ВРЕМЯПРОЛЕТНАЯ КАМЕРА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОТСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ ПОДСВЕТКИ

Полезная модель - времяпролетная камера с автоматической отстройкой частоты подсветки относится к технике измерения дальности до объектов с использованием отраженных импульсно-модулированных электромагнитных волн.
Времяпролетная камера с автоматической отстройкой частоты подсветки, обозначаемая далее ВПК, содержит:
- источник модулированного инфракрасного сигнала подсветки;
- времяпролетный матричный сенсор;
- оптический объектив;
- программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС);
- цифровой процессор;
- цифровой интерфейс ввода/вывода информации;
- блок измерения частоты мешающего сигнала подсветки.
Импульсно-модулированный сигнал подсветки отражается от объектов в зоне наблюдения ВПК и через оптическую систему попадает на матричный сенсор, каждый элемент которого позволяет измерить время задержки прихода отраженного импульса сигнала подсветки относительно момента формирования импульса в системе подсветки. Зная скорость света и время распространения импульса от ВПК до препятствия и обратно, можно получить оценку расстояния от камеры до объекта (US 7884310 B2). Для группы приемных узлов, формирующих матричный сенсор, можно получить карту дальности - двумерный массив расстояний от объектов наблюдаемой сцены до ВПК, в котором две координаты массива будут определять вертикальный и горизонтальный углы, для которых зафиксировано расстояние до объекта. Все расчеты, связанные с построением одномоментной карты дальности (трехмерного снимка), выполняются на ПЛИС, а цифровой процессор обеспечивает преобразование полученной карты дальности в нужный формат, осуществляет временную привязку и отправляет результат потребителю, например, специализированной программе на ПЭВМ (Miles Hansard, Seungkyu Lee, Ouk Choi. Radu Horaud. Time-of-Flight Cameras: Principles, Methods and Applications. November, 2012. Springer). Взаимодействие с потребителем выходной информации осуществляется посредством цифрового интерфейса ввода/вывода информации.
Имеющаяся необходимость применения нескольких подобных устройств с пересекающимися зонами наблюдения продиктована, в первую очередь, желанием обеспечить покрытием зону, пространственные размеры которой превышают размеры зоны наблюдения одной ВПК. Например, при организации протяженной зоны наблюдения вдоль промышленного конвейера: несколько ВПК размещается вдоль конвейера таким образом, чтобы смежные области наблюдения частично пересекались и образовывали одну непрерывную область контроля.
Для обеспечения функционирования ВПК используется модулированная подсветка, к характеристикам которой можно отнести:
- вид модуляции (гармоническая, импульсная, кодово-импульсная);
- частота несущей (длина волны) применяемого источника излучения;
- центральная частота модулирующего сигнала.
При работе нескольких ВПК с пересекающимися зонами наблюдения необходимо предпринять меры, предотвращающие засветку камер излучателями соседних ВПК. К таким мерам можно отнести:
- применение различных кодов при кодово-импульсной модуляции;
- переход на другую длину волны источника подсветки;
- временная синхронизация всех камер с пересекающимися зонами наблюдения;
- изменение центральной частоты модулирующего сигнала.
Использование кодово-импульсной модуляции и различных специализированных кодов для каждой ВПК, позволяет обеспечить совместное функционирование нескольких камер в общей пространственной области, но добавление каждой новой камеры приводит к снижению соотношения сигнал/шум, что негативно сказывается на точности измерений, выполняемых ВПК (R.Z. Whyte, A.D. Payne, A.A. Dorrington, and M.J. Cree, "Multiple range imaging camera operation with minimal performance impact," Proc. SPIE-IS&T Electronic Imaging, edited by D. Fofi, K.S. Niel, SPIE vol. 7538, pp. 75380I, 2010).
Возможности перехода на другую длину волны источника излучения сопряжены с техническими трудностями, связанными с особенностями применяемых в времяпролетных камерах твердотельных источников инфракрасного излучения.
Временная синхронизация всех камер с пересекающимися зонами наблюдения позволяет реализовать принцип временного разделения периодов излучения/приема различных камер. В этом случае одна из камер служит источником сигнала синхронизации для всех остальных ВПК и каждой камере выделяется свой временной интервал (слот), во время которого только одна ВПК выполняет измерения. Описанный подход требует определенных временных и материальных затрат на организацию системы синхронизации, одновременная фиксация сцены разными камерами невозможна, с ростом количества синхронизированных камер увеличивается межкадровый интервал, что не позволяет применять данный метод для контроля быстропротекающих процессов.
