Способ измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения и устройство для его осуществления

Авторы патента:

G01C3/08 - с использованием детекторов излучения

Владельцы патента RU 2575318:

Соломатин Владимир Алексеевич (RU)

Способ измерение расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения включает в себя облучение во множестве направлений, перекрывающих в совокупности поле обзора и образующих матрицу смежных оптических каналов, каждому оптическому каналу ставится в соответствие определенное угловое направление, а дальность до точки объекта вычисляется в оптических каналах поочередно в соответствии с заданной последовательностью. При этом в устройстве, которое реализует способ, оси излучения лазерных излучателей, формирующих матрицу лазеров, последовательно развернуты по азимуту и высоте на угол расходимости лазерного излучения. Технический результат заключается в увеличении быстродействия лазерных сканеров за счет исключения оптико-механического сканирования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения расстояния до объектов, находящихся в поле обзора, их угловых координат и взаимного расположения.

Известен способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат, состоящий в излучении в направление зоны обзора импульса света, например, с помощью инфракрасных светодиодов и детектировании отраженных импульсов света, например, с помощью фоточувствительных элементов [1]. При излучении одного импульса света от объектов в зоне обзора, находящихся на разных угловых координатах и разных расстояниях, отражаются множество импульсов света, которые фокусируются и детектируются фоточувствительными элементами. Положение фоточувствительного элемента, на который поступает отраженный импульс света, определяет угловые координаты объекта в зоне обзора, от которого поступил сигнал, соответствующий детектированному импульсу света. Импульс света, в силу Эффекта Доплера, при отражении от движущегося объекта изменяет свою длительность - увеличивается, если объект удаляется, и уменьшается, если объект приближается, при этом изменяются несущая частота и частота модуляции сигнала. Изменение несущей частоты при отражении от движущегося объекта приводит к изменению длительности отраженного импульса света. Сигналы от отраженных импульсов света, детектированные на фоточувствительных элементах, оцифровывают. Недостатком этого способа является ограниченное поле обзора из-за узкой диаграммы направленности излучения.

Известны фасеточные оптико-электронные системы, поле обзора которых перекрывается множеством оптических каналов, состоящих из объектива и приемника излучения [2]. Такие системы обладают высоким быстродействием, но не обеспечивают измерение дальности до объекта.

Известен способ-прототип наземного лазерного сканирования, заключающийся в направлении лазерного импульсного излучения с малым углом расходимости на объекты, сканировании лазерным излучением поля обзора с помощью оптико-механической системы с одновременным измерением угловых координат направленного излучения, приеме (детектировании) отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, вычислении дальности до объекта по времени прихода импульсов для каждого углового направления и формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки (точки) объекта. Способ реализуется в устройствах наземных лазерных сканеров [3]. Недостатком способа является низкое быстродействие в связи с оптико-механическим сканированием.

Целью заявляемого способа измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения и устройства для его осуществления, является повышение быстродействия при формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, заключающемся в излучении импульсов излучения лазера в направлении поля обзора, детектировании отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, расчете дальностей до точек объектов в зоне обзора при одновременном измерении углового направления на эти точки и передаче результатов измерений и вычислений к внешним устройствам контроля объект поле обзора облучают во множестве направлений, перекрывающих в совокупности поле обзора и образующих матрицу смежных оптических каналов, при этом каждому оптическому каналу ставится в соответствие определенное угловое направление, а дальность до точки объекта вычисляется в оптических каналах поочередно в соответствии с заданной последовательностью.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, реализующем способ измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, содержащем лазерный излучатель, приемную оптическую систему, приемник излучения, устройство управления излучением лазера, аналого-цифровой преобразователь, процессор, внешнее устройство контроля, лазерный излучатель выполнен в виде матрицы лазеров, оси излучения лазеров последовательно развернуты по азимуту в угловом поле W_α и высоте в угловом поле W_h на угол расходимости лазерного излучения θ, число элементов в матрице по азимуту равно n_α=W_α/θ, по высоте n_h=W_h/θ, а к устройству управления излучением лазера и процессора одновременно подключен генератор синхронизирующих импульсов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где обозначены: 1 - матрица лазеров, 2 - сечения пучков лазерного излучения в пространстве объектов, 3 - приемная оптическая система, 4 - приемник излучения, 5 - устройство управления излучением лазеров, 6 - генератор синхронизирующих импульсов, 7 - аналого-цифровой преобразователь.

