CZ37617U1

CZ37617U1 - A system for locating the source of a laser radiation beam

Info

Publication number: CZ37617U1
Application number: CZ2023-41525U
Authority: CZ
Inventors: Štěpán Rydlo; Štěpán Ing Rydlo; Martin Drahanský; Drahanský Martin prof. Ing. dipl.-Ing., Ph.D; Dušan Kolář; Kolář Dušan doc. Dr., Ph.D; Petr MalanĂk; Petr Ing Malaník; Teodor Baláž; CSc Baláž Teodor doc. Ing.; Jakub Hospodka; Hospodka Jakub doc. Ing., Ph.D
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně; České vysoké učení technické v Praze
Priority date: 2023-12-07
Filing date: 2023-12-07
Publication date: 2024-01-12

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. č. 478/1992 Sb.In the registration procedure, the Industrial Property Office does not determine whether the subject of the utility model meets the conditions of eligibility for protection according to § 1 of Act. No. 478/1992 Coll.

Systém pro lokalizaci zdroje svazku laserového zářeníA system for locating the source of a laser radiation beam

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká systému pro automatickou detekci svazku laserového záření ve vzdušném prostoru a určení mapové a výškové polohy zdroje laserového záření. Takovýto systém je využitelný mimo jiné pro ochranu prostoru letiště před útočníky, kteří se svazkem laserového záření pokoušejí oslnit piloty přistávajících a vzlétajících letadel.The technical solution refers to a system for automatic detection of a beam of laser radiation in airspace and determination of the map and height position of the source of laser radiation. Such a system can be used, among other things, to protect the airport area from attackers who try to dazzle the pilots of landing and take-off planes with a beam of laser radiation.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Z patentu US 7460250 B2 je znám laserový triangulační systém pro měření vzdáleností soustavy bodů na objektu, ve kterém se na povrch objektu promítá svazek záření, načež se světlo odražené od objektu snímá fotodetektorem a z nasnímaných údajů se následně počítá vzdálenost bodů, a tedy velikost objektu. Toto řešení neumožňuje zjišťovat polohu zdroje laserového záření.Patent US 7460250 B2 discloses a laser triangulation system for measuring the distances of a system of points on an object, in which a beam of radiation is projected onto the object's surface, after which the light reflected from the object is scanned by a photodetector, and the distance of the points, and therefore the size of the object, is subsequently calculated from the scanned data. This solution does not allow detecting the position of the laser radiation source.

Z patentů US 20120087542 A1 a US 7521664 B2 je známo zařízení pro zjišťování směru, ze kterého je na snímač vysílán nízkovýkonový svazek záření, který bývá používán ve zbraňových zaměřovačích. Účelem je zjištění, zda dané záření pochází z ohrožujícího zdroje, či nikoli. Zařízení je tedy zaměřeno na určení úhlu dopadu laserového záření na snímací jednotku. Zařízení ale neumožňuje zjistit polohu zdroje laserového záření, když laserový paprsek nesměřuje přímo do snímače.Patents US 20120087542 A1 and US 7521664 B2 disclose a device for detecting the direction from which a low-power beam of radiation is sent to the sensor, which is used in weapon sights. The purpose is to determine whether the given radiation comes from a threatening source or not. The device is therefore aimed at determining the angle of incidence of laser radiation on the sensing unit. However, the device does not allow to determine the position of the laser radiation source when the laser beam is not directed directly at the sensor.

Úkolem technického řešení je navrhnout systém, který umožní automaticky zjišťovat polohu zdroje svazku laserového záření vysílaného do sledovaného prostoru.The task of the technical solution is to design a system that will allow to automatically determine the position of the source of the beam of laser radiation emitted into the monitored area.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedený úkol je vyřešen systémem pro lokalizaci zdroje svazku laserového záření, který obsahuje alespoň tři se vzájemným rozestupem uspořádatelné snímací soustavy, přičemž každá snímací soustava obsahuje alespoň jednu kameru a alespoň jedna snímací soustava je opatřena poziční jednotkou pro určování polohy její kamery, přičemž snímací soustavy jsou propojené s výpočetní jednotkou pro zpracovávání signálu z kamer a k nim náležejících pozičních jednotek.The above-mentioned task is solved by a system for locating the source of a laser beam, which includes at least three sensor systems arranged at a distance from each other, each sensor system including at least one camera, and at least one sensor system is provided with a positioning unit for determining the position of its camera, while the sensor systems they are connected to the computing unit for processing the signal from the cameras and the positional units belonging to them.

