Оптическое устройство определения дальности до источника излучения
Владельцы патента RU 2350993:
Федеральное государственное учреждение "Федеральный государственный научно-исследовательский испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в пассивной радиолокации для измерения дальности до источников излучения. Оптическое устройство определения дальности до источника излучения содержит последовательно соединенные оптическую систему и фотоэлектрический преобразователь. Последовательно соединенные устройство перемещения линзы, которое механически подключено к оптической системе, и датчик перемещения и последовательно соединенные вычислительное устройство и индикаторное устройство. В него введены последовательно соединенные устройство преобразования сигнала и устройство обработки сигнала. Введено устройство управления, к соответствующим входам которого подключены устройство обработки сигнала и датчик перемещения. К соответствующим выходам его подсоединены фотоэлектрический преобразователь, устройство перемещения линзы и вычислительное устройство. Ко входу устройства преобразования сигнала подключен фотоэлектрический преобразователь. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения определения местоположения как точечных, так и протяженных источников излучения, расположенных под некоторым углом к оптической оси оптической системы. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в пассивной радиолокации для измерения дальности до источников излучения.
Известен способ определения расстояния до объекта при помощи оптического прибора (патент Российской Федерации №2095756, G01С 3/32, 1992), в котором измеряют размер изображения объекта, осуществляют перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измеряют размер изображения объекта и определяют дальность. Устройство содержит телевизионный датчик (телекамеру), блок формирования контурного изображения, счетчик пройденного пути, блок памяти и микроЭВМ. Недостатком данного устройства является необходимость осуществлять перемещение устройства на некоторое расстояние.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является оптическое устройство измерения дальности до протяженного источника излучения (патент на полезную модель Российской Федерации №55157, МПК G03B 13/28, G01S 13/00). Устройство содержит последовательно соединенные оптическую систему, выполненную в виде линзы с двумя фокусными расстояниями, фотоэлектрический преобразователь, устройство формирования контурного изображения, вычислительное устройство с блоком памяти, индикаторное устройство, а также последовательно соединенные устройство перемещения линзы, подключенное к выходу устройства формирования контурного изображения, и датчик перемещения, соединенный со входом вычислительного устройства с блоком памяти, причем оптическая система соединена с фотоэлектрическим преобразователем оптически, а с устройством перемещения линзы механически. Данное устройство позволяет измерять дальность до протяженного источника излучения при отсутствии априорной информации о его размерах и покоящемся в одной точке измерительном устройстве.
Оптическая система, расположенная на расстоянии R от источника излучения, формирует резкое изображение с помощью линзы с фокусным расстоянием f1, при этом измеряются размер изображения от оптической оси до края источника d1 и расстояние r1 между линзой и плоскостью, на которой формируется изображение. Второе измерение тех же параметров осуществляется при перемещении линзы на расстояние ΔR, при котором обеспечивается резкое изображение от линзы с фокусным расстоянием f2. Дальность определяется по формуле
Недостатком данного устройства является ограниченная область применения. На практике далеко не всегда приходится иметь дело с протяженными источниками. Довольно часто объект локации представляет собой точечный источник излучения, физические размеры которого малы по сравнению с дальностью до него. Кроме того, в рассмотренном выше устройстве необходимо наведение оптической оси устройства на объект, так как используется размер изображения от оптической оси до края источника.
Технической задачей заявляемого изобретения является расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения определения местоположения как точечных, так и протяженных источников излучения, расположенных под некоторым углом к оптической оси оптической системы.
Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные оптическую систему, выполненную в виде линзы с двумя фокусными расстояниями, и фотоэлектрический преобразователь, последовательно соединенные устройство перемещения линзы, которое механически подключено к оптической системе, и датчик перемещения, последовательно соединенные вычислительное устройство и индикаторное устройство, введены последовательно соединенные устройство преобразования сигнала и устройство обработки сигнала, а также введено устройство управления, к соответствующим входам которого подключены устройство обработки сигнала и датчик перемещения, а к соответствующим его выходам подсоединены фотоэлектрический преобразователь, устройство перемещения линзы и вычислительное устройство, при этом выход фотоэлектрического преобразователя подключен к устройству преобразования сигнала.
