NO332432B1 - System for deteksjon og avbildning av objekter i banen for marine fartoy - Google Patents

Abstract

System for deteksjon og avbildning av objekter (16) i banen for hurtigbåter og andre marine fartøy og varsling om objekter som kan være en fare for navigasjonssikkerheten, hvilke fartøy fortrinnsvis er forsynt med et navigasjons- og kommunikasjonssystem (28), hvilket system for deteksjon og avbildning av objekter (16) i banen for hurtigbåter og andre marine fartøy og varsling om objekter som kan være en fare for navigasjonssikkerheten omfatter en sveipeenhet (10) for belysing av objekter (16) innenfor synsfeltet til systemet, samt en kontrollenhet (11) og et operatørpanel (12). Sveipeenheten (10) omfatter en lyskilde (30), fortrinnsvis en øyesikker IR-laser, innrettet for utsending av en laserstråle (33), optiske detektorer (34, 38) for overvåkning av laserstrålens (33) utgangseffekt, samt mottak og deteksjon av strålingsenergi reflektert fra objekter (16), hvilken sveipeenhet (10) er innrettet for sveiping av laserstrålen (33) og den optiske detektorens (38) instantane synsfelt over det aktuelle sveipeområdet for å erverve retningsinformasjon relatert til den instantane stråleretningen relativt til fartøyet.

Description

System for deteksjon og avbildning av objekter i banen for marine fartøy

Oppfinnelsen gjelder et system for deteksjon og avbildning av objekter i banen for hurtigbåter og andre marine fartøy, samt varsling om objekter som kan være en fare for navigasjonssikkerheten, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Bakgrunn

Medøkende hastighet på fartøy i passasjer-, bil- og godstrafikk er konsekvensene ved kollisjoner med flytende gjenstander blitt desto større. I de seinere årene har bl.a. antallet containere som er skyllet over bord økt i stor grad, og som sammen med drivende tømmer, små fritidsbåter og også enkelte hvalarter representerer en stor risiko for ulykker til sjøs.

Fra patentpublikasjonen US 5,465,142 er det kjent et sveipende laser-radar-system for deteksjon av hindringer for helikoptre og andre luftfartøy. Laser-radar-teknologien som sådan er beskrevet relativt detaljert i "IR/EO Systems Handbook", SPIE, 1993.

Hurtiggående fartøy er, i tillegg til radar, gjerne utstyrt med et lavlys-videokamera plassert så høyt som mulig for å gi bedre oversikt over farvannet foran fartøyet. Slike systemer er imidlertid svært avhengig av lysforholdene og er lite brukbare ved nattseilas i overskyet vær.

I de senere år har også passiv IR-avbildning basert på FLIR ("Forward Looking Infra-Red") teknologien vært brukt for nattsyn og deteksjon av flytende objekter. Denne teknikken baserer seg på deteksjon av små temperaturforskjeller mellom objektet og omgivelsene, og for objekter som har ligget lenge i sjøen kan temperaturforskjellene være svært små og vanskelig å detektere.

Hverken lavlyskamera eller IR systemer er imidlertid i stand til å angi en nøyaktig avstand til objekter innenfor synsfeltet.

Fra US 6,344,937 er det kjent et optisk system for styring av en lysstråle, der systemet omfatter to stråleavbøyningselementer, der hvert av avbøyningselementene er anordnet til en motor for rotasjon av avbøyningselementene.

US 2007035624 beskriver et system for deteksjon av objekter på og under overflaten ved fortrinnsvis bruk av en projisert (ikke sveipet) horisontal strålevifte med fortrinnsvis en fast innfallsvinkel (1 til 15 grader) mot overflaten. Det er også angitt bruk av en "scanning spot LIDAR" hvor stråleviften er erstattet med en suksesjon av overlappende laserstråler. Stråleviften belyser en linje (stripe) foran fartøyet på tvers av fartøyretningen med en bredde gitt av viftevinkelen og innfallsvinkel mot overflaten. Avbildningen skjer ved at fartøyet beveger seg fremover slik at overflaten blir dekket av suksessive striper.