Snímací soustavy jsou přednostně uspořádané alespoň částečně navzájem přivrácené pro snímání společně monitorovaného prostoru.The sensing systems are preferably arranged at least partially facing each other for sensing the jointly monitored space.

S výhodou alespoň jedna snímací soustava obsahuje množinu alespoň dvou kamer uspořádaných tak, že jejich optické osy jsou navzájem různoběžné, nebo mimoběžné.Advantageously, at least one sensor system contains a set of at least two cameras arranged in such a way that their optical axes are different from each other, or off-center.

Alespoň jedna z kamer je přednostně opatřena optickou soustavou pro zesilování jasu obrazu, která obsahuje zesilovač jasu obrazu, úzkopásmový filtr a objektiv, které jsou tomto pořadí uspořádány před kamerou v její optické ose.At least one of the cameras is preferably provided with an optical system for enhancing the image brightness, which includes an image brightness amplifier, a narrow-band filter and a lens, which are arranged in this order in front of the camera in its optical axis.

Rovněž je výhodné, když poziční jednotka obsahuje lokalizační jednotku ve formě přijímače družicových signálů ze systémů GPS a/nebo Galileo a/nebo GLONASS pro určování geografické polohy poziční jednotky.It is also advantageous if the positioning unit contains a localization unit in the form of a receiver of satellite signals from the GPS and/or Galileo and/or GLONASS systems for determining the geographical position of the positioning unit.

Poziční jednotka s výhodou obsahuje výpočetní zařízení pro přepočet údajů z lokalizační jednotky na údaje v souřadnicovém systému.The positioning unit preferably contains a computing device for converting data from the localization unit to data in the coordinate system.

- 1 CZ 37617 U1- 1 CZ 37617 U1

Přednostně obsahuje poziční jednotka směrovou jednotku ve formě jedno- až tříosého magnetometru pro zjišťování směru natočení snímací soustavy nebo kamery vzhledem k magnetickému pólu.Preferably, the positioning unit contains a direction unit in the form of a one- to three-axis magnetometer for determining the direction of rotation of the sensing system or camera with respect to the magnetic pole.

Poziční jednotka může také s výhodou obsahovat náklonovou jednotku ve formě 3-osého akcelerometru pro zjišťování náklonu kamery nebo snímací soustavy vzhledem k vodorovné rovině.The position unit can also advantageously contain a tilt unit in the form of a 3-axis accelerometer for detecting the tilt of the camera or the sensing system relative to the horizontal plane.

S výhodou obsahují poziční jednotky komunikační jednotky, které jsou navzájem signálově propojené.Advantageously, the position units contain communication units that are signal-connected to each other.

Poziční jednotka přednostně obsahuje gyroskop a/ nebo alespoň jednu komponentu pro měření stavu okolního prostředí, která je vybraná ze skupiny, kterou tvoří barometr, teploměr a vlhkoměr.The position unit preferably contains a gyroscope and/or at least one component for measuring the state of the surrounding environment, which is selected from the group consisting of a barometer, a thermometer and a hygrometer.

Ve zvlášť výhodném provedení je alespoň jedna snímací soustava upevněna na plošině opatřené pohonem pro změnu jejího sklonu a/nebo natočení.In a particularly advantageous embodiment, at least one sensing system is fixed on a platform equipped with a drive to change its inclination and/or rotation.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Předložené technické řešení je vysvětleno na základě příkladů provedení systému pro lokalizaci zdroje svazku laserového záření a na základě výkresů, které schematicky a mimo měřítko znázorňují systém a jeho části, konkrétně obr. 1 příkladné provedení systému, obr. 2 první příklad snímací soustavy, obr. 3 druhý příklad snímací soustavy a obr. 4 schéma optické soustavy s kamerou v rozloženém stavu.The presented technical solution is explained on the basis of examples of the implementation of the system for the localization of the laser beam source and on the basis of drawings that schematically and out of scale show the system and its parts, specifically Fig. 1 exemplary implementation of the system, Fig. 2 the first example of the sensing system, Fig. 3 the second example of the sensing system and Fig. 4 a diagram of the optical system with the camera in the disassembled state.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of implementing a technical solution

Příkladné provedení systému podle tohoto technického řešení znázorněné na obr. 1 obsahuje trojici snímacích soustav 1, které jsou uspořádány se vzájemným rozestupem a přivráceny do monitorovaného prostoru 7.An exemplary embodiment of the system according to this technical solution, shown in Fig. 1, contains three sensing systems 1, which are arranged at a distance from each other and turned towards the monitored space 7.

Snímací soustavy 1 jsou signálově propojeny s výpočetní jednotkou 2, a to pomocí datových kabelů, nebo bezdrátově.The sensing systems 1 are signally connected to the computing unit 2, using data cables or wirelessly.

Výpočetní jednotka 2 tvořena počítačem.Computing unit 2 consists of a computer.

Každá snímací soustava 1 obsahuje kameru 10, jak je to znázorněno na obr. 2, nebo množinu kamer 10, jak je to znázorněno na obr. 3. V případě množiny kamer 10 v jedné snímací soustavě 1 jsou optické osy jednotlivých kamer 10 navzájem pootočeny, takže každá zabírá odlišnou oblast monitorovaného prostoru 7 a tyto oblasti na sebe navazují, případně se oblasti jejich záběru částečně překrývají.Each sensor system 1 contains a camera 10, as shown in Fig. 2, or a set of cameras 10, as shown in Fig. 3. In the case of a set of cameras 10 in one sensor system 1, the optical axes of the individual cameras 10 are rotated relative to each other, so that each one occupies a different area of the monitored space 7 and these areas follow each other, or their areas of coverage partially overlap.

Kamera 10 obsahuje fotosenzitivní obrazový snímač, např. CCD (Charge-Coupled Device) nebo CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) čip pro snímání obrazu. Kamera 10 může být uzpůsobena pro barevné snímání nebo pro monochromatické snímání s použitím zeleného úzkopásmového filtru.The camera 10 includes a photosensitive image sensor, such as a CCD (Charge-Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) chip for capturing the image. The camera 10 can be adapted for color imaging or for monochrome imaging using a green narrowband filter.

Přídavně může být kamera 10 opatřena optickou soustavou pro zesilování jasu obrazu, jak je to znázorněno na obr. 4. Tato optická soustava obsahuje dva objektivy 11, úzkopásmový zelený filtr 12 a zesilovač 13 jasu obrazu (image intensifier tube). Zesilovač 13 jasu obrazu obvykle obsahuje fotokatodu, vakuovou trubici, mikrokanálovou destičku (MCP) a stínítko z luminiscenčního materiálu. Kamera 10 a komponenty optické soustavy jsou uspořádány na společné optické ose 15.In addition, the camera 10 can be equipped with an optical system for enhancing the brightness of the image, as shown in Fig. 4. This optical system includes two lenses 11, a narrow-band green filter 12 and an amplifier 13 of image brightness (image intensifier tube). The image intensifier 13 typically includes a photocathode, a vacuum tube, a microchannel plate (MCP) and a luminescent material shield. The camera 10 and the components of the optical system are arranged on a common optical axis 15.