Матрица лазеров представляет собой сборку полупроводниковых лазеров (лазерных диодов), работающих в импульсном режиме. Приемная оптическая система состоит из широкоугольного объектива, угловое поле которого охватывает поле обзора, и конденсора, переносящего поток излучения на приемник излучения. В качестве приемника излучения могут использоваться малоинерционные детекторы - ФЭУ или лавинные фотодиоды. Устройство управления излучением лазера включает типовые драйверы, обеспечивающие создание серий (пачек) из определенного числа импульсов лазерного излучения, генератор синхронизирующих импульсов создает начало отсчета времени при излучении лазерных импульсов и сигнал тактовой частоты, используемый для генерации импульсов излучения, синхронных с последовательностью подключения лазерных диодов.

Устройство работает следующим образом. С помощью устройства управления излучением лазеров создается режим излучения, при котором лазеры последовательно (строка за строкой матрицы) создают пачки импульсов короткой длительности. Каждая пачка импульсов посылается в определенном направлении в соответствии с шагом по азимуту (по строке) и по высоте (по кадру). Интервал между импульсами в пачке должен быть не меньше времени прохождения излучения до объекта и обратно. Отраженные от объекта лазерные импульсы принимаются оптической системой, преобразуются приемником излучения в электрический сигнал, который оцифровывается и поступает в процессор. Пачки импульсов разнесены во времени, за счет чего осуществляется их раздельный прием в каждом направлении излучения. По времени прихода каждого отраженного импульса в пачке (интервалу времени между излученным и принятым импульсами) в процессоре вычисляется дальность до объекта, результаты вычислений усредняются, и определяется дальность до объекта в заданном направлении, которое задается конкретным лазером (номером лазера в матрице). Для каждой точки сканирования, таким образом, определяются пространственные координаты (дальность, азимутальный и высотный углы), механическое сканирование при этом не осуществляется, но реализуется просмотр широкого поля обзора. Предлагаемое техническое решение может быть определено как «фасеточный лазерный сканер» в связи с совмещением фасеточного принципа построения оптической системы и принципа построения лазерного сканера.

Источники информации

1. Способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления (RU 2521203, авт. Бардин Антон Владимирович, Озеров Вениамин Петрович, Меткин Николай Павлович, Филонов Олег Михайлович, Киршина Ирина Анатольевна.

2. Устройство для обнаружения и измерения азимутального угла светоизлучающих импульсных объектов (патент РФ №2494343 от 10.04.2012, авт. Соломатин В.А.).

3. Середович В.А. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с., стр. 9.

1. Способ измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, заключающийся в излучении импульсов излучения лазера в направлении поля обзора, детектировании отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, расчете дальностей до точек объектов в зоне обзора при одновременном измерении углового направления на эти точки и передаче результатов измерений и вычислений к внешним устройствам контроля, отличающийся тем, что объект в поле обзора облучают во множестве направлений, перекрывающих в совокупности поле обзора и образующих матрицу смежных оптических каналов, при этом каждому оптическому каналу ставится в соответствие определенное угловое направление, а дальность до точки объекта вычисляется в оптических каналах поочередно в соответствии с заданной последовательностью.

2. Устройство измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, содержащее лазерный излучатель, приемную оптическую систему, приемник излучения, устройство управления излучением лазера, аналого-цифровой преобразователь, процессор, внешнее устройство контроля, отличающееся тем, что лазерный излучатель выполнен в виде матрицы лазеров, оси излучения лазеров последовательно развернуты по азимуту в угловом поле W_α и высоте в угловом поле W_h на угол расходимости лазерного излучения θ, число элементов в матрице по азимуту равно n_α=W_α/θ, по высоте n_h=W_h/θ, а к устройству управления излучением лазера и процессору одновременно подключен генератор синхронизирующих импульсов.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к устройствам наблюдения объектов и прицеливания, а также к устройствам для наведения управляемых ракет на цель по лазерному лучу, и может быть использовано в системах управления огнем объектов бронетанковой техники.

Прецизионный датчик расстояний // 2567185

Изобретение касается прецизионного датчика расстояния. Особенностью указанного датчика является то, что приемная схема выполнена двухканальной и состоит из оптической системы, включающей две ромб-призмы и два отклоняющих клина, и приемной проекционной системы, включающей цилиндрическую линзу и сферический объектив, а в качестве фотодетектора использована двухкоординатная ПЗС-матрица, выход которой подключен к персональному компьютеру или контроллеру.

Способ оценки дальности и скорости удаленного объекта // 2563608

Способ определения дальности и скорости удаленного объекта заключается в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты и статистической обработке зарегистрированных данных.

Устройство для измерения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата // 2562150

Изобретение относится к устройству для автоматического определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Устройство содержит лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности.

Способ определения дальности и скорости удаленного объекта // 2562148

Изобретение относится к способу определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Способ включает в себя многократное зондирование объекта импульсами лазерного излучения, прием и регистрацию отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, образующим ячейки дальности, и статистическую обработку зарегистрированных данных.

Устройство для определения дальности и скорости // 2562147

Изобретение относится к измерительной технике определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Устройство обеспечивает возможность работы в двух режимах.

Способ измерения на основе структурированного света // 2560996

В способе определения расстояния до объекта используется видеоизмерительное устройство, включающее первый излучатель света и второй излучатель света, при этом первый излучатель света может испускать свет через отверстие по меньшей мере с одним тенеобразующим элементом.

Лазерный дальномер // 2560011

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо определить скорость движущегося объекта и расстояние до него, в частности для автоматического определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата.

Способ определения высоты летательного аппарата // 2558694

Изобретение относится к способу определения высоты летательного аппарата. При реализации способа осуществляется N-кратное зондирование подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения и его некогерентное накопление принятого отражённого от объекта сигнала.

Лазерный дальномер // 2554279

Изобретение относится к оптическим устройствам для бесконтактного измерения дальности и может использоваться при производстве лазерных дальномеров или тахеометров.

Способ определения пространственного положения объектов и устройство для его осуществления // 2580908

Способ определения пространственного положения объектов обеспечивает облучение объекта через двумерную дифракционную решетку, что обеспечивает образование матрицы смежных оптических каналов. При этом каждому оптическому каналу задают определенное угловое направление. Сигнал в каждом оптическом канале поступает на соответствующий элемент матрицы приемников излучения, а дальность до точки объекта вычисляется в каждом из оптических каналов. При этом в устройстве, реализующем способ, лазерный излучатель снабжен расширителем пучка, за которым установлена двумерная дифракционная решетка. Приемник излучения выполнен в виде матрицы элементов, оптически сопряженных через приемный объектив с дифракционной картиной, а блок управления излучением лазера выполнен в виде модулятора и генератора опорного сигнала, подключенного одновременно к модулятору и процессору. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия при формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки объекта. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Лазерный дальномер // 2590311

Лазерный дальномер содержит импульсный полупроводниковый лазер, оптическую систему, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, устройство с индикатором, ключевую схему, фотоприемник, линию задержки, схему совпадения. Также дальномер содержит сумматор и устройство поворота изображения, обеспечивающее поворот изображения - призма Дове - излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поочередно будут сформированы две плоские фигуры, симметричные относительно центра, причем границы каждой фигуры образованы овалом, большие оси симметрии двух фигур перпендикулярны. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Отическое экранирующее устройство для разделения оптических путей // 2594949

Датчик для дальномера имеет чувствительный элемент и оптическое экранирующее устройство. Чувствительный элемент имеет первую детектирующую часть для детектирования измерительного излучения и вторую детектирующую часть для детектирования контрольного излучения. Оптическое экранирующее устройство является перегородкой, прилегающей к поверхности чувствительного элемента, и оптически отделяет одну от другой его первую и вторую детектирующие части. Технический результат заключается в эффективном оптическом отделении друг от друга расположенных близко оптических путей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 25 ил.

Способ измерения линейных перемещений объекта // 2596774

Способ измерения линейных перемещений объекта основан на том, что лучи двух лазерных дальномеров направляют параллельно на плоскую поверхность, находящуюся на объекте измерений. Линейное перемещение объекта определяют на основании определенных двумя указанными дальномерами расстояний с учётом угла между линией ожидаемого перемещения объекта и плоской поверхностью, а также с учётом расстояния между линиями визирования дальномеров. Технический результат заявленного решения заключается в повышении точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения расстояния до объекта при помощи камеры (варианты) // 2602729

Способ определения расстояния при помощи камеры основан на том, что получают один видеокадр, получают калибровочные характеристики камеры, выделяют на кадре объект, до которого измеряют расстояние. Расстояние определяют на основании метрических и угловых размеров объекта. Если объект не имеет постоянной формы, например дым, то создают модель движения объекта по нескольким кадрам и определяют расстояние до него на основании углового и метрического смещения объекта. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение универсального способа определения расстояния с помощью видеокамеры до удаленных объектов за счет исключения необходимости предварительной настройки камеры относительно зоны ее установки. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 2 ил.