I US 6,693,561 er det beskrevet et system for deteksjon av objekter på og under sjøoverflaten basert på bruk av to lysstråler i henholdsvis den ultrafiolette ("blå" stråle, 300-475 nm) og den infrarøde ("rød" stråle, 650-1500 nm) del av det optiske spektrum. Den blå strålen dekker et område nær fartøyet, mens den røde dekker et område lengre unna fartøyet og som ikke overlapper med den første sonen. Systemet er basert på bruk av pulset belysning slik at avstanden til objekter kan bestemmes. Metoden er videre basert på at den blå strålen brytes i vannoverflaten og transmitteres i vannmassene, slik at refleksjoner fra objekter under vannflaten kan detekteres, mens den røde strålen reflekteres fra vannoverflaten for deteksjon av objekter på og over vannflaten.

Fra JP 10-293178 er det kjent et laser radar system for å øke avstands- og vinkelnøyaktigheten, samt deteksjonsevnen ved bruk av overlappende stråler. Dette gjøres ved at sveipevinkel-intervallet er mindre enn strålebredden.

US 7,336,407 Bl er det kjent et sveipe-/pekesystem for deteksjon av fiendtlige fly og missiler, hvilket system benytter et par Risley prismer for sveiping/peking av en laserstråle. For å få til asimut sveiping må hele sveipehodet roteres som et hele, noe som gjør det vanskelig å oppnå tilfredsstillende sveipehastighet for marin laser radar.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape et system for bruk på hurtigbåter og andre fartøyer for å detektere og varsle om flytende gjenstander og andre hindre for navigasjon i fartøyets bane som løser problemene beskrevet ovenfor ved kjent teknikk. Det er videre et formål med systemet at det skal fungere under alle lysforhold, både dag og natt, og gir en tredimensjonal avbildning av objekter på og over sjøoverflaten innenfor en gitt sektor, inklusive nøyaktig avstandsmåling til objektet. Det er videre et formål med systemet at det skal gi en forbedret avbildning under vanskelige siktforhold ved tåke og nedbør sammenlignet med lavlyskamera og passive IR-systemer.

Det er til slutt et formål at systemet skal være innrettet for stabilisering av sveipeområdet i både horisontal- og vertikalplanet ved fartøyets rull- og stampbevegelser, samt kortvarige avvik fra styrt kurs (giring) slik at fartøyets bevegelser ikke har innvirkning på systemets kvalitet.

Oppfinnelsen

Et system i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Fordelaktige trekk ved systemet er angitt i de øvrige patentkravene.

Oppfinnelsen angår et system for bruk på hurtigbåter og andre fartøy som har som oppgave å detektere og varsle om flytende gjenstander og andre hindre for navigasjon i fartøyets bane.

Systemet fungerer under alle lysforhold, både dag og natt, og gir en tre-dimensjonal avbildning av objekter på og over sjøoverflaten innenfor en gitt sektor, inklusive nøyaktig avstandsmåling til objektet. I tillegg kan systemet gi en forbedret avbildning under vanskelige siktforhold ved tåke og nedbør sammenlignet med lavlyskamera og passive IR- systemer.

Valg av laserbølgelengde gjør systemet absoluttøyesikkert iht. gjeldende norsk og internasjonal standard for øyesikkerhet<1>, selv ved betraktning gjennom en kikkert for marint bruk.

I likhet med tradisjonell marin radar fungerer systemet ved at en pulset laserstråle sveiper over synsfeltet og detekterer energien som reflekteres passivt fra overflaten. Ved å benytte korte pulser i det infrarøde bølgelengdeområdet kan man oppnå en oppløsning i cm-området både lateralt og longitudinalt (avstandsoppløsning). I motsetning til tradisjonell marin radar sveipes laserstrålen både vertikalt og horisontalt, slik at man får en tredimensjonal avbildning. Dette gjør det mulig også å måle bølgehøyde og høyde av objekter relativt til sjøoverflaten (eksempelvis brospenn, etc).

I motsetning til laser-radar-systemer for posisjonering og målfølging ("tracking") som er basert på bruk av kooperative elementer (retro-reflektorer), er oppfinnelsen basert på passiv refleksjon av innfallende lysstråling som for et tradisjonelt kamera.

Systemet i samsvar med oppfinnelsen vil kunne oppfylle alle krav som er nedfelt i IMO's standard for "Night Vision" IMO Res. MSC.94(72)<2>og vil kunne typegodkjennes iht. ISO's prøvings-standard, ISO 16273:2003(E)<3>.