В прототипе устройство формирования контурного изображения осуществляет выделение на изображении граничных точек между объектом и фоном, определяет размеры от края изображения протяженного источника излучения до оптической оси устройства, причем центр источника излучения совмещен с оптической осью устройства. В заявляемом устройстве введены устройство преобразования сигнала и устройство обработки сигнала, которое позволяет определять координаты центра области с максимальной яркостью на изображении источника излучения, что делает возможным определение дальности как до протяженных, так и до точечных источников излучения. Кроме того, нет необходимости направлять оптическую ось устройства непосредственно на источник излучения. Нахождение пеленга источника излучения делает возможным определить местоположение источника излучения. Функции управления всеми составными блоками устройства определения дальности осуществляет отдельное устройство управления.
Дальность до источника излучения определяется следующим образом. Пусть источник излучения, до которого необходимо измерить дальность, занимает область пространства в окрестностях точки S (фиг.2) на расстоянии n от линии визирования. Тогда в положении 1 оптическая система, расположенная на расстоянии R от точки О', сформирует резкое изображение с помощью линзы с фокусным расстоянием f1. Центр изображения источника излучения S' (центр области изображения с максимальной яркостью) находится на расстоянии x1 от главной оптической оси, а линза располагается на расстоянии r1 от плоскости изображения. Тогда можно записать пропорцию
Второе измерение тех же параметров осуществляется при перемещении линзы с двумя различными фокусными расстояниями из точки 1 в точку 2 на расстояние 
, на котором обеспечивается резкое изображение от линзы с фокусным расстоянием f2. Центр изображения источника излучения S" находится на расстоянии x2 от главной оптической оси, а линза располагается на расстоянии r2 от плоскости изображения. Тогда можно записать пропорцию
Тогда дальность по линии визирования R и расстояние от источника до линии визирования n определяются из следующих выражений:
Далее можно получить дальность непосредственно до источника излучения
а также пеленг источника излучения (угол, под которым наблюдается источник излучения относительно оптической оси устройства)
Параметры R* и β определяют местоположение объекта относительно оптического устройства и его оптической оси.
На фиг.1 представлена структурная схема оптического устройства определения дальности до источника излучения. На фиг.2 изображена схема получения изображения источника излучения с помощью двухфокусной линзы. На фиг.3 и 4 представлен алгоритм работы устройства управления. На фиг.5 представлен алгоритм работы вычислительного устройства. На фиг.6 представлен алгоритм работы устройства обработки сигнала.
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные оптическую систему 1, выполненную в виде линзы с двумя фокусными расстояниями, и фотоэлектрический преобразователь 2, последовательно соединенные устройство перемещения линзы 3 и датчик перемещения 4, последовательно соединенные вычислительное устройство 5 и индикаторное устройство 6, последовательно соединенные устройство преобразования сигнала 7 и устройство обработки сигнала 8, причем устройство управления 9, к соответствующим входам которого подключены устройство обработки сигнала 8 и датчик перемещения 4, а к соответствующим выходам его подсоединены фотоэлектрический преобразователь 2, устройство перемещения линзы 3 и вычислительное устройство 5, при этом выход фотоэлектрического преобразователя 2 соединен со входом устройства преобразования сигнала.
Оптическая система 1 с фотоэлектрическим преобразователем 2 соединена оптически, а с устройством перемещения линзы 3 механически.
Оптическая система 1 выполняется в виде линзы с двумя фокусными расстояниями. В качестве фотоэлектрического преобразователя 2 может быть использована ПЗС матрица с высоким разрешением. Устройство преобразования сигнала 7 служит для преобразования аналогового сигнала с выхода фотоэлектрического преобразователя 2 в цифровой сигнал. Эту операцию может выполнять аналогово-цифровой преобразователь. Устройством обработки сигнала может быть, например, сигнальный процессор, который осуществляет цифровую обработку сигнала в соответствии с алгоритмом (фиг.6). Устройство управления может быть реализовано при помощи микроконтроллера, работающего в соответствии с алгоритмом (фиг.3, 4). В качестве вычислительного устройства может быть использована микроЭВМ, осуществляющая математические операции в соответствии с алгоритмом (фиг.5). В основе устройства перемещения линзы может лежать прецизионный шаговый двигатель, перемещающий оптическую систему по направляющей. В качестве датчика перемещения может служить бесконтактный оптический датчик перемещения. Индикаторное устройство представляет собой экран, на котором отображается информация о местоположении источника излучения.