- 2 CZ 37617 U1- 2 CZ 37617 U1

Snímací soustava 1 může být opatřena výpočetní jednotkou pro zpracování obrazu, čímž se vytvoří decentralizovaný systém, nebo může být propojena se vzdálenou výpočetní jednotkou přes datový kabel, čímž se vytvoří centralizovaný systém.The sensing system 1 can be equipped with a computing unit for image processing, thereby creating a decentralized system, or it can be connected to a remote computing unit via a data cable, thus creating a centralized system.

Každá snímací soustava 1 nebo každá kamera 10 je opatřena poziční jednotkou 3.Each sensing system 1 or each camera 10 is equipped with a positioning unit 3.

Poziční jednotka 3 je uzpůsobena k určení pozice kamery 10, případně snímací soustavy 1, a pro určení směru optické osy kamery. Poziční jednotka 3 je za tímto účelem uspořádána v určité pevné a předem definované pozici vůči kameře 10, nebo snímací soustavě 1.The positioning unit 3 is adapted to determine the position of the camera 10, possibly the sensing system 1, and to determine the direction of the optical axis of the camera. For this purpose, the positioning unit 3 is arranged in a certain fixed and predefined position with respect to the camera 10 or the sensing system 1.

Součástí poziční jednotky 3 tak jsou:Positional unit 3 thus includes:

1. Lokalizační jednotka pro určení pozice poziční jednotky 3 a tím i kamery 10 nebo snímací soustavy 1. Lokalizační jednotka může být zvolena podle přesnosti a dostupnosti lokalizačních systémů v dané oblasti. Lze tedy využít lokalizační jednotku pracující na základě vícero systémů geolokace, nebo vícero lokalizačních jednotek, z nichž každá pracuje na jiném z vícero systémů, přičemž lze vybrat ze skupiny obsahující například systém GPS, GLONASS, Galileo, a lokalizační jednotka přednostně obsahuje rovněž výpočetní komponentu pro korelaci zjištěných dat a tím pro určení přesné polohy. Výstupem z lokalizační jednotky tak jsou přesná lokalizační data například v souřadnicovém systému WGS-84. Určení pozice lokalizační jednotky však lze definovat při jejím umístění na její pracovní místo a v tom případně lokalizační jednotka slouží pro výpočet odchylky použitého systému geolokace, který bude sloužit dalším lokalizační jednotkám pro dosažení větší přesnosti.1. The localization unit for determining the position of the positioning unit 3 and thus the camera 10 or the sensing system 1. The localization unit can be selected according to the accuracy and availability of localization systems in the given area. It is therefore possible to use a localization unit working on the basis of multiple geolocation systems, or multiple localization units, each of which works on a different one of the multiple systems, and can be selected from a group containing, for example, the GPS, GLONASS, Galileo system, and the localization unit preferably also contains a computing component for correlation of the detected data and thus to determine the exact position. The output from the localization unit is accurate localization data, for example, in the WGS-84 coordinate system. However, the determination of the position of the localization unit can be defined when it is placed at its workplace, and in this case, the localization unit is used to calculate the deviation of the used geolocation system, which will serve other localization units to achieve greater accuracy.

2. Směrová jednotka pro určování směru poziční jednotky 3 a tím i kamery 10 nebo snímací soustavy 1. Tato směrová jednotka obsahuje alespoň jeden jedno-až tří osový magnetometr. Směrová jednotka umožňuje určení směru natočení snímací soustavy 1, nebo kamery 10 oproti severnímu magnetickému pólu. Poziční jednotka 3 může obsahovat více magnetometrů pro přesnější určování směru a/nebo pro případné redukce chyb a/nebo pro získání redundance dat za účelem eliminace poruchy.2. Directional unit for determining the direction of the positioning unit 3 and thus the camera 10 or the sensing system 1. This directional unit contains at least one one- to three-axis magnetometer. The direction unit enables determination of the direction of rotation of the sensing system 1 or the camera 10 relative to the north magnetic pole. The position unit 3 may contain multiple magnetometers for more accurate direction determination and/or for possible error reduction and/or for obtaining data redundancy in order to eliminate a fault.

3. Náklonová jednotka pro určování náklonu poziční jednotky 3 a tím i kamery 10 nebo snímací soustavy 1 vzhledem k vodorovné rovině. Náklonová jednotka může být nebo obsahovat 3-osý akcelerometr, kterým určuje náklon. Náklonová jednotka může obsahovat množinu akcelerometrů, přičemž každý z nich je uspořádaný pod jiným úhlem naklonění (tedy jejich náklon vzhledem k vodorovné rovině se liší) pro eliminaci případných chyb.3. Tilt unit for determining the tilt of the positioning unit 3 and thus the camera 10 or the sensing system 1 with respect to the horizontal plane. The tilt unit can be or contain a 3-axis accelerometer to determine the tilt. The tilt unit may contain a set of accelerometers, each of which is arranged at a different tilt angle (that is, their tilt with respect to the horizontal plane is different) to eliminate possible errors.

4. Komunikační jednotka, která odesílá svou pozici ostatním komunikačním jednotkám pozičních jednotek 3, případně přijímá informace od komunikační jednotky té poziční jednotky 3, která byla stanovena jako přesně zaměřená. Součástí této komunikace mezi komunikačními jednotkami je čas zjištěný dle systému geolokace a zjištěná odchylka systému geolokace.4. The communication unit that sends its position to the other communication units of the positioning units 3, possibly receives information from the communication unit of the positioning unit 3 that has been determined as precisely aimed. Part of this communication between communication units is the time determined according to the geolocation system and the detected deviation of the geolocation system.

Poziční jednotka 3 dále může obsahovat gyroskop a/ nebo barometr, teploměr, vlhkoměr, pro měření vlastností atmosféry. Jedná se tak o samostatnou výpočetní část daného zařízení, která přesně zjišťuje výše popsané informace. Tyto informace následně předává výpočetní jednotky 2 a je s ní tedy signálově propojená.The position unit 3 can also contain a gyroscope and/or barometer, thermometer, hygrometer, for measuring the properties of the atmosphere. It is thus a separate computing part of the given device that accurately detects the information described above. This information is subsequently transmitted to computing unit 2 and is therefore signally connected to it.

Snímací soustava 1 dále může být jako celek umístěna na motorizované plošině 4 pro změnu náklonu a/nebo natočení snímací soustavy 1 za účelem pokrytí většího monitorovaného prostoru 7, čí za účelem změny snímané oblasti v určitou dobu a/nebo na pokyn.Furthermore, the sensor system 1 can be placed as a whole on a motorized platform 4 to change the tilt and/or rotation of the sensor system 1 in order to cover a larger monitored area 7, or to change the scanned area at a certain time and/or on instruction.

- 3 CZ 37617 U1- 3 CZ 37617 U1

Systém podle tohoto technického řešení pracuje následovně:According to this technical solution, the system works as follows:

Před zahájením používání systému podle tohoto technického řešení je potřeba rozmístit snímací soustavy 1 kolem monitorovaného prostoru 7. Jejich rozmístění, způsob překryvu snímaných oblastí, celkový počet použitých kamer 10 a dalších optických prvků a konkrétní parametry fotosenzitivního obrazového snímače závisejí na požadavcích na přesnost určování polohy zdroje svazku laserového záření a samozřejmě na velikosti monitorovaného prostoru 7.Before starting to use the system according to this technical solution, it is necessary to place the sensing systems 1 around the monitored area 7. Their distribution, the way of overlapping the scanned areas, the total number of used cameras 10 and other optical elements and the specific parameters of the photosensitive image sensor depend on the requirements for the accuracy of determining the location of the source beam of laser radiation and, of course, on the size of the monitored area 7.

Při používání objektivy 11 fokusují snímaný obraz na zesilovač 13 jasu. Filtr 12 propouští pouze určitou úzkou část elektromagnetického spektra. Zesilovač 13 jasu obrazu provádí znásobení světla přiváděného z filtru a toto světlo je následně snímáno pomoci kamery 10.In use, the lenses 11 focus the captured image on the brightness amplifier 13. Filter 12 passes only a certain narrow part of the electromagnetic spectrum. The image brightness amplifier 13 multiplies the light supplied from the filter and this light is then captured by the camera 10.