Systemet omfatter i hovedsak en sveipeenhet (sveipehode) som plasseres på styrehustak eller i mast med fritt utsyn over det aktuelle synsområdet, og en operatør-/skjermenhet plassert i styrehuset innenfor navigatørens primære synsfelt.

Sveipeenheten omfatter fortrinnsvis to sveipemekanismer, en som sveiper laserstrålen langs en vertikal linje (linjesveiper) og en som sveiper denne linjen horisontalt over det aktuelle synsfeltet (asimutsveiper). Sveipearrangementet er konstruert slik at det kan stabilisere sveipet for rull- og stampbevegelser, samt små kursavvik til fartøyet for å gi et stabilt bilde av omgivelsene. Sveipeenheten omfatter videre fortrinnsvis en optisk sensorenhet som detekterer de reflekterte laserpulsene, samt raske analoge kretser og mikroprosessorer som måler avstanden til de reflekterende objektene basert på tidsforsinkelsen mellom utsendt og reflektert puls, samt energi og spisseffekt til pulsene.

Operatør-/skjermenheten omfatter fortrinnsvis signal- og kontrollprosessorer for prosessering av de optiske sensorsignalene, samt vinkelinformasjonen fra enkodere på motorakser som driver sveipearrangementet. Her blir også informasjonen fra rull- og stampsensorene behandlet for å gi styringsinformasjon til stabilisering av sveipet.

De detekterte optiske signalene blir så prosessert sammen med vinkelinformasjonen fra sveipemekanismene og ekstern navigasjonsdata (posisjon, fart, rull, stamp og hiv) slik at posisjonen og intensiteten til hver enkelt reflektert laserpuls kan presenteres i geografiske koordinater (Lat/Lon/Høyde) og som billedinformasjon på en skjerm. Denne billedinformasjonen kan vises både i sentralprojeksjon som for et kamera eller i vertikalprojeksjon (PPI) som for en radar. Videre blir bildeinformasjonen analysert i en ARPA modul for å fastlegge nærmeste avstand ("Closest Point of Approach, CPA") og tid til nærmeste avstand (TCPA) for objekter i nærheten av fartøybanen. Dersom CPA er innenfor en definert sikkerhetssone for fartøyet, vil det bli sendt en ARPA melding iht. NMEA/IEC standard4 til andre navigasjonsmonitorer (ECDIS, Radar), eventuelt også til fartøyets alarmsystem.

Ytterligere detaljer og fordelaktige trekk ved oppfinnelsen vil komme frem av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nå bli mer detaljert med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor:

Fig. la og fig. lb viser et fartøy forsynt med et system i samsvar med oppfinnelsen,

Fig. lc viser en sveipeenhet,

Fig. Id viser et/en operatørpanel/skjerm,

Fig. 2 viser et eksempel på fordeling av fotavtrykk og oppløsningselementer i et plan normalt på senteraksen,

Fig. 3 viser et blokkdiagram av en fartøyinstallasjon,

Fig. 4 viser et tverrsnittsriss av en sveipeenhet i samsvar med oppfinnelsen,

Fig. 5a-d viser prinsippet for en sveipemekanisme i samsvar med oppfinnelsen,

Fig. 6 viser skjematisk den analoge signalprosesseringen for systemet, og

Fig. 7 viser skjematisk en oversikt over delprosesser for systemet.

Henviser først til Fig. la og Fig. lb som illustrerer et fartøy forsynt med et system i samsvar med oppfinnelsen, heretter omtalt som et marint laser-radar-system, forkortet MLR-system. MLR-systemet omfatter en sveipeenhet 10 (sveipehode) (vist forstørret i Fig. lc), en kontrollenhet 11 og et operatørpanel (skjerm) 12 (vist i Fig. Id). Sveipeenheten 10 anordnes på en mast eller til en annen plattform over styrehustaket til et fartøy med best mulig sikt til observasjonsområdet. Kontrollenheten 11 monteres i styrehuset til fartøyet og integreres med eksisterende strøm-forsyning, navigasjonsutstyr, monitorer og intern kommunikasjon for å vise både video- og radarbilder, samt for å varsle om detekterte obstruksjoner i en planlagt fartøybane.

