RU2028645C1

RU2028645C1 - Optical locator

Info

Publication number: RU2028645C1
Authority: RU
Inventors: Александр Абрамович Часовской
Original assignee: Александр Абрамович Часовской
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: optical detection and ranging. SUBSTANCE: optical locator has continuous laser transmitter 24, semitransparent mirror 22, reflector 23, the first vibrating mirror 15 and the first radiation receiver 21, all the units are connected in series and conjugated optically. Locator also has signal processing system, adder 10 and indicator 9 connected in series. The second vibrating mirror 11, the first and the second drives 3 and 4, the first and the second synchro detectors 1 and 14, the first and the second synchro receivers 2 and 13, azimuth detector 5, permanent memory 6 are introduced into the locator additionally. The third drive 19, the first shaft 18, cam mechanism 17, the second and the third shafts 16 and 12 are mounted in sequence and connected mechanically. EFFECT: improved precision. 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптической локации и может быть использовано в системах предупреждения столкновений, навигации и управления воздушным движением. The invention relates to optical location and can be used in collision avoidance systems, navigation and air traffic control.

Известен оптический локатор, который состоит из лазерного передатчика, который может быть непрерывным, лазерного приемника и оптического механического сканирующего устройства. Лазерный передатчик осуществляет формирование непрерывного лазерного луча, который поступает в оптико-механическое сканирующее устройство, осуществляющее сканирование лазерного луча по строкам и кадру в секторе до 120 град. Лазерный приемник осуществляет преобразование световых сигналов, отраженных от объектов, в электрические сигналы [1]. Known optical locator, which consists of a laser transmitter, which can be continuous, a laser receiver and an optical mechanical scanning device. The laser transmitter generates a continuous laser beam, which enters the optical-mechanical scanning device that scans the laser beam in rows and frames in a sector of up to 120 degrees. A laser receiver converts light signals reflected from objects into electrical signals [1].

Известен оптический локатор, содержащий лазер, полупрозрачное зеркало, отражатель, первое колеблющееся зеркало, приемник излучения, систему обработки информации, сумматор и блок отображения информации [2]. Known optical locator containing a laser, a translucent mirror, a reflector, a first oscillating mirror, a radiation receiver, an information processing system, an adder and an information display unit [2].

Цель изобретения - уменьшение времени обзора, т.е. повышение быстродействия. The purpose of the invention is to reduce the viewing time, i.e. increased performance.

