ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
OPTICAL DEVICE FOR THE OBJECTS DETECTION

Область техники
Изобретение относится к системам, определяющим местоположение или обнаруживающим объекты с использованием отражения электромагнитных волн, а также измеряющих расстояния до объектов по линии визирования.
Более конкретно изобретение относится к оптической локации пространства и может быть использовано в измерительной аппаратуре, системах предупреждения столкновения транспортных средств, в навигационных устройствах и в системах охранной сигнализации, а также в оптических устройствах обнаружения объектов и препятствий для обеспечения движения транспортных средств в условиях ограниченного пространства.
Предшествующий уровень техники
Под оптической локацией понимается режим функционирования локатора, включающий в себя обзор заданной области пространства, обработку отраженных сигналов, принятие решения о наличии или отсутствии объектов и препятствий в зоне чувствительности.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2497072 «Датчик цели для реактивных снарядов», МПК: F42C 13/02 опубликовано 27.10.2013, автор: Шепеленко В.Б. (RU).
Сущность изобретения заключается в том, что датчик цели для реактивных снарядов содержит электронный блок и приемоизлучающие каналы. Каналы включают импульсный источник оптического излучения и фотоприемник. При этом приемоизлучающие каналы располагают вокруг продольной оси снаряда, преимущественно в плоскости, перпендикулярной его продольной оси.
Недостатком данного устройства является то, что каждый приемоизлучающий канал устройства содержит электронный блок, импульсный источник оптического излучения и фотоприемник. При увеличении числа каналов происходит усложнение конструкции, что уменьшает ее надежность и массогабаритные характеристики.
Известно также устройство, описанное в патенте РФ №2375724 «Способ лазерной локации заданной области пространства и устройство для его осуществления», МПК: G01S 17/02, опубликовано 10.12.2009, авторы: Вышиваный И.Г. (RU), Галченко Б.И. (RU), Израилев Б.И. (RU), Перевалов А.И. (RU), Ткач А.Я. (RU).
Согласно изобретению, зона чувствительности создается пересекающимися полями зрения передающей и принимающей оптическими системами. Системы имеют вид пирамид со сферическими поверхностями в нижнем основании, с вершинами в центрах объективов, с боковыми гранями в виде секторов круга. Улавливают отраженный сигнал от постороннего объекта и судят о местонахождении объекта по отраженному сигналу и ориентации зоны чувствительности. В устройстве использован лазерный импульсный источник светового излучения. В объективах систем установлены цилиндрические линзы, у которых плоскости сечения наибольшей кривизны параллельны друг другу.
В качестве недостатка прототипа можно отметить, что для расширения области пространства, в которой проводится лазерная локация, вводится механический привод ориентирования. Это усложняет устройство и увеличивает его габаритные размеры.
Известно также устройство, описанное в патенте РФ №2546219 «Оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса», МПК: F42C 13/02, опубликовано 10.04.2015, авторы: Алямов А.Э. (RU), Баннов В.Я. (RU), Батурин А.Г. (RU), Камнев Ю.В. (RU).
Оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса содержит источник оптического излучения, коллимирующую линзу, фокусирующую линзу и фотоприемник. За коллимирующей линзой установлена цилиндрическая линза, а фоточувствительный элемент фотоприемника выполнен в виде матрицы из M≥1 независимых рядов по N≥1 независимых фоточувствительных элементов в каждом ряду, имеющих индивидуальные выходы.
Недостатком данного устройства является то, что каждый приемоизлучающий канал устройства имеет сложную компоновку и включает в себя несколько оптических элементов различного типа, что усложняет конструкцию и юстировку всего канала.
При увеличении числа каналов происходит усложнение конструкции, что уменьшает ее надежность и ухудшает массогабаритные характеристики. Цилиндрическая линза распределяет излучение по большой площади пространства, что приводит к уменьшению дальности обнаружения объекта.
В качестве прототипа был выбран патент РФ №2516376 «Устройство лазерной локации заданной области пространства», МПК: G01S 17/02, опубликовано 20.05.2014, авторы: Подгорнов В.А. (RU), Подгорнов СВ. (RU), Перевалов А.И. (RU).
Устройство содержит блок управления, передающую оптическую систему с полем излучения, приемную оптическую систему с полем зрения, выполненную в виде цилиндрической линзы, в фокальной плоскости которой установлен фотоприемник. Зона чувствительности образована пересечением поля излучения и поля зрения. Устройство снабжено выпуклым коническим зеркалом, размещенным перед передающей и принимающей оптическими системами. Передающая оптическая система составлена из п идентичных пар перпендикулярно скрещенных цилиндрических линз, а также из п импульсных лазерных источников света, расположенных равномерно по окружности, в центре которой закреплена приемная оптическая система.
Недостатком данного устройства является то, что цилиндрические линзы распределяют излучение по большой площади, что приводит к существенному уменьшению дальности обнаружения объекта. Кроме того, наличие двух цилиндрических линз уменьшает коэффициент светопропускания передающего канала системы, усложняет юстировку, конструктив передающей оптической системы и не позволяет уменьшить габариты устройства. Дополнительно к этому электрический сигнал, передаваемый в блок управления по кабелям, подвержен действию различных помех, что негативно влияет на качество самого сигнала и уменьшает помехозащищенность всего устройства.
Раскрытие изобретения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства обнаружения объектов с увеличенной дальностью обнаружения, уменьшенными габаритными размерами, повышенной помехозащищенностью.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в увеличении плотности энергии излучения на единицу площади, уменьшении количества деталей в составе устройства, увеличении плотности компоновки деталей в устройстве и увеличении светочувствительности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что оптическое устройство обнаружения объектов, содержит оптоэлектронный блок, источники света в составе передающей оптической системы с полем излучения, объектив с полем зрения, зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом, при этом зона чувствительности образована пересечением поля излучения передающей оптической системы и поля зрения объектива, согласно изобретению, устройство снабжено блоком анализа данных и матричным фотоприемником. Матричный фотоприемник установлен в фокальной плоскости объектива, выполненного с возможностью регулирования своего поля зрения. Каждый источник света снабжен коллиматором. При этом блок анализа данных, матричный фотоприемник, источники света с коллиматорами образуют единый оптоэлектронный блок.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - увеличение плотности энергии излучения на единицу площади, уменьшение количества деталей в составе устройства, увеличении плотности компоновки деталей в устройстве и увеличение светочувствительности устройства. Это позволяет создать устройство обнаружения объектов с увеличенной дальностью обнаружения, уменьшенными габаритными размерами, повышенной помехозащищенностью.
Признак того, что каждый источник света снабжен коллиматором, а не цилиндрическими линзами, позволяет увеличить плотность энергии излучения на единицу площади. И, следовательно, увеличить дальность обнаружения объектов.
Признак того, что устройство содержит матричный фотоприемник, позволяет увеличить светочувствительность устройства. И, следовательно, увеличить дальность обнаружения объектов.
Признаки, что блок анализа данных, матричный фотоприемник, источники света с коллиматорами образуют единый оптоэлектронный блок и каждый источник света снабжен коллиматором, а не цилиндрическими линзами, позволяют уменьшить количество деталей в составе устройства, следовательно, уменьшить габаритные размеры устройства. Дополнительно это позволяет увеличить плотность компоновки деталей в устройстве, исключив проводные соединения, которые подвержены помехам, и, таким образом, повысить помехозащищенность устройства.
Зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом, может быть выполнено в виде конуса, отражающего пучки света от источников и сохраняющего коллимированость пучков для источников света с малой площадью поперечного сечения излучения.
Зеркало может быть выполнено в виде n-гранной пирамиды, у которой число граней равно числу источников света и каждая грань расположена напротив соответствующего источника света, позволяют сохранить коллимированость пучков при отражении излучения от зеркала для любых источников света, что дает увеличение плотности энергии излучения на единицу площади и, соответственно, увеличивается дальность обнаружения объектов.
Краткое описание фигур и чертежей.
Предлагаемое оптическое устройство обнаружения объектов иллюстрируется чертежами:
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического устройства обнаружения объектов.
На фиг. 2 показано оптическое устройство в поперечном разрезе А-А с образованной зоной чувствительности для n=8.
На фиг. 3 показано оптическое устройство в поперечном разрезе А-А с образованной зоной чувствительности для n=12.
На фиг. 4 показана передающая оптическая система.
Варианты осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 1, внутри цилиндрического корпуса 1 со светопрозрачным окном 2 размещен оптоэлектронный блок 3, включающий в себя источники света 4, снабженные коллиматорами 5, матричный фотоприемник 6 и блок анализа данных 7. В заявляемом устройстве компоновка деталей в оптоэлектронном блоке 3, позволяет повысить помехозащищенность, по сравнению с прототипом, где эти детали размещены в отдельных блоках, соединенных между собой проводами, в которых могут наводиться помехи.
Как показано на фиг. 4, каждый из n источников света 4 установлен в единой плоскости по окружности, образовывая передающую оптическую систему 8.
Как показано на фиг. 1, внутри цилиндрического корпуса 1 размещен объектив 9 с регулируемым полем зрения 10. В фокальной плоскости объектива 9 установлен матричный фотоприемник 6, перед светочувствительной площадкой которого установлен узкополосный светофильтр 11, пропускающий излучение только с длиной волны, такой как от источников света 4.
Перед передающей оптической системой 8 и объективом 9 размещено коническое зеркало 12. При этом главная оптическая ось объектива 9 совпадает с осью симметрии зеркала 12. Зеркало 12 имеет отражающее покрытие с максимальным коэффициентом отражения для излучения с длиной волны, такой как у излучения от источников света 4. Это позволяет уменьшить потери излучения и увеличить дальность обнаружения объекта 13.
Поле излучения 14 передающей оптической системы 8 состоит из совокупности n коллимированных пучков излучения 15 от источников света 4, и образуется в результате отражения пучков излучения 15 от зеркала 12. (фиг. 2, фиг. 3).
Поле зрения 10 является характеристикой объектива 9 и представляет собой телесный угол с вершиной, лежащей на главной оптической оси объектива 9.
Зона чувствительности 16 образована пересечением поля излучения 14 передающей оптической системы 8 и поля зрения 10 объектива 9. На фиг. 1 пунктирными линиями показан ход лучей от источников света 4, которые ограничивают поле излучения 14 передающей оптической системы 8, а штрихпунктирной линией с точками - ход лучей к объективу 9, которые ограничивают его поле зрения 10.
Универсальность устройства обнаружения объектов заключается в возможности использования оптимального количества источников света 4 и регулирования угла наклона «β» зоны чувствительности путем установки конического зеркала 12 с нужным углом «α» при вершине (фиг. 1).
Конструкция объектива 9 позволяет регулировать поле зрения 10 и изменять область пересечения поля излучения 14 передающей оптической системы 8 и поля зрения 10 объектива 9. Таким образом, изменяется диапазон расстояний, в котором осуществляется обнаружение объекта 13 и отсекается фоновое излучение, что повышает помехозащищенность устройства от ложных срабатываний.
Объектив 9 содержит две положительные плосковыпуклые линзы и мениск. Вторая положительная линза обращена выпуклой поверхностью к пространству изображений и расположена таким образом, что мениск находится между первой и второй линзами, при этом первая и вторая положительные линзы выполнены в виде одиночных линз.
Конструкция объектива 10 позволяет изменять расстояние между вогнутой поверхностью одиночного положительного мениска и плоской поверхностью первой положительной линзы, приведенное к воздуху, в пределах от 0,3 до 0,62 фокусного расстояния объектива, что позволяет регулировать поле зрения 10.
Работа оптического устройства обнаружения объектов осуществляется следующим образом.