MLR-systemet kan både avsøke en sektor omkring en senterakse 13 ved å sveipe en infrarød laserstråle vertikalt innenfor en vertikal sektor 14 og horisontalt innenfor en horisontal sektor 15

eller ved en kontinuerlig rotasjon i horisontalplanet (som for en tradisjonell radar). Senteraksen 13 kan velges vilkårlig innenfor 360 grader horisontalt fra operatørpanelet. Avstanden til et objekt 16 innenfor sveipesektoren måles ved bruk av pulset laserlys og ved å registrere tiden fra utsendelse til retur av den reflekterte laserpulsen, som for tradisjonell radar. Derav betegnelsen La se r-Ra da r

(LR).

En laser belyser et lite areal 17 (fotavtrykk, Fig. 2) med en utstrekning gitt av laserens åpnings-vinkler og avstanden til objektet 16. Dette arealet blir samtidig avbildet på en optisk detektor som kan være et enkelt detektorelement eller en matrise (array) av detektorelementer. Detektormatrisen kan ha en lineær eller kvadratisk fordeling av elementer. Ved bruk av en detektormatrise vil vi få en romlig oppløsning innenfor det belyste arealet gitt av antallet elementer i detektormatrisen. Et eksempel på fordeling av fotavtrykk og oppløsningselementer i et plan normalt på senteraksen 13 er vist i Fig. 2 for en kvadratisk detektormatrise med 4x4 (16) elementer. Dette regulære mønsteret fremkommer ved å sveipe laserstrålen omkring to akser vha. to uavhengige sveipemekanismer 19, 20 (sveipere), vist i Fig. 3. Den første sveipemekanismen 19 fordeler laserflekkene langs en linje 18, mens den andre sveipemekanismen 20 parallellforskyver disse linjene slik at de fyller hele betraktningsfeltet i asimut. Skuddtakten til laseren og forskyvningen av linjene er gjort slik at synsfeltet er dekket av delvis overlappende laserflekker. En kontinuerlig avsøkning av sveipesektoren gjøres ved at retningen på horisontalsveipet snus hver gang sektorgrensene er nådd eller ved en kontinuerlig horisontal rotasjon.

Henviser nå til Fig. 3 som viser et blokkdiagram av en fartøyinstallasjon. Sveipeenheten 10 omfatter foruten de to nevnte sveipemekanismene 19 og 20, en optikk-/sensorenhet 21, en laserkontrollenhet 22 og et optisk vindu 23, mens kontrollenheten 11 omfatter en sveipemotorkontroller 24, sensorelektronikk 25, tidsstyrings- og kontrollelektronikk 26 og en signal- og kontrollprosessor 27. Signal- og kontrollprosessoren 27 er forsynt med utganger for tilkopling til operatørkontrollenheten 12 og fartøyets navigasjons- og kommunikasjons system 28.

Henviser nå til Fig. 4 som viser et tverrsnittsriss av sveipeenheten 10. Belysningskilden i systemet er fortrinnsvis enøyesikker IR-laser 30 med en fiberoptisk 31 mating av laserlyset til en optisk kollimator 32 som omformer laserlyset til en stråle 33 med et fotavtrykk ("footprint") som er tilpasset fordelingen av elementene i detektormatrisen. En liten del av strålen 33 blir ført til en optisk detektor 34 via en stråledeler 35 for overvåkning av utgangseffekten og generering av en startpuls for avstandsmålingen. Optikk-/sensorenheten 21 omfatter videre et optisk filter 36 for eliminasjon av bakgrunnslys, en samlelinse (objektiv) 37 for mottak av det filtrerte lyset som reflekteres tilbake fra objekter 16 i synsfeltet og en optisk detektor 38 i fokus for et mottaker- objektiv. Samlelinsen 37 kan være en asfærisk Fresnel linse som vist i figuren eller andre linsekombinasjoner med et lavt F-tall og med en oppløsningsevne bedre enn dimensjonene på detektorelementene i den optiske detektoren 34.

Alle de optiske komponentene; sveipemekanisme 19 og 20, optikk-/sensorenhet 21 og laser er montert på en felles mekanisk plattform 39 (stiplet i Fig. 4) som roteres om hovedaksen 40 vha. en sveipemotor41.