Ручной лазерный дальномер // 2602992

Изобретение относится к ручному лазерному дальномеру. Дальномер содержит лазерный узел для определения отличающихся первого и второго расстояний в первом и втором относительных направлениях через короткий промежуток времени и устройство ввода для установки угла между первым и вторым относительными направлениями. При этом лазерный узел содержит средство для отклонения лазерного луча в различных относительных направлениях. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Лазерный фазовый дальномер // 2610514

Лазерный фазовый дальномер содержит передающую систему и приемную систему. Передающая система состоит из масштабного генератора, источника излучения в виде лазера, коллиматора лазерного излучения, поворотного зеркала и поворотной призмы. Приемная система состоит из приемного объектива, фотоприемника в виде лавинного фотодиода, полосового фильтра, управляемого усилителя, гетеродинного генератора, смесителя, высоковольтного источника, сумматора, микроконтроллера и датчика температуры. Приемный объектив выполнен с центральным отверстием, в котором установлена поворотная отражательная призма, отражательная грань которой расположена под углом 45° к оптической оси объектива. Технический результат - увеличение максимально измеряемой дальности и снижение погрешности измерения за счет улучшения соотношения сигнал/шум. 2 ил.

Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем // 2618787

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с комбинированным лазерным излучателем содержащит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив с фокусным расстоянием Fo. Также дальномер содержит по крайней мере два лазерных излучателя, каждый из которых выполнен в виде полупроводникового лазерного диода, излучающая площадка которого смещена перпендикулярно оптической оси объектива на расстояние Y. Перед каждой излучающей площадкой установлена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием f, фокус цилиндрической линзы смещен параллельно оптической оси объектива на расстояние z1 от излучающей площадки в сторону фокуса объектива так, чтобы изображение излучающей площадки совпало с фокальной плоскостью объектива, центр цилиндрической линзы смещен перпендикулярно оптической оси объектива и параллельно излучающей площадке на расстояние Y+δY в сторону от оптической оси объектива, причем номинальное значение δY определяется выражением ,а цилиндрические линзы имеют возможность перемещения параллельно оси объектива на максимальное расстояние δz так, чтобы выполнялись условия ; ,где ΔYmax и ΔХmax - допуски на величину поперечного ΔY и продольного ΔХ отклонений изображения излучающей площадки от фокуса объектива. Технический результат - обеспечение точного совмещения пучков излучения двух и более лазеров при компактности и простоте устройства. 2 ил.

Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения // 2619040

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер с двулучепреломляющим сумматором излучения содержит приемное устройство и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины. При этом лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны. Кроме того, двулучепреломляющая пластина закреплена с возможностью вращения вокруг оси, параллельной оптическим осям лазерных излучателей, на углы 0≤α≤αmax, где αmax - предельная величина угла вращения пластины, причем толщина двулучепреломляющей пластины удовлетворяет условиюh≥a/tgβ, гдеh - толщина пластины; a - максимально допустимое расстояние между оптическими осями лазерных излучателей;β - угол преломления необыкновенного луча,а предельная величина угла вращения двулучепреломляющей пластины удовлетворяет условию , где - коэффициент допустимого снижения мощности излучения;I0 - мощность излучения на выходе двулучепреломляющей пластины при α=0;I - минимально допустимая мощность излучения на выходе двулучепреломляющей пластины вдоль оси объектива. Технический результат - повышение дальности действия дальномера и снижение уровня отражений от посторонних объектов, близких к его оси. 4 ил.

Лазерный дальномер // 2620765

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Лазерный дальномер содержит приемное устройство, включающее приемный объектив и фотоприемник, и передающее устройство, включающее объектив и два лазерных излучателя, выходные пучки излучения которых поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, выполненного в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины. При этом лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны, причем перед лазерными излучателями установлены цилиндрические линзы, каждая цилиндрическая линза неподвижно соединена с лазерным диодом, образуя лазерный модуль. По крайней мере один из лазерных модулей имеет возможность перемещения перпендикулярно оптической оси объектива и перпендикулярно геометрической оси цилиндрической линзы и имеет возможность фиксации в рабочем положении с заданной предельно допустимой погрешностью Δϕ взаимного углового рассогласования оптических осей выходных пучков зондирующего излучения, обеспечиваемой благодаря увеличению Г оптической системы передающего устройства. Технический результат – повышение дальности действия и повышение помехозащищенности лазерного дальномера. 3 ил.