Устройство работает следующим образом. Устройство управления 9 подает команду на включение устройства перемещения линзы 3, которое устанавливает оптическую систему 1 на расстояние r1 от фотоэлектрического преобразователя 2, на котором обеспечивается резкое изображение от линзы с фокусным расстоянием f1. Контроль положениям линзы осуществляется датчиком перемещения 4, который вырабатывает сигнал, пропорциональный r1, который подается в устройство управления 9. Устройство управления 9 подает команду чтения в фотоэлектрический преобразователь 2, который производит считывание сигнала с элементов ПЗС матрицы. Сигнал с фотоэлектрического преобразователя 2 поступает в устройство преобразования сигнала 7, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Из устройства преобразования сигнала 7 цифровой сигнал поступает в устройство обработки сигнала 8, в котором согласно с алгоритмом (фиг.6) осуществляется цифровая обработка изображения. С выхода устройства обработки сигнала 8 сигнал, пропорциональный x1, поступает в устройство управления 9. Параметры x1 и r1 заносятся в память устройства управления. Затем включается устройство перемещения линзы 3, которое перемещает оптическую систему 1 на расстояние r2 от фотоэлектрического преобразователя 2, на котором обеспечивается резкое изображение от линзы с фокусным расстоянием f2. Причем сигнал, пропорциональный r2, поступает с датчика перемещения 4 в устройство управления 9 и записывается в его память. Затем вновь происходит считывание сигнала с элементов фотоэлектрического преобразователя 2, аналогово-цифровое преобразование в устройстве преобразования сигнала 7 и его цифровая обработка в устройстве обработки сигнала 8, после чего в устройство управления 9 поступает сигнал, пропорциональный x2. Устройство управления 9, как показано в алгоритме (фиг.3 и 4), передает значения параметров x1, r1, x2, r2 из своей памяти в вычислительное устройство 5, в котором выполняется вычисление дальности до источника излучения и его пеленга в соответствии с рассмотренными выше выражениями по алгоритму (фиг.5), а индикаторное устройство 6 отображает параметры, определяющие местоположение источника излучения - дальность и пеленг на экране в виде, удобном для восприятия информации.
Новым в заявляемом способе является то, что измерение координат центров областей изображения с максимальной яркостью x1, x2, что позволяет определять дальность как до протяженных, так и до точечных источников излучения.
Кроме того, определяется пеленг источника излучения, а определение дальности до источника излучения и его пеленга позволяет получить информацию о местоположении источника излучения.
Таким образом, применение предлагаемого устройства для измерения дальности позволит определить дальность до источников излучения, как до точечного, так и до протяженного без использования зондирующего сигнала по собственному излучению объекта, а также позволит получить информацию о местоположении как протяженного, так и точечного источников излучения.
Оптическое устройство определения дальности до источника излучения, содержащее последовательно соединенные оптическую систему, выполненную в виде линзы с двумя фокусными расстояниями и фотоэлектрический преобразователь, последовательно соединенные устройство перемещения линзы, которое механически подключено к оптической системе, и датчик перемещения и последовательно соединенные вычислительное устройство и индикаторное устройство, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные устройство преобразования сигнала и устройство обработки сигнала, а также введено устройство управления, к соответствующим входам которого подключены устройство обработки сигнала и датчик перемещения, а к соответствующим выходам его подсоединены фотоэлектрический преобразователь, устройство перемещения линзы и вычислительное устройство, при этом ко входу устройства преобразования сигнала подключен фотоэлектрический преобразователь.