Den første sveipemekanismen 19 omfatter to kontraroterende optiske avbøyningselementer 43, 44 som blir drevet av to motorer 45, 46 med innvendige rotorer. Avbøyningselementene 43,44 kan være kileprismer, optiske transmisjonsgitre ("Volume Bragg Grating, VBG") eller diffraktive optiske elementer (DOE), som alle har den egenskapen at de bøyer av en innkommende optisk stråle med en fast vinkel. Ved høye rotasjonshastigheter på sveipemotoren 41 er det fordelaktig å bruke et diffraktivt optisk element (DOE) eller et optisk transmisjonsgitter (VBG) som stråle-avbøyer for å få en balansert rotator. Ved hjelp av dette arrangementet blir både laserstrålen og synsfeltet for objektivet 37 sveipet langs en tilnærmet rett linje med en orientering gitt av de innbyrdes vinklene mellom avbøyningselementene 43, 44 (ytterligere omtalt under Fig. 5 nedenfor).

Etter avbøyning i første sveipemekanisme 19 blir laserstrålen og mottakersynsfeltet avbøyd av den andre sveipemekanismen 20 som er en speilflate 47, ca. 45 grader på hovedaksen 40. Sveipemønsteret kan stabiliseres for rull-bevegelser av fartøyet ved å fasestyre de to sveipemotorene 43, 44 (ytterligere forklart under Fig. 5d nedenfor). I tillegg kan speilet 47 vippes om en akse 48 normalt på hovedaksen 40 vha. en motor 49 for å stabilisere sveipemønsteret i forhold til horisontalplanet ved stampbevegelser av fartøyet.

Videre omfatter sveipeenheten 10 en roterbarsleperingskonnektor42 som også kan inneholde en roterbar optisk fiberkonnektor dersom laseren er plassert utenfor sveipeenheten 10, samt strømforsyning/laserkontroller 22. På denne måten kan, som et alternativ til oppsettet beskrevet ovenfor, laserlyset 16 føres gjennom en optisk fiber fra en laser som er montert i kontrollenheten 12 via. den roterbare fiberoptiske konnektoren i den roterbare konnektoren 42.

Alle delene i sveipeenheten 10 er fortrinnsvis montert i et vanntett sylindrisk hus 50 med et sylindrisk vindu 23 for transmisjon av laserlys og reflektert lys fra belyste objekter 16 i synsfeltet.

Henviser nå til Fig. 5a-b som viser prinsippet for den første sveipemekanismen 19, som er en såkalt linjesveiper. En normalt innfallende laserstråle blir avbøyd i en retning 51 normalt på stripe-mønsteret (hovedretningen) i et DOE/VBG 43, og når denne roterer om hovedaksen vil strålen beskrive en sirkel 52 i et plan normalt på hovedaksen 40 (Fig. 5a). Ved å plassere en ny DOE/VBG 44 etter den første (Fig. 5b) vil strålen bli avbøyd på nytt i en retning bestemt av hovedretningen til denne. Dersom hovedretningene er sammenfallende for de to DOE/VBG-ene 43,44 vil vi for små vinkler (< 5 grader) få at den totale avbøyningen blir den dobbelte av avbøyningen for de enkelte DOE/VBG-ene 43,44. Når man roterer de to DOE/VBG-ene 43, 44 med samme hastighet i hver sin retning vil strålen beskrive en tilnærmet rett linje 53 med en retning gitt av differensen mellom hovedretningene for de to DOE/VBG-ene 43,44. Ved konstant rotasjonshastighet vil den totale avbøyningen være gitt som en sinusfunksjon av tiden og med amplitude lik den dobbelte av avbøyningen for DOE/VBG-ene 43, 44.

Avviket fra en rett linje (Fig. 5b) skyldes avstanden mellom DOE/VBG-ene 43, 44 og er lik diameteren i den sirkelen 52 som strålen fra den første DOE/VBG-en 43 beskriver på den andre DOE/VBG-en 44 (i størrelsesorden 1 mm). Imidlertid vil retningen være den samme, uavhengig av denne forskyvningen, slik at på lengre avstander vil dette avviket ikke være merkbart.

For å generere et regulært og stabilt sveipemønsteret som vist i Fig. 2 er det noen forutsetninger som må være oppfylt. For at de vertikale linjene 18 (Fig. 2) skal forskyves parallelt med hverandre ved rotasjon av den andre sveipemekanismen 20, dvs. speilet 47, må sveipelinjene 53 ligge i innfallsplanet 54 loddrett på speilflaten 47, noe som betyr at sveipelinjene 53 må roteres synkront med rotasjonen av sveipespeilet 47, se Fig. 5c. Dette oppnås ved at den første sveipemekanismen 19, den andre sveipemekanismen 20, optikk/sensor enheten 21 og laser er montert på en felles mekanisk plattform 39 (stiplet i Fig. 4), som igjen roteres om hovedaksen 40 vha. sveipemotoren 41.