Достигается это тем, что в известный локатор, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные непрерывный лазерный передатчик, полу- прозрачное зеркало, отражатель, первое колеблющееся зеркало и первый приемник излучения, последовательно соединенные систему обработки сигнала, сумматор и индикатор, введены второе колеблющееся зеркало, первая и вторая вращающиеся призмы, снабженные соответственно первым и вторым приводами, первый и второй сельсин-датчики, первый и второй сельсин-приемники, датчик азимута, постоянное запоминающее устройство, последовательно установленные и механически соединенные третий привод, первый вал, кулачковый механизм и второй вал, а также третий вал, при этом система обработки сигнала выполнена в виде устройства определения дальности, первое и второе колеблющиеся зеркала оптически сопряжены соответственно с первой и второй вращающимися призмами, второй вал механически соединен с первым колеблющимся зеркалом и вторым сельсин-датчиком, выход которого соединен с третьим валом, который механически соединен с вторым колеблющимся зеркалом, второй привод механически соединен с входом первого сельсин-датчика, выход которого соединен с входом первого сельсин-приемника, выход которого механически соединен с первым приводом и датчиком азимута, выход которого соединен с вторым входом индикатора и с входом постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен с вторым входом сумматора, второй оптический выход полупрозрачного зеркала оптически сопряжен с вторым колеблющимся зеркалом, которое также сопряжено с входом второго приемника излучения, выход которого соединен с вторым входом устройства определения дальности. This is achieved by the fact that a second oscillating mirror, the first oscillating mirror, is introduced, into the well-known locator, containing sequentially mounted and optically coupled continuous laser transmitters, a semi-transparent mirror, a reflector, a first oscillating mirror and a first radiation receiver, serially connected signal processing system, an adder and an indicator. and a second rotating prism equipped with first and second drives, first and second synchro sensors, first and second synchro receivers, azimuth sensor, constant for memory device, serially mounted and mechanically connected third drive, first shaft, cam mechanism and second shaft, as well as third shaft, while the signal processing system is made in the form of a range sensing device, the first and second oscillating mirrors are optically coupled to the first and second rotating prisms, the second shaft is mechanically connected to the first oscillating mirror and the second selsyn sensor, the output of which is connected to the third shaft, which is mechanically connected to the second oscillating I am a mirror, the second drive is mechanically connected to the input of the first synchro-sensor, the output of which is connected to the input of the first synchro-receiver, the output of which is mechanically connected to the first drive and the azimuth sensor, the output of which is connected to the second input of the indicator and to the input of the permanent storage device, the output which is connected to the second input of the adder, the second optical output of the translucent mirror is optically coupled to the second oscillating mirror, which is also coupled to the input of the second radiation receiver, the output of which oh connected to the second input of the range determination device.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства. Она имеет: первый сельсин-датчик 1, первый сельсин-приемник 2, второй привод 3, первый привод 4, датчик азимута 5, постоянное запоминающее устройство 6, вторая вращающаяся призма 7, первая вращающаяся призма 8, индикатор 9, сумматор 10, второе колеблющееся зеркало 11, третий вал 12, второй сельсин-приемник 13, второй сельсин-датчик 14, первое колеблющееся зеркало 15, второй вал 16, кулачковый механизм 17, первый вал 18, третий привод 19, первый приемник излучения 20, второй приемник излучения 21, полупрозрачное зеркало 22, отражатель 23, непрерывный лазерный передатчик 24, измерительное устройство 25. Figure 1 presents the functional diagram of the device. It has: the first synchro sensor 1, the first synchro receiver 2, the second drive 3, the first drive 4, the azimuth sensor 5, read-only memory 6, the second rotating prism 7, the first rotating prism 8, indicator 9, adder 10, the second oscillating mirror 11, third shaft 12, second selsyn receiver 13, second selsyn sensor 14, first oscillating mirror 15, second shaft 16, cam mechanism 17, first shaft 18, third drive 19, first radiation receiver 20, second radiation receiver 21, translucent mirror 22, reflector 23, continuous laser transmission counter 24, measuring device 25.

На фиг. 2 и 3 представлено взаимное расположение потоков излучения от двух зеркал; на фиг.4 - схема оптического взаимодействия лазерного излучения и оптических элементов схемы. In FIG. 2 and 3 show the mutual arrangement of radiation fluxes from two mirrors; figure 4 is a diagram of the optical interaction of laser radiation and optical elements of the circuit.