Оптоэлектронный блок 3 формирует сигнал на поочередное или одновременное включение источников света 4 в зависимости от поставленной задачи. Свет от источника света 4 проходит через коллиматор 5, образовывая коллимированный пучок излучения 15. По сравнению с прототипом замена цилиндрических линз коллиматором 5 позволяет увеличить плотность энергии излучения на единицу площади и увеличить дальность обнаружения объекта 13. Это также позволяет уменьшить количество деталей в составе устройства и уменьшить габаритные размеры устройства.
Коллимированные пучки излучения 15 от n источников света 4 попадают на коническое зеркало 12 и формируют поле излучения 14, которое распространяется через светопрозрачное окно 2 в окружающее пространство.
Коническое зеркало 12 можно использовать только для источников света 4 с малой площадью поперечного сечения излучения, в таком случае расходимостью излучения при его отражении от криволинейной поверхности конуса можно пренебречь и считать пучки коллимированными.
Вместо конического зеркала 12, в случае источников света с большой площадью поперечного сечения излучения, необходимо использовать зеркало в виде пирамиды с n-гранями. В этом случае коллимированный пучок излучения от источника света 4 попадает на соответствующую грань зеркала 12 и формирует поле излучения 14, которое распространяется через светопрозрачное окно 2 в окружающее пространство. Коллимированность пучка 15 при отражении от плоской поверхности грани пирамиды сохраняется, что позволяет увеличить дальность обнаружения объектов 13.
Часть излучения 14, отразившись от детектируемого объекта 13, находящегося в зоне чувствительности 16, поступает через окно 2 обратно внутрь корпуса 1, отражается от зеркала 12 и попадает в объектив 9, как показано на фиг. 1.
Объектив 9 фокусирует излучение через узкополостный светофильтр 11, пропускающий излучение с длиной волны только как у излучения от источников света 4. Здесь отсекается помеховое излучение от посторонних источников света, на светочувствительную площадку матричного фотоприемника 6, который преобразовывает излучение 14 в электрический сигнал и передает его в блок анализа данных 7. Использование матричного фотоприемника 6 повышает светочувствительность устройства, что позволяет увеличить дальность обнаружения объекта 13.
В блоке анализа данных 7, который входит в состав оптоэлектронного блока 3, по заложенному алгоритму фиксируют факт нахождения объекта 13 в зоне чувствительности 16 и вычисляют параметры его движения.
Возможность установки n-го числа источников света 4 позволяет регулировать зону чувствительности 16 и повысить надежность обнаружения для объектов 13 с различными габаритами.
Формирование зоны чувствительности 16 в виде набора n коллимированных пучков излучения 15, равномерно распределенных в пространстве, позволяет увеличить дальность обнаружения объектов 13 или препятствий за счет концентрации энергии в узком пучке излучения 15 и избавиться от необходимости использования дополнительных оптических элементов в виде цилиндрических линз.
Конструкция оптоэлектронного блока 3, представляющего собой моноблок и включающего в себя источники света 4, снабженные коллиматорами 5, матричный фотоприемник 6 и блок анализа данных 7, позволяет не использовать дополнительные элементы, в том числе провода, для передачи электрического сигнала между различными компонентами устройства. Это увеличивает помехозащищенность устройства при воздействии на него различных электромагнитных полей.
Использование зеркала в виде пирамиды позволяет сохранить коллимированость пучков при отражении излучения от зеркала 12 в случае использования источников света 4 с большой площадью поперечного сечения излучения. Это сохраняет коллимированность пучка излучения и, соответственно, увеличивается дальность обнаружения объектов 13.
Промышленная применимость
Возможно использование изобретения в оптических неконтактных датчиках, лазерных дальномерах и устройствах оптической локации пространства, а также в качестве универсального устройства обнаружения объектов и препятствий для обеспечения движения транспортных средств в условиях ограниченного пространства.
Решение поставленной задачи и работоспособность оптического устройства обнаружения объекта была подтверждена в ходе комплекса проведенных исследований.