RU2653158C1

RU2653158C1 - Location optical-electronic module

Info

Publication number: RU2653158C1
Application number: RU2017121502A
Authority: RU
Inventors: Федор Моисеевич Броун; Ринад Исмагилович Волков; Михаил Иванович Филатов
Original assignee: Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория"
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-05-07

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention relates to optoelectronic instrumentation, in particular to devices for measuring angular coordinates and range to selected objects, and can be used in the creation of opto-electronic systems for detecting and tracking air targets, and control of take-off / landing areas for aircraft both in airports and in the field. Claimed location optic-electronic module contains an optoelectronic unit with an objective and a television camera, a laser rangefinder with an emitter and a photodetector unit mechanically rigidly connected to an optoelectronic unit, an optical wedge assembly with actuators and angular position sensors, a computing device connected by its inputs / outputs through the serial communication bus to the inputs / outputs of the camera, laser rangefinder, drives and angular position sensors. Digital camera, connected to a computing device, was introduced into the photodetector unit of the laser rangefinder. Lens of the photodetector unit of the laser range finder is made common for a photodetector device of a laser rangefinder and a digital camera.

EFFECT: increasing the accuracy of pointing the LD target line to the object, as well as increasing the reliability of determining the type of the object at large distances to it.

1 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к устройствам измерения угловых координат и дальности до выбранных объектов, и может быть использовано при создании оптико-электронных комплексов обнаружения и сопровождения воздушных целей, а также контроля зон взлета/посадки летательных аппаратов как в аэропортах, так и в полевых условиях.The present invention relates to optoelectronic instrumentation, in particular to devices for measuring angular coordinates and range to selected objects, and can be used to create optoelectronic complexes for detecting and tracking aerial targets, as well as for controlling takeoff / landing zones of aircraft in airports in the field.

При обзоре окружающего пространства проблемным является измерение дальности до объектов лазерными дальномерами (ЛД), имеющими очень малое поле зрения - единицы угловых минут, в то время как поле зрения устройств технического зрения, например теле- или тепловизионных оптико-электронных устройств, составляет единицы и даже десятки градусов. Сложность измерения дальности возрастает при работе по малоразмерным объектам (самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты), находящимся на больших расстояниях, когда требуется непрерывное сопровождение и наведение на них ЛД. При этом погрешность наведения на объекты должна быть менее угла расходимости лазерного излучения, который составляет приблизительно две угловые минуты.When reviewing the surrounding area, it is problematic to measure the distance to objects using laser rangefinders (LDs), which have a very small field of view - units of angular minutes, while the field of view of technical vision devices, such as television or thermal imaging optoelectronic devices, is units or even tens of degrees. The complexity of measuring ranges increases when working on small objects (airplanes, helicopters, unmanned aerial vehicles) located at long distances, when continuous tracking and guidance of the aircraft is required. In this case, the accuracy of pointing at objects should be less than the angle of divergence of laser radiation, which is approximately two angular minutes.

Известны оптико-локационные устройства кругового обзора [В.Г. Архипов, Ю.В. Чжан, Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2352957 от 22.01.2007 г.; Ю.В. Чжан, Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2453866 от 27.05.2009 г.], в которых применены оптико-электронные блоки (ОЭБ) технического зрения и ЛД. Основной недостаток этих локаторов заключается в том, что наведение визирной оси ЛД на объект осуществляется поворотами зеркал по двум осям, при этом механические погрешности узлов поворота зеркал удваивают погрешность наведения, что существенно ужесточает требования к конструкции и увеличивает вероятность пропуска объекта. Погрешности карданных подвесов, в которых устанавливают зеркала для наведения визирной оси ОЭМ на объект, особенно в условиях переменных ветровых нагрузок, снижают точность измерения угловых координат объекта.Known optical radar devices of the circular review [V.G. Arkhipov, Yu.V. Zhang, Optical radar circular scan, RF patent No. 2352957 from 01/22/2007; Yu.V. Zhang, Optical radar circular scan, RF patent No. 2453866 dated 05/27/2009], in which optical-electronic blocks (OEB) of technical vision and LD are used. The main disadvantage of these locators is that the LD sighting axis is pointed at the object by rotating the mirrors along two axes, while the mechanical errors of the mirror turning nodes double the pointing error, which significantly tightens the design requirements and increases the likelihood of missing an object. Errors of gimbal suspensions, in which mirrors are installed to guide the OEM axis of sight to the object, especially under conditions of variable wind loads, reduce the accuracy of measuring the angular coordinates of the object.