Data ze snímacích soustav 1 jsou přiváděna do výpočetní jednotky 2, přičemž obsahují obrazová data z jednotlivých snímacích soustav 1 a k nim přiřazené poziční informace. Výpočetní jednotka 2 dále může být využita pro samotné zpracování obrazu za účelem detekce svazku laserového záření v monitorovaném prostoru 7. V případě, že detekuje přítomnost svazku laserového záření, vypočítá směrový vektor daného svazku, případně polohu počátečního bodu, tedy polohu zdroje svazku laserového záření, nebo příslušné obrazové informace odešle do vzdáleného výpočetního zařízení pro provedení příslušného výpočtu.The data from the sensor systems 1 are fed to the computing unit 2, while they contain image data from the individual sensor systems 1 and the positional information assigned to them. Computing unit 2 can also be used for image processing itself in order to detect a beam of laser radiation in the monitored space 7. If it detects the presence of a beam of laser radiation, it calculates the direction vector of the given beam, or the position of the starting point, i.e. the position of the source of the laser beam, or sends the relevant image information to a remote computing device to perform the relevant calculation.

Systém podle tohoto technického řešení umožňuje výpočet polohy zdroje svazku laserového záření. Díky sledování trajektorie svazku laserového záření, nikoli tedy pouze místa dopadu svazku, může určit polohu zdroje svazku laserového záření i v případě, kdy je zdroj pro snímací soustavu 1 skrytý za terénem, tj. neviditelný pro pozorovatele.The system according to this technical solution enables the calculation of the position of the laser beam source. Thanks to tracking the trajectory of the laser beam, not just the point of impact of the beam, it can determine the position of the source of the laser beam even when the source for the sensing system 1 is hidden behind the terrain, i.e. invisible to the observer.

Claims

1. A system for locating the source of a laser radiation beam, characterized in that it includes at least three sensor systems (1) arranged at a distance from each other, each sensor system (1) containing at least one camera (10) and at least one sensor system (1) is equipped with a positioning unit (3) for determining the position of its camera (10), while the sensing systems (1) are connected to a computing unit (2) for processing the signal from the cameras (10) and the positioning units (3) belonging to them.

2. The system according to claim 1, characterized in that the sensing systems (1) are arranged at least partially facing each other for sensing the jointly monitored space (7).

3. The system according to claim 1 or 2, characterized in that at least one sensing system (1) contains a set of at least two cameras (10) arranged in such a way that their optical axes (15) are different from each other or out of alignment.

4. The system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the cameras (10) is equipped with an optical system for enhancing image brightness, which includes an amplifier (13) of image brightness, a narrow-band filter (12) and a lens (11 ), which are respectively arranged in front of the camera (10) in its optical axis (15).

5. The system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the positioning unit (3) contains a localization unit in the form of a receiver of satellite signals from the GPS and/or Galileo and/or GLONASS systems for determining the geographical position of the positioning unit (3).

6. The system according to claim 5, characterized in that the positioning unit (3) contains a computing device for converting data from the localization unit to data in the coordinate system.

7. The system according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the positioning unit (3) contains a direction unit in the form of a one- to three-axis magnetometer for detecting the direction of rotation of the sensing system (1) or the camera (10) relative to the magnetic pole.

8. The system according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the positioning unit (3) contains a tilt unit in the form of a three-axis accelerometer for detecting the tilt of the camera (10) or the sensing system (1) relative to the horizontal plane.

9. The system according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the position units (3) contain communication units which are signally connected to each other.

10. System according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the positioning unit (3) contains a gyroscope and/or at least one component for measuring the state of the surrounding environment, which is selected from the group consisting of a barometer, a thermometer and a hygrometer.

11. The system according to any one of claims 1 to 10, characterized in that at least one sensor system (1) is fixed on a platform (4) equipped with a drive to change its inclination and/or rotation.