхронизатором, а выход - подсоединен к микродисплею.
Устройство может также содержать схему автоматической регулировки усиления, включенную между выходом одного из двухвходовых суммирующих усилителей и входом питания линейки фотоприемников.
На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства обнаружения оптических и оптико-электронных объектов; на фиг.2 - представлены эпюры сигналов, поясняющие принцип работы устройства; на фиг 3 - линейка фотоприемников.
Устройство обнаружения оптических и оптико-электронных объектов (фиг.1) содержит последовательно размещенные приемный объектив 1 и линейку 2 N фотоприемников параллельного типа, визирный канал, полупроводниковый лазер 3, съюстированный с передающим объективом 4, формирующим в вертикальной плоскости ножевидную диаграмму, сопряженную по полю с полем приема линейки 2 фотоприемников. Фотоприемники линейки 2 фотоприемников выполнены в виде лавинных фотодиодов (ЛФД), передающий объектив 4 выполнен в виде сферической линзы, при этом полупроводниковый лазер 3 размещен в фокусе сферической линзы. Устройство также содержит поляризационный фильтр 5 с заклоном к оптической оси под углом α, близким к углу Брюстера, установленный перед линейкой 2 фотоприемников, N усилителей фототока 6, подключенных соответственно к выходам линейки 2 фотоприемников, (N-1) суммирующих усилителей 7, (2N-1) компараторов 8, N электронных ключей 9, 2N-1 канальный измеритель временных интервалов (ИВИ) 10 и многоканальное табло 11 на 2N-1 каналов, последовательно соединенные генератор 12 импульсов, m-канальный коммутатор 13 импульсов и усилитель мощности импульсов 14, выход которого подключен к входу питания полупроводникового лазера 3, синхронизатор 15, вход которого соединен с выходом генератора импульсов 12, а выход подключен к управляющему входу m-канального коммутатора 13 импульсов и через введенный усилитель тока 16 - к введенному источнику подсветки 17, съюстированному с оптическим входом элементов фотоприемника, m одновибраторов 18, входы которых соединены соответственно с выходами m-канального коммутатора 13 импульсов, схема ИЛИ 19, m входов которой подсоединены соответственно к выходам одновибраторов 18, и формирователь порогового напряжения 20, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ 19, а выход подключен к пороговым входам компараторов 8, при этом выходы усилителей фототока 6, кроме последнего, соединены соответственно с первыми входами суммирующих усилителей 7, выходы всех усилителей фототока 6 соединены соответственно с входами нечетных компараторов 8, выходы усилителей фототока 6, кроме первого, соединены соответственно с вторыми входами суммирующих усилителей 7, а выходы суммирующих усилителей 7 подсоединены соответственно к входам четных компараторов 8, выходы нечетных компараторов 8 через соответствующие ключи 9 соединены с нечетными входами 2N-1 канального ИВИ 10, выходы четных компараторов 8 соединены соответственно с управляющими входами пары соседних ключей 9 и четными входами 2N-1 канального ИВИ 10, выходы которых подсоединены соответственно к входам многоканального табло 11 на 2N-1 каналов.
Визирный канал состоит из телекамеры 21, сопряженной с визирным объективом 22, поле зрения которого больше или равно полю зрения линейки фотоприемников 2, и микродисплея 23, оптически сопряженного с окуляром 24, при этом синхронизирующий вход телекамеры 21 соединен с синхронизатором 15, а выход - подсоединен к микродисплею 23. Между выходом одного из двухвходовых суммирующих усилителей 7 и входом питания линейки фотоприемников 2 включена схема автоматической регулировки усиления 25.
Рассмотрим основные проблемные вопросы при построении и эксплуатации данного класса устройств. При обнаружении нужных целей (прицелы, оптические приборы, приборы наблюдения и разведки и т.п.) необходим точный амплитудно-временной и спектральный анализ принимаемых лазерных сигналов в большом динамическом диапазоне мощностей.
2
Как показывают натурные исследования, показатель световозвращения (ПСВ) квазиоптических цепей, например, автодорожных, железнодорожных знаков, фар машин, стеклянных изделий (бутылки, шары и т.п.) близок к ПСВ реальных цепей (биноклей, прицелов, зрительных труб). Динамический диапазон принимаемых сигналов, например, в реальном диапазоне расстояний 100÷2000 м, в котором используются прицелы, достигает более 10 раз, что не позволяет в прототипе, обладающим диапазоном не более 10 раз, произвести нужный амплитудный анализ, так как в ближней и средней зонах расстояний сигналы находятся в режиме ограничения и насыщения. А амплитудно-временной анализ в прототипе, в принципе невозможен, поэтому селекция нужных объектов производится в ограниченных пределах расстояний и с малой достоверностью.
Проблемы же оперативного обнаружения оптических наблюдательных приборов с определением координат объекта очень актуальны.
Устройства обнаружения оптических и оптико-электронных объектов работает следующим образом.
m
m(i-1)
1
Просматриваемое пространство зондируется лазерным излучением полупроводникового лазера 1 в виде пачек импульсов, числом m и мощностью Р импульсов соответственно P>P>…>P, т.е. мощность импульсов различна и повышается с номером импульса в пачке. Соотношения мощности последующего к предыдущему выбирается из соотношения:
2
Выбираем К равным порядка 10, тогда, например, при числе импульсов в пачке равном трем и типовом динамическом диапазоне приемного устройства равном 10, имеем увеличение динамического диапазона D (линейного) участка, в котором проводится амплитудно-временной анализ:
*
m-1
2
2
4
пр
D=D·K=10·10=10
Т.е. увеличение составляет два порядка. В большинстве случаев такого увеличения динамического диапазона достаточно.
Пачки лазерных импульсов формируются следующим образом: генератор импульсов 12 формирует последовательность импульсов, из которой с помощью электронного коммутатора 13, управляемого тактовыми импульсами синхронизатора 15, разветвляются импульсы на m выходов. Эти m импульсов подаются на m входов усилителя мощности 14, по каждому входу он имеет свой коэффициент усиления, поэтому выходной сток накачки и соответственно мощность излучения полупроводникового лазера 3 имеют разное значение:
Сферическая линза передающего объектива 4 формирует изображение светящегося p-n перехода полупроводникового квантового генератора (ПКГ). Так как размеры излучающего ПКГ составляют порядка 1 мкм × (200÷600) мкм, то формируется ножевидная диаграмма, с расположением по длинной стороне вертикально. Одновременно из каждого сигнала пачки с выхода коммутатора 13 одновибраторами 18 формируются m стробов (фиг.2), начало и длительность каждого из которых определяется началом и концом участка измеренных расстояний. Весь диапазон разбивается на m участков. Учитывая зависимость отраженных сигналов от расстояния, вводим соответствующие дискреты по участкам. На ближней зоне принимается слабый лазерный сигнал, на средней - средний, на дальней - самый сильный. Временная селекция осуществляется стробированием этих сигналов. Сигналы с выходов одновибраторов 18 сводятся в одно направление схемой «ИЛИ» 19 и из них последовательно формируются m управляющих пороговых сигналов формирователем порогового напряжения 20 соответственно для слабого, среднего и мощного импульсов:
0
где U - начальный высокий порог вне строба,
i
- начало m-ой зоны измерения расстояния,
i
S - текущее расстояние,
l - коэффициент, характеризующий ослабление сигнала от расстояния до объекта,
К - коэффициент, установленный, с учетом мощности лазерного импульса в пачке, распределенных во времени и привязанных каждый к своему импульсу излучения пачки.
1
Мг2
Сигналы вне стробов блокируются высоким уровнем опорного напряжения, подаваемого на компараторы 9. В ближней зоне открываются «ворота» для срабатывания компараторов 9 от слабых сигналов (P), в средней - для лазерного сигнала средней мощности (Р), в дальней - для лазерного сигнала большой мощности.
Внутри каждого из стробов (ворот) за счет сформированного по требуемому закону порогового напряжения производится точная амплитудно-временная селекция сигналов от требуемых объектов относительно ложных на линейных участках динамического диапазона сигналов.
Так как при создании малогабаритного устройства обнаружения на расстоянии более одного километра требуется высокочувствительные фотоприемники, то в качестве них использованы самые чувствительные малогабаритные приемники, а именно линейки лавинных фотодиодов (ЛФД) с чувствительностью . Их преимуществом является, помимо чувствительности, отсутствие эффекта накопления по сравнению с фотоприемными линейками с накоплением и последовательным считыванием информации. Помимо большей по чувствительности, более чем на порядок, они позволяют обеспечивать прием сигналов в реальном масштабе времени, что обеспечивает возможность измерения расстояния по каждому элементу линейки ЛФД.
x
y
Δ
y
y
Процесс приема и обработки отраженных от объектов сигналов осуществляется следующим образом. При обнаружении и сканировании пространства ножевидной лазерной диаграммы имеем большую концентрацию (облученность) в одной горизонтальной Q плоскости, в другой плоскости обеспечивается требуемый мгновенный угол Q обзора (захвата) цели. Этот угол разбит на N элементов, что обеспечивает точность по углу места Q=Q/N.
Отраженный от объекта лазерный сигнал принимается объективом 1, который формирует изображение в плоскости чувствительных элементов линейки 2 фотоприемников. В сходящемся пучке установлен поляризационный фильтр 5 в виде плоско-параллельной пластины α≈углу Брюстера, который выполняет двойную роль:
- выполняет функцию частичного подавления сигналов от ложных диффузно-отражающих объектов, которые размывают поляризацию лазерного излучения (лазерное излучение исходно поляризовано в вертикальной плоскости по длинной стороне излучающей площадки ПКГ),
- растягивает изображение в виде эллипса в вертикальной плоскости, что необходимо для дальнейшей обработки сигналов.
пят.
пл.
Технологически линейки 2 параллельного типа выполняются на единой подложке с геометрическим разделением на N элементов (фиг.3). При разделении всегда остается зазор для электрического и оптического разделения площадок. Как правило, зазор (зона нечувствительности) составляет 15÷20% от размера элементов. Соответственно при попадании пятна изображения на зазор происходит потеря энергетики принимаемых сигналов. Как правило, технологически размер пятна изображения задается значительно меньше размера площадки элемента линейки 2 фотоприемников. Например, d=(0,3÷0,5)d. В этом случае потери достигают 50÷70%. Это приводит к снижению чувствительности и уровня сигнала при разделении энергии пятна на две смежные площадки. В этом случае чувствительность падает до , т.е. составляет (15÷20)% от максимальной.
Также в этом случае появляется пространственная неравномерность по амплитуде сигнала, что не позволяет точно производить амплитудно-временной анализ и селекцию сигналов.
у
х
Эта проблема устраняется следующим образом. С помощью заклоненной пластины поляризационного фильтра 5 нужной толщины изображения цели (пятна) растягивается в эллипс, длинная ось которого 1≈(1,1÷1,2)а (рис.3), а малая ось 1≈(1,1÷1,2)а. В этом случае потеря сигнала от зазора Δ составляет (25÷20)°, но она остается практически постоянной и неравномерность снижается до (5÷10)% при перемещении пятна с площадки на площадку. Снижение чувствительности (уровня сигнала) устраняется суммированием сигналов со смежных площадок с помощью суммирующих усилителей 7. В этом случае имеем практически равномерную чувствительность по всей длине линейки ЛФД (неравномерность ≤(5÷10)%).
Чувствительность в этом случае по сравнению с прототипом возрастает в К раз (фиг.3).
при
В то же время в результате появления (N-1) промежуточных сигналов с (N-1) сумматоров имеем дополнительно (N-1) угловых координат. Суммарно разрешающая способность по углу увеличивается ≈ в 2 раза с N до (2N-1) значений. Промежуточные значения выделяются путем исключения информации со смежных площадок электронными ключами 9 в случае наличия одновременно сигналов с двух смежных площадок. Принятые отраженные от объектов сигналы детектируются элементами линейки 2 ЛФД, затем подаются соответственно на N усилителей 6 фототока, а потом - на N соответствующих компараторов 8. Одновременно сигналы с выходов соседних смежных усилителей 6 подаются на двухвходовые суммирующие усилители 7, с выходов которых подаются на свои (N-1) компараторы 8.
Таким образом, суммарно формируются N+(N-l)=2N-1 выходов с компараторов 8, т.е. формируются дополнительно по сравнению с прототипом (N-1) информационных каналов. В случае попадания пятна изображения на две смежные площадки (фиг.3) неопределенность информации устраняется с помощью блокирования сигналов со смежных площадок управляемыми электронными ключами 9. Сигналы с выходов компараторов 8 подаются на (2N-1) - канального ИВИ 10, в которой производится измерение временных интервалов и оцифровка их между стартовым импульсом с генератора задающих импульсов 12 и этими импульсами соответственно в каждом канале. Оцифрованные сигналы с выхода каждого канала ИВИ 10 подаются на многоканальное информационное табло 11, на котором в каждом канале отображается информация о факте обнаружения, расстоянии до объекта и его угловом положении. Информация может выдаваться как визуально, так и в речевом виде и может выводиться на внешние устройства.
тес
тес
след
след
Для стабилизации чувствительности линейки ЛФД используется схема АРУ 25 по тестовому сигналу, формируемому в синхронизаторе 15 вне зон стробирования. Частота тестовых сигналов F выбирается из условия: F» F, где F - частота следования запускающих импульсов. Тестовые сигналы через усилитель тока 16 подаются на светодиод 17, съюстированному с оптическим входом элементов фотоприемника. С выхода соответствующего усилителя 6 этой площадки усиленный тестовый сигнал подается на вход схемы АРУ 25 по питанию ЛФД. При изменении уровня сигнала (чувствительности) изменяется напряжение питания, что приводит к компенсации амплитуды сигнала и, соответственно, стабилизации чувствительности. Это позволяет производить точный амплитудный анализ сигналов, что повышает вероятность распознавания оптических объектов.
Устройство снабжено телевизионным визирным каналом, содержащим визирный объектив 22, в фокусе которого установлена телекамера 21 со встроенной схемой управления, синхронизированной сигналами с синхронизатора 15, выход телекамеры 21 соединен с дисплеем 23, который также соединен с 2N-1 канальным ИВИ 10, с выхода которого выдаются дополнительно в требуемом виде сигналы, формирующие необходимую информацию в телевизионном виде. Для наблюдения наблюдателем 26 выбранной панорамы местности и контроля информации с телевизионного растра дисплея используется окуляр 24.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №9810287.
2. Патент РФ №2223515 (прототип).