Известно применение оптических клиньев для сканирования [М.М. Мирошников «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1983, §6.2, стр. 104-106], компенсации сдвига изображения объекта на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства при сканировании [А.Я. Прилипко, Н.И. Павлов, Теплопеленгатор, патент РФ №2458356 от 15.04.2011 г.], наведения визирной оси дальномера на объект [Р.И. Волков и др., Способ оптической локации и устройство для его реализации, патент РФ №2554108 от 19.02.2014 г.; Р.И. Волков, М.И. Филатов, Оптико-электронный локатор, патент РФ №2562750 от 17.04.2014 г.].It is known the use of optical wedges for scanning [M.M. Miroshnikov “Theoretical Foundations of Optoelectronic Devices”, Leningrad, “Mechanical Engineering”, Leningrad Branch, 1983, §6.2, pp. 104-106], compensation for shifting the image of an object on the photosensitive surface of a photodetector during scanning [A.Ya. Prilipko, N.I. Pavlov, Heat direction finder, RF patent No. 2458356 dated 04/15/2011], pointing the target axis of the range finder to the object [R.I. Volkov et al., Optical location method and device for its implementation, RF patent No. 2554108 of 02.19.2014; R.I. Volkov, M.I. Filatov, Optoelectronic Locator, RF patent No. 2562750 dated 04/17/2014].

Общим недостатком перечисленных устройств является сложность точного наведения визирной оси ЛД на объект и определение типа объекта при достаточно большом поле зрения оптико-электронного модуля, т.к. в этом случае объект, находящийся на большом расстоянии, изображается на экране монитора в виде точки.A common drawback of these devices is the difficulty of accurately pointing the LD axis of sight to the object and determining the type of object with a sufficiently large field of view of the optoelectronic module, because in this case, an object located at a great distance is displayed on the monitor screen as a dot.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности наведения визирной оси ЛД на объект, а также повышение надежности определения типа объекта на больших расстояниях до него.The technical result of the invention is to increase the accuracy of pointing the line of sight of the LD on the object, as well as improving the reliability of determining the type of object at large distances to it.

Этот результат достигается тем, что, во-первых, фотоприемный канал ЛД снабжен телекамерой с длиннофокусным объективом и, соответственно, с меньшим полем зрения, что позволяет более точно наводить визирную ось ЛД на объект; во-вторых, предлагаемый модуль позволяет наблюдать изображения объекта с ОЭБ и ЛД одновременно либо на двух экранах рядом расположенных мониторов, либо на мониторе с функцией "картинка в картинке", что позволяет оперативно перенацеливать ЛД с одного объекта на другой в поле зрения оптико-электронного блока.This result is achieved by the fact that, firstly, the photodetector channel of the LD is equipped with a camera with a telephoto lens and, accordingly, with a smaller field of view, which makes it possible to more accurately direct the target axis of the LD to the object; secondly, the proposed module allows you to observe images of an object with OEB and LD simultaneously on either two screens of adjacent monitors, or on a monitor with the "picture in picture" function, which allows you to quickly redirect LD from one object to another in the field of view of the optoelectronic block.

Выбор объекта осуществляет оператор с помощью устройства выбора объекта, например, наведением на него курсора в поле зрения ОЭБ с помощью джойстика, компьютерной "мыши" или другого подобного устройства. Вычислительный блок определяет вертикальные и горизонтальные координаты Хо и Yo выбранного объекта в координатной системе, связанной с полем зрения ОЭБ. По полученным значениям угловых координат Хо и Yo выбранного объекта вычислительный блок преобразует их в полярные координаты ρ и ϕ, по которым вычисляет углы поворота клиньев для наведения визирной оси ЛД на выбранный объект, а приводы клиньев поворачивают клинья на вычисленные углы. После завершения поворота оптических клиньев изображение выбранного объекта попадает на телекамеру фотоприемного канала и отображается на мониторе в зоне фотоприемного канала ЛД. Более точное совмещение визирной оси ЛД с объектом осуществляет оператор наведением перекрестия фотоприемного канала ЛД на изображение объекта в его поле зрения. Соответствующие датчики угла поворота отслеживают углы поворота клиньев.The object is selected by the operator using the object selection device, for example, by hovering a cursor over it in the OEB field of view using the joystick, computer mouse, or other similar device. The computing unit determines the vertical and horizontal coordinates of Ho and Yo of the selected object in the coordinate system associated with the OEB field of view. Based on the obtained values of the angular coordinates Xo and Yo of the selected object, the computing unit converts them into polar coordinates ρ and ϕ, by which it calculates the angles of rotation of the wedges to direct the line of sight of the LD to the selected object, and the wedge drives rotate the wedges to the calculated angles. After the rotation of the optical wedges is completed, the image of the selected object enters the camera of the photodetector channel and is displayed on the monitor in the area of the photodetector channel of the LD. A more accurate combination of the LD sighting axis with the object is carried out by the operator by pointing the crosshairs of the LD photodetector channel onto the image of the object in its field of view. Corresponding angle sensors track the angle of rotation of the wedges.

На фиг. 1 показана функциональная схема локационного оптико-электронного модуля (ЛОЭМ); на фиг. 2 приведена оптическая схема фотоприемного канала ЛД; на фиг. 3 показан пример выполнения узла оптических клиньев, на фиг. 4 приведен пример изображения объекта в двух зонах экрана монитора с функцией "картинка в картинке" и соответствующие этому положению координаты Хо, Yo и ρ, ϕ выбранного объекта. Приведенные на фиг. 1 монитор(ы) и устройство выбора объекта, а также оператор предназначены для описания работы модуля и не являются составными частями ЛОЭМ.In FIG. 1 shows a functional diagram of a location optical-electronic module (LOEM); in FIG. 2 shows the optical scheme of the LD photodetector channel; in FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the optical wedge assembly; FIG. Figure 4 shows an example of the image of an object in two zones of the monitor screen with the "picture in picture" function and the coordinates Xo, Yo and ρ, ϕ of the selected object corresponding to this position. Referring to FIG. 1 monitor (s) and an object selection device, as well as an operator, are intended to describe the operation of the module and are not integral parts of the LOEM.

ЛОЭМ содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором жестко закреплены ОЭБ 2 и модуль лазерного дальномера 3 с ЛД 4, а также вычислительный блок 5.LOEM contains a housing 1 (Fig. 1), in which OEB 2 and a laser rangefinder module 3 with LD 4 are rigidly fixed, as well as a computing unit 5.

ОЭБ 2 содержит объектив 6, в фокальной плоскости которого расположена фоточувствительная поверхность цифровой телекамеры 7. Цифровая телекамера 7 через шину последовательного обмена 8 подключена к вычислительному блоку 5.OEB 2 contains a lens 6, in the focal plane of which is the photosensitive surface of the digital camera 7. Digital camera 7 through the serial bus 8 is connected to the computing unit 5.

Модуль лазерного дальномера 3 содержит ЛД 4 и узел оптических клиньев 9.The laser rangefinder module 3 comprises an LD 4 and an optical wedge assembly 9.

ЛД 4 содержит излучатель 10, фотоприемный канал 11 и цифровую телекамеру 12. ЛД 4 через шину последовательного обмена 8 подключен к вычислительному блоку 5.LD 4 contains the emitter 10, the photodetector channel 11 and the digital camera 12. LD 4 through the serial bus 8 is connected to the computing unit 5.

Фотоприемный канал 11 (фиг. 2) содержит входной объектив 13, общий для цифровой телекамеры 12 и фотоприемного устройства (ФПУ) 14, проекционный объектив 15 и спектроделитель 16.The photodetector channel 11 (Fig. 2) contains an input lens 13 common to a digital camera 12 and a photodetector (FPU) 14, a projection lens 15, and a spectrometer 16.

Спектроделитель 16 выполнен в виде призмы 17 со спектроразделяющей поверхностью 18. На одной грани призмы 17 нанесена полевая диафрагма 19 фотоприемного канала 11 ЛД.The spectrum splitter 16 is made in the form of a prism 17 with a spectrally separating surface 18. On one face of the prism 17 a field diaphragm 19 of the photodetector channel 11 of the LD is applied.

Узел оптических клиньев 9 (фиг. 3) содержит оптические клинья 20 и 21, каждый клин закреплен в своей поворотной обойме 22 и 23, каждая из которых снабжена приводами 24, 25 и датчиками угла поворота 26, 27 соответственно. Входы/выходы приводов 24, 25 и датчиков угла поворота 26, 27 подключены через шину последовательного обмена 8 к вычислительному блоку 5.The node of the optical wedges 9 (Fig. 3) contains optical wedges 20 and 21, each wedge is fixed in its rotary holder 22 and 23, each of which is equipped with drives 24, 25 and angle sensors 26, 27, respectively. The inputs / outputs of the drives 24, 25 and the angle sensors 26, 27 are connected via a serial bus 8 to the computing unit 5.

В начальном положении вершины клиньев 20, 21 развернуты в противоположные стороны. При этом визирная ось модуля ЛД 3 совпадает с оптической осью ЛД 4 и находится в начале координат, связанных с полями зрения ОЭБ 2 и модуля лазерного дальномера 3.In the initial position, the tops of the wedges 20, 21 are deployed in opposite directions. In this case, the sighting axis of the LD 3 module coincides with the optical axis of the LD 4 and is located at the origin associated with the fields of view of the OEB 2 and the laser rangefinder module 3.

ЛОЭМ работает следующим образом.LOEM works as follows.

Оператор просматривает видеоизображение зоны обзора на экране монитора (фиг. 4), с помощью устройства выбора объекта (например, джойстика или компьютерной «мыши») наводит курсор на изображение выбранного объекта и дает команду на определение угловых координат объекта и дальности до него. По этой команде вычислительный блок 5 определяет горизонтальную Хо и вертикальную Yo координаты объекта относительно начала координат поля зрения ОЭБ 2.The operator views the video image of the viewing area on the monitor screen (Fig. 4), using the device to select an object (for example, a joystick or a computer "mouse"), moves the cursor over the image of the selected object and gives a command to determine the angular coordinates of the object and the distance to it. By this command, the computing unit 5 determines the horizontal Ho and vertical Yo coordinates of the object relative to the origin of the field of view of the OEB 2.

Вычислительный блок 5 преобразует декартовы координаты Хо и Yo в полярные координаты ρ_o и ϕ_o, по которым вычисляет соответствующие углы поворота клиньев и подает значения этих углов на приводы 24 и 25. Углы поворота обойм 22 и 23 контролируются ДУП 26 и ДУП 27.Computing unit 5 converts the Cartesian coordinates of Ho and Yo into polar coordinates ρ _o and ϕ _o , from which it calculates the corresponding angles of rotation of the wedges and supplies the values of these angles to the drives 24 and 25. The angles of rotation of the holders 22 and 23 are controlled by DUP 26 and DUP 27.

После выполнения операции поворота визирной оси ЛД оператор через вычислительный блок 5 выдает ЛД 4 команду на замер дальности. Точность наведения визирной оси ЛД 4 на объект оператор наблюдает по положению изображения объекта в поле зрения цифровой телекамеры 12 и, при необходимости, корректирует это положение с помощью устройства выбора объекта.After the operation of turning the sighting axis of the LD, the operator through the computing unit 5 issues the LD 4 command to measure the range. The operator observes the accuracy of pointing the sighting axis of the LD 4 to the object by the position of the image of the object in the field of view of the digital camera 12 and, if necessary, corrects this position using the object selection device.

Измеренные значения дальности до объекта и координаты Хо и Yo заносят в память вычислительного блока 5, которые могут быть вызваны внешними устройствами через шину последовательного обмена 8.The measured values of the distance to the object and the coordinates of Ho and Yo are stored in the memory of the computing unit 5, which can be called up by external devices via the serial bus 8.

Claims

A location optoelectronic module containing an optoelectronic unit with a lens and a camera, a laser rangefinder with an emitter and a photodetector unit, mechanically rigidly connected to the optoelectronic unit, an optical wedge assembly with actuators and angle sensors, a computing device connected to its inputs / outputs through the serial bus with inputs / outputs of the camera, laser range finder, drives and angular position sensors, characterized in that the laser receiving unit is far EPA introduced digital camera connected to the computing device, wherein the lens photodetector laser rangefinder adapted for common photodetector laser range finder and a digital camera.