Она имеет: колеблющееся зеркало 30, лазерный луч 31, отраженная от объекта световая энергия 32, фокусирующая линза 33, приемник излучения 34, вращающаяся линза 35. It has: an oscillating mirror 30, a laser beam 31, light energy reflected from the object 32, a focusing lens 33, a radiation receiver 34, a rotating lens 35.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Непрерывный лазерный передатчик 24 формирует лазерный луч, который проходит через полупрозрачное зеркало 22 ко второму колеблющемуся зеркалу 11 и одновременно отражается от этого полупрозрачного зеркала 22 и поступает к отражателю 23, отражается от него и поступает далее к повернутому по азимуту первому колеблющемуся зеркалу 15, причем вышеупомянутые зеркала 22 и 23 разнесены друг относительно друга на базовое расстояние. Отражатель 23 и повернутое по азимуту первое колеблющееся зеркало 15 повернуты таким образом, что их внешние линии, ограничивающие эти лучи 26 и 27 (фиг.2), образуют с линиями 28 и 29, перпендикулярными базе АБ, соответственно углы α₁и α₂, а суммарный угол расходимости α=α₁+α₂. Стрелкой показано направление сканирования. Расходимость необходима для обеспечения раздельного приема первым и вторым приемниками излучения 20 и 21 отраженной световой энергии при ускоренном оптико-механическом сканировании и может составлять, например, 5^о. Сканирование осуществляется следующим образом. Вращающийся третий привод 19 механически связан через первый вал 18 с кулачковым механизмом 17, который в свою очередь через второй вал 16 также механически связан с повернутым по азимуту первым колеблющимся зеркалом 15, колебание которого осуществляется благодаря наличию кулачкового механизма 17. Кроме того, с помощью второго сельсина-датчика 14 и второго сельсина-приемника 13, механически связанного с третьим валом 12, осуществляется синхронное вращение этого третьего вала 12 с вышеупомянутым вторым валом 16, а так как третий вал 12 механически связан со вторым колеблющимся зеркалом 11, то и колебания второго колеблющегося зеркала 11 и повернутого по азимуту первого колеблющегося зеркала 15 осуществляются синхронно. С колеблющихся зеркал 11 и 15, осуществляющих развертку по кадру, лазерные лучи поступают соответственно на вращающиеся призмы 7 и 8, осуществляющие развертку лазерных лучей по строкам. Вращение призм 7 и 8 осуществляется соответственно с помощью первых приводов 3 и 4, причем с помощью первого сельсина-датчика 1 и первого сельсина-приемника 2 обеспечивается синхронное вращение приводов 4 и 3. Количество кадров в секунду зависит от соответствующей скорости вращения первого вала 18, механически связанного с третьим приводом 19. Например, при 5-ти кадрах в 1 с скорость вращения первого вала 18 должна составлять 300 об/мин.The continuous laser transmitter 24 generates a laser beam that passes through the translucent mirror 22 to the second oscillating mirror 11 and at the same time is reflected from this translucent mirror 22 and enters the reflector 23, is reflected from it and then goes to the first oscillating mirror 15, which is rotated in azimuth, the above-mentioned mirrors 22 and 23 are spaced relative to each other at the base distance. The reflector 23 and the first oscillating mirror 15 rotated in azimuth are rotated in such a way that their outer lines bounding these beams 26 and 27 (Fig. 2) form, with lines 28 and 29 perpendicular to the AB base, angles α ₁ and α ₂ , respectively and the total divergence angle α = α ₁ + α ₂ . The arrow shows the scanning direction. The divergence is necessary to ensure separate reception by the first and second receivers of radiation 20 and 21 of the reflected light energy during accelerated optical-mechanical scanning and can be, for example, 5 ^about . Scanning is as follows. The rotating third drive 19 is mechanically connected through the first shaft 18 to the cam mechanism 17, which in turn through the second shaft 16 is also mechanically connected to the first oscillating mirror 15, which is rotated in azimuth, which is oscillated by the cam mechanism 17. In addition, by means of the second the synchro sensor 14 and the second synchro-receiver 13, mechanically connected with the third shaft 12, synchronously rotates this third shaft 12 with the aforementioned second shaft 16, and since the third shaft 12 is mechanically connected If it is connected with the second oscillating mirror 11, then the oscillations of the second oscillating mirror 11 and the first oscillating mirror 15 rotated in azimuth are synchronized. From the oscillating mirrors 11 and 15, performing a scan along the frame, the laser beams arrive respectively at the rotating prisms 7 and 8, which scan the laser beams along the lines. The rotation of prisms 7 and 8 is carried out respectively with the help of the first drives 3 and 4, and with the help of the first selsyn-sensor 1 and the first selsyn-receiver 2, the synchronous rotation of the drives 4 and 3 is provided. The number of frames per second depends on the corresponding rotation speed of the first shaft 18, mechanically connected to the third drive 19. For example, with 5 frames in 1 s, the rotation speed of the first shaft 18 should be 300 rpm.

Таким образом осуществляется формирование двух оптико-механических лазерных разверток по кадру и строкам, двигающихся синхронно и разнесенных друг относительно друга на базовое расстояние, которое может составлять, например, 10 м. С приводом 4 также жестко связан датчик азимута 5, который по мере вращения привода 4 выдает коды азимутов, соответствующих положению лазерного луча в каждый момент времени, и работает он аналогично датчику азимутальных меток, используемому в радиолокации при преобразовании вращения привода антенны в коды азимутов. Как показано на фиг.3, расстояние между лучами, находящимися на разных азимутальных направлениях АБ, будут разные, т. е. EF≠AB, т.е. по мере сканирования эти расстояния будут постоянно плавно меняться и каждому азимутальному направлению будет соответствовать свое расстояние (база), т.е. в данном случае мы имеем устройство с переменной базой. Thus, the formation of two optical-mechanical laser scans in a frame and lines moving synchronously and spaced apart from each other by a base distance, which can be, for example, 10 m. The azimuth sensor 5 is also rigidly connected to the drive 4, which, as the drive rotates 4 generates azimuth codes corresponding to the position of the laser beam at each moment in time, and it works similarly to the azimuth mark sensor used in radar when converting the rotation of the antenna drive into azimuth codes comrade As shown in Fig. 3, the distance between the rays located in different azimuthal directions of the AB will be different, i.e., EF ≠ AB, i.e. as the scan progresses, these distances will constantly change smoothly and each azimuthal direction will have its own distance (base), i.e. in this case, we have a device with a variable base.

Значение азимутов с датчика 5 поступает в индикатор 9 для отображения и в постоянное запоминающее устройство 6, где каждому азимутальному положению, соответствующему определенной базе, будет соответствовать определенная поправка, складываемая в сумматоре с углубленным значением дальности, поступающим с измерительного устройства 25, и сумма поступает в индикатор 9 для отображения дальности. Индикатор 9 аналогичен индикатору, используемому в радиолокаторе кругового обзора, где на один вход подается азимут, а на другой - дальность. Такой индикатор, например, используется в радиолокаторе, работающем совместно с ЭВМ, где на входы его поступают соответственно информации об азимуте и дальности в цифровом коде. The azimuth value from the sensor 5 is supplied to the indicator 9 for display and to the read-only memory 6, where each azimuthal position corresponding to a specific base will correspond to a certain correction, added up in the adder with an in-depth range value coming from the measuring device 25, and the sum goes to indicator 9 to display the range. Indicator 9 is similar to the indicator used in the all-round radar, where azimuth is supplied to one input and range to the other. Such an indicator, for example, is used in a radar that works in conjunction with a computer, where it receives information on azimuth and range in digital code respectively at its inputs.

Измерительное устройство 25 осуществляет определение временного рассогласования между серединами двух видеосигналов, поступающих соответственно с приемников излучения 20 и 21. Временное рассогласование между двумя сигналами благодаря базе будет иметь разное значение на разных дальностях и при одной и той же дальности иметь разное значение на разных направлениях. Работа измерительного устройства 25 аналогична измерителю дальности, определяющему временное рассогласование между синхроимпульсом передатчика и отраженным сигналом. Лазерный луч 31, отразившийся от колеблющегося зеркала 30 поступает на вращающуюся призму 35, от которой также отраженная световая энергия 32, отразившись от колеблющегося зеркала 30, через фокусирующую линзу 33 поступает на чувствительную площадку фотоприемника 34. Регулируя фокусное расстояние путем перемещения фотоприемника 34, добиваются необходимого угла поля зрения лазерного приемника. На выходе же сумматора 10 информация будет зависеть только от дальности, но не от азимута. Приемники излучения 20 и 21 принимают отраженную световую энергию соответственно со второго колеблющегося зеркала 11 и первого колеблющегося зеркала 15, куда она поступает соответственно с вращающихся призм 7 и 8. Так как в процессе ускоренного сканирования за время прихода отраженных от объектов световых сигналов лазерные лучи повернутся на некоторый угол, угол поля зрения приемников излучения 20 и 21 должен превышать ширину лазерного луча на величину, не превышающую угол α для обеспечения раздельного приема отраженных сигналов, что и осуществляется благодаря расходимости лазерных лучей. Юстировка осуществляется путем сравнения заранее известной дальности до контрольного объекта и измеренной дальности до этого объекта и определения систематической поправки, которая учитывается при выдаче информации с постоянного запоминающего устройства 6. Предлагаемое устройство может быть использовано в системах, где необходимо своевременно определить дальность и направление на объект, который может появиться в ожидаемой зоне сканирования, которая может составлять 120^о. Это делает эффективным его использование в системах предупреждения столкновений в бортовых условиях и в системах управления воздушным и космическим движением. При этом за счет увеличения расходимости двух лучей увеличится временное рассогласование между двумя сигналами, хотя отличие этих временных рассогласований на разных дальностях не зависит от величины расходимости двух лучей, а зависит только от величины базы, т. е. при увеличении базового расстояния увеличится и это отличие.The measuring device 25 determines the temporal mismatch between the middle of two video signals coming from the radiation receivers 20 and 21, respectively. The temporary mismatch between the two signals due to the base will have different values at different ranges and at the same range have different values in different directions. The operation of the measuring device 25 is similar to the range meter, which determines the temporal mismatch between the clock of the transmitter and the reflected signal. The laser beam 31 reflected from the oscillating mirror 30 enters the rotating prism 35, from which the reflected light energy 32, reflected from the oscillating mirror 30, enters the sensitive area of the photodetector 34 through the focusing lens 33. By adjusting the focal length by moving the photodetector 34, the required angle of the field of view of the laser receiver. At the output of the adder 10, the information will depend only on the range, but not on the azimuth. The radiation receivers 20 and 21 receive the reflected light energy from the second oscillating mirror 11 and the first oscillating mirror 15, respectively, where it comes from the rotating prisms 7 and 8. Since during the accelerated scanning, the laser beams will rotate by the time light signals reflected from the objects arrive a certain angle, the angle of the field of view of the radiation receivers 20 and 21 should exceed the width of the laser beam by an amount not exceeding the angle α to ensure separate reception of the reflected signals, which is Created due to laser beam divergence. Adjustment is carried out by comparing the known range to the control object and the measured distance to this object and determining a systematic correction, which is taken into account when issuing information from the permanent storage device 6. The proposed device can be used in systems where it is necessary to determine the range and direction to the object in a timely manner, which may appear in the expected scan area, which may be 120 ^about . This makes its use effective in on-board collision avoidance systems and in air and space traffic control systems. In this case, due to an increase in the divergence of two rays, the temporal mismatch between the two signals will increase, although the difference in these temporary mismatches at different distances does not depend on the divergence of the two rays, but depends only on the value of the base, i.e., with an increase in the base distance, this difference will increase .

Claims

OPTICAL LOCATOR comprising a sequentially mounted and optically conjugated continuous laser transmitter, a translucent mirror, a reflector, a first oscillating mirror and a first radiation receiver, a signal processing system connected in series, an adder and an indicator, characterized in that the second oscillating mirror, the first and second rotating prisms are introduced equipped with first and second drives, respectively, the first and second selsyn sensor, the first and second selsyn receiver, azimuth sensor, read-only memory and a third drive, a first shaft, a cam mechanism and a second shaft, as well as a third shaft, and the signal processing system is made in the form of a range sensing device, the first and second oscillating mirrors are optically coupled to the first and second rotating prisms, the second shaft is mechanically connected to the first oscillating mirror and the second selsyn sensor, the output of which is connected to the third shaft, which is mechanically connected to the second oscillating mirror On the other hand, the second drive is mechanically connected to the input of the first synchro-sensor, the output of which is connected to the input of the first synchro-receiver, the output of which is mechanically connected to the first drive and the azimuth sensor, the output of which is connected to the second input of the indicator and the input of the permanent storage device, the output of which connected to the second input of the adder, the second optical output of the translucent mirror is optically coupled to a second oscillating mirror, which is also coupled to the input of the second radiation receiver, the output of which union of a second input of the ranging device.