Изменение центральной частоты модулирующего сигнала - наиболее доступный и надежный метод устранения взаимного влияния нескольких ВПК с пересекающимися зонами наблюдения (Dubois J.M., Hugli H. Fusion of Time of Flight Camera Point Clouds. In: Proceedings of the Workshop on Multi-camera and Multi-modal Sensor Fusion Algorithms and Applications, Marsielle, 2008). Известен ряд ВПК-устройств, выпускаемых серийно, в которых предусмотрена возможность изменения частоты модулирующего сигналы с помощью специальных команд, отправляемых устройству через цифровой интерфейс ввода/вывода информации:
- Mesa Imaging SR4000 (см. www.mesa-imaging.ch);
- Bluetechnix Sentis-ToF-M100 (см. ww2.bluetechnix.com).
Недостатком подобных устройств является необходимость:
- планирования сетки применяемых частот модуляции сигнала подсветки;
- индивидуальной настройки частоты излучателя каждой ВПК.
Наиболее близким техническим решением по своему назначению к заявляемому устройству, принятым в качестве ближайшего аналога (прототипа) полезной модели, является ВПК Mesa Imaging SR4000 (см. www.mesa-imaging.ch), представляющая собой автономный измерительный прибор, имеющий цифровой интерфейс для организации взаимодействия с ПЭВМ. Устройство оснащено:
- модулем инфракрасной подсветки с длиной волны 850 нм;
- времяпролетным сенсором 176×144 пикселей;
- оптической подсистемой, обеспечивающей диапазон измерения дальностей до объектов 0,1-5 м;
- ПЛИС;
- USB-интерфейсом ввода/вывода информации.
Основными недостатками ближайшего аналога являются:
- необходимость ручной настройки центральной частоты модуляции сигнала подсветки для каждой камеры перед началом работы;
- отсутствие индикации наличия мешающего сигнала подсветки.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение ручного труда и повышение степени автоматизации при организации совместной работы нескольких времяпролетных камер в общей пространственной зоне, своевременное выявление проблем, связанных с искажением результатов измерений дальности до объектов из-за взаимного влияния ВПК, имеющих близкие частоты модуляции сигнала подсветки.
Устранение недостатков ближайшего аналога основывается на введении в ВПК блока измерения частот мешающих сигналов подсветки ВПК, работающих в общей или смежных пространственных зонах. Данный блок позволяет выполнить оценку фоновой обстановки в частотном диапазоне сигнала модуляции подсветки до начала работы излучателя подсветки ВПК. На основании измеренных данных о наличии и частоте излучателей в рабочем диапазоне модулирующего сигнала подсветки может быть выполнена процедура отстройки частоты модулирующего сигнала ВПК от зафиксированных частот мешающих излучателей. После выполнения отстройки по частоте излучатель устройства начинает работу на свободной частоте модуляции и ВПК начинает штатно функционировать. В случае невозможности выполнить отстройку по частоте, например, при обнаружении мешающих излучателей во всем доступном диапазоне частот - включается специализированный индикатор, оповещающий обслуживающий персонал о наличии проблемы.
Для более полного понимания ниже приводится описание работы устройства со ссылками на приложенные рисунки, на которых показана предпочтительная форма осуществления полезной модели:
На фиг. 1 показана структура времяпролетной камеры, где цифрами обозначены:
- источник модулированного инфракрасного сигнала подсветки (1);
- времяпролетный матричный сенсор (2);
- оптический объектив (3);
- программируемая логическая интегральная схема (4);
- цифровой процессор (5);
- блок измерения частоты мешающего сигнала подсветки (6).
- цифровой интерфейс ввода/вывода информации (7);
- индикатор, показывающий наличие мешающего сигнала подсветки
На фиг. 2 показан пример области пересечения (11) зон наблюдения (10) нескольких однотипных ВПК (9). Излучение источника (1) одной из камер (9) отражается от объекта в общей зоне и попадает через объектив (3) на сенсор другой камеры.
Устройство работает следующим образом:
- после включения питание ВПК переходит в режим сканирования частотного диапазона сигнала модуляции подсветки, в котором времяпролетный сенсор (2) тактируется с частотой, изменяющейся с некоторым шагом во всем допустимом диапазоне, а излучатель подсветки (1) выключен. Для каждой частоты фиксируется отклик сенсора и строится спектрограмма фоновой подсветки;
- по завершении сканирования частотного диапазона сигнала модуляции выполняется анализ зафиксированной спектрограммы фоновой подсветки. Заданным пороговым значением отсекаются участки спектра, в которых отклик сенсора превышает порог - в данных спектральных областях работают мешающие излучатели;
- выполняется процедура автоматической отстройки частоты модулирующего сигнала подсветки от частот мешающих излучателей. При отсутствии свободных участков спектра включается индикация;
- после успешной отстройки частоты модулирующего сигнала подсветки ВПК переходит в штатный режим функционирования.