Моностатический способ определения расстояния до объекта, его направления и скорости движения

Способ может быть использован в устройствах слежения и регистрации и позволяет получать информацию о расстоянии до объекта с неизвестными линейными размерами, а также информацию о направлении и скорости его движения. Определение расстояния до объекта, его направления и скорости движения производится в дискретные моменты времени посредством оптического фотоприемника, имеющего перестраиваемую оптическую систему с двумя известными граничными фокусными расстояниями (например, трансфокатор), получают два изображения объекта, отличающихся друг от друга масштабом, и определяют расстояние до объекта по формуле

где f₁ и f₂- граничные фокусные расстояния оптической системы, и - размеры изображения объекта при f₁ и f₂ соответственно.

Направление и скорость движения объекта определяют путем сопоставления положения объекта на изображениях одного масштаба, полученных в текущем и предыдущем измерениях расстояния до объекта, произведенных через известный промежуток времени. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах слежения и регистрации объектов и позволяет получать информацию о расстоянии до объектов с неизвестными линейными размерами, а также информацию о направлении и скорости их движения.

Известен способ, который реализует система [1], предназначенная для пассивного определения координат источника излучения (горизонтального угла, угла возвышения и расстояния) посредством двух телевизионных ПЗС-камер. Камеры в системе [1] располагаются на одной общей вертикальной оси, вокруг которой они могут синхронно вращаться, и на известном друг от друга расстоянии таким образом, что их оптические оси всегда находятся в одной вертикальной плоскости. При этом расстояние определяется методом триангуляции по получаемым от каждой из камер углам видимого смещения источника излучения. Недостатками этого способа являются необходимость разноса ПЗС-камер на некоторое расстояние друг от друга, что увеличивает габариты системы, и наличие механических вертикальных и горизонтальных поворотных устройств, что снижает точность измерения вертикальных и горизонтальных углов оптических осей ПЗС-камер. Кроме того, необходимость использования двух фотоприемников существенно увеличивает стоимость системы и снижает ее надежность.

Наиболее близким к предлагаемому является принятый за прототип способ определения расстояния до объекта при помощи оптического прибора [2], включающий измерение размера изображения объекта в плоскости изображения оптического прибора до и после перемещения оптического прибора по направлению к объекту (или от него) вдоль линии визирования оптического прибора на фиксированное расстояние, после чего по формуле определяют расстояние до объекта.

Недостатками данного способа являются необходимость определения расстояния механического перемещения оптического прибора и соблюдение требования перемещения оптического прибора строго вдоль его оптической оси, что существенно снижает точность и затрудняет измерения.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является исключение влияния механического перемещения фотоприемника на точность измерения расстояния до объекта.

Технический результат - повышение достоверности и точности измерений и расширение функциональных возможностей в определении пространственных координат объекта с заранее неизвестными линейными размерами.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе расстояния до объекта определяют при помощи фотоприемника путем измерения размера изображения объекта в плоскости изображения, дополнительно осуществляют перемещение фотоприемника вдоль его оптической оси по направлению к объекту (или от него) и вновь измеряют размеры изображения объекта в плоскости изображения фотоприемника, после чего расстояние до объекта определяют согласно формуле

где s - расстояние, на которое был перемещен оптический прибор;

у₁' - размер изображения объекта до перемещения;

у₂' - размер изображения объекта после перемещения.

В отличие от известного в предлагаемом способе посредством оптического фотоприемника, имеющего перестраиваемую оптическую систему с двумя известными граничными фокусными расстояниями (например, трансфокатор или вариофокальный объектив), получают два разномасштабных изображения выбранного объекта и определяют расстояние до него по формуле:

где у₁' - размер изображения объекта при f₁,

у₂' - размер изображения объекта при f₂,

f₁ и f₂ - граничные фокусные расстояния оптической системы.

Направление и скорость движения объекта определяют путем сопоставления положения объекта на изображениях одного масштаба, полученных в текущем и предыдущем измерениях расстояния до объекта, произведенных через известный промежуток времени.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие их условию "новизна". При сравнении заявляемого способа с другими известными техническими решениями не выявлены сходные признаки, что позволяет сделать вывод о соответствии условию "изобретательский уровень".

Способ поясняется чертежами. Фиг.1 поясняет взаимное положение объекта и его изображения при граничных фокусных расстояниях f₁ и f₂ оптической системы. Фиг.2 поясняет способ определения направления и скорости движения объекта.

Пример. Оптический фотоприемник имеет перестраиваемую оптическую систему с известными граничными фокусными расстояниями f₁ и f₂.

В определенный момент времени t_i-2 получают изображение объекта при фокусном расстоянии f₁, перестраивают оптическую систему и в момент времени t_i-1 получают изображение объекта при фокусном расстоянии f₂. Принимая во внимание, что время перестройки оптической системы составляет незначительную величину, т.е. t_i-2-t_i-1≈0, можно допустить, что оба изображения объекта были получены одновременно в момент времени t_i-1, при этом оба изображения объекта отличаются между собой только масштабом.

Согласно [3] имеем (фиг.1):

(1)

(2)

откуда следует

(3)

где β₁ - линейное увеличение оптической системы при f₁,

β₂ - линейное увеличение оптической системы при f₁,

у - линейный размер объекта. Кроме того, согласно [3] имеем следующие соотношения:

(4)

где а - расстояние от оптической системы до объекта,

а' - расстояние от оптической системы до плоскости изображения и

(5)

Подставляя (5) в (4) получаем:

(6)

После чего выражение (3) принимает вид:

(7)

откуда получаем, что расстояние до объекта можно определить по следующей формуле:

(8)

Для определения направления и скорости движения объекта на полученном в момент времени t_i-1 изображении определяют координаты x_i-1 и у_i-1 объекта С (фиг.2).

В следующий дискретный момент времени t_i производят повторное определение координат х_i и у_i объекта С.Зная расстояние до объекта, интервал времени между измерениями Δt=t_i-t_i-1 и разность координат Δх=x_i-x_i-1 и Δу=у_i-у_i-1, определяют составляющие скорости V_x и V_y и затем скорость V

(9)

и направление движения φ объекта С (фиг.2)

(10)

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать информацию о расстоянии до объекта, его направлении и скорости движения. Преимущество изобретения состоит в том, что точность измерения повышается за счет отсутствия механического перемещения фотоприемника в процессе измерения и использования перестраиваемой оптической системы, имеющей одну оптическую ось при различных фокусных расстояниях.

Использованные источники

1. Европейский патент №ЕР 0379425, МПК G01С 3/18, G01S 11/12, на изобретение "System for determing the position of at least one target by means oftriangulation".

2. Патент РФ №2095756, МПК G01С 3/32, на изобретение "Способ определения расстояния до объекта при помощи оптического прибора".

3. Прикладная оптика. Под ред. Заказнова Н.П. - М.: Машиностроение, 1988. - 312с.

Моностатический способ определения расстояния до объекта, его направления и скорости движения, при котором дважды измеряют размер изображения объекта в плоскости изображений фотоприемника, отличающийся тем, что изображения объекта получают разными по масштабу посредством перестройки оптической системы фотоприемника, которая имеет два известных фокусных расстояния, затем определяют расстояние до объекта по формуле

где f₁ и f₂ - граничные фокусные расстояния оптической системы; y₁' и y₂′- размеры изображения объекта при f₁ и f₂ соответственно, а направление и скорость движения объекта определяют путем сопоставления положения объекта на изображениях одного масштаба, полученных в текущем и предыдущем измерениях расстояния до объекта, произведенных через известный промежуток времени.