Ved bruk av en punktdetektor i stedet for en detektormatrise kan dette alternativt gjøres ved å inkrementere fasen til motoren 46 for den andre DOE/VBG-en 44 i forhold til den første DOE/VBG-en 43 for hver halve rotasjon, slik at dreiningen av sveipelinjen blir lik dreievinkelen for sveipespeilet 47.

Det beskrevne sveipearrangementet gjør det også mulig å stabilisere sveipemønsteret for rull-og stampbevegelser, samt små kursawik (giring) for fartøyet på en relativt enkel måte. Som illustrert i Fig. 5d, vil en rotasjon av sveipelinjen 53 en liten vinkel ut av innfallsplanet 54 for speilflaten 47 medføre en tilsvarende rotasjon av de vertikale sveipelinjene 17. På samme måte vil en vipping av speilet 47 om den andre aksen 48 bevege sveipemønsteret opp eller ned i forhold til horisontalplanet. Dersom laserstrålen er orientert i fartøyets lengderetning (rullakse) vil en ruII-bevegelse kompenseres ved å dreie sveipelinjen 53 en vinkel lik rullvinkelen, men med motsatt fortegn. Likeledes må vi for å kompensere for stampbevegelser dreie speilet 47 en vinkel lik stampvinkelen, men med motsatt fortegn. Små avvik fra planlagt kurs (giring) korrigeres ved å dreie speilet 47 om hovedaksen 40. For andre orienteringer (asimut) av laserstrålen blir kompensasjonsvinklene gitt av kjente transformasjoner av rull-, stamp- og giringsvinklene.

De to DOE/VBG-ene 43, 44 i den første sveipemekanismen 19 er fortrinnsvis montert i rotor-delen av konvensjonelle børsteløse DC-motorer som roterer på et turbin-type-lager. En reflektiv optisk sensor, fortrinnsvis bestående av en LED og en foto-transistor, registrerer posisjon og hastighet til DOE/VBG-ene 43, 44. Sveipemotorkontrolleren 24 består fortrinnsvis av konvensjonelle elektroniske servo-drivenheter som justerer hastighet og fase til DOE/VBG-ene 43, 44 basert på inngangssignaler fra posisjonssensorer og valgte verdier for sveiperetning og sveipehastighet fra operatørkontrollenheten 11.

Den andre sveipemekanismen 20 er fortrinnsvis kontrollert av en konvensjonell stepmotor/ drivenhet. Steppingen av motoren er synkronisert med den første sveipemekanismen 19, slik at starten av steppet begynner like før sveipelinjen 53 har nådd ytterpunktet og er avsluttet når sveipelinjen 53 begynner å gå i motsatt retning.

Motoren 49 for stabilisering av sveipespeilet 47 i den andre sveipemekanismen 44 er fortrinnsvis også en konvensjonell servomotor/drivenhet som styres av rull- og stampvinkel-informasjonen fra fartøyets navigasjonssystem (attitydesensorer), samt den horisontale (asimut) retningen til laserstrålen 33.

Sensor- og kontrollelektronikkenheten 25 gir startpulser til laseren 30 og prosesserer signalene fra fotodetektorene for å ekstrahere reflektert intensitet og avstand til objekter 16 i synsfeltet for detektoren, samt utgangseffekt til laseren 30. Den analoge signalprosesseringen er typisk for nyere radar- og laser-radar-systemer og er vist skjematisk i Fig. 6.

En puls- og funksjonsgenerator 55 mottar synkroniseringspulser (master trig, MT) fra signal- og kontrollprosessoren 27 når sveipeenheten 10 har nådd en vinkelposisjon i det regulære sveipe-mønsteret, og genererer et startsignal for laseren 30 slik at denne sender ut en laserpuls.

Strømpulsene fra fotodetektorene 38 forsterkes i strøm- og spenningsforsterkere 56 og går videre til til TVG-forsterkere 57 (time-varied-gain), hvor forsterkningenøker med tiden for å kompensere for svekkingen pga. sfærisk utbredelse og optisk attenuasjon i luftlaget mellom sveipeenhet 10 og reflekterende objekter 16. Tidsfunksjonen for forsterkningen velges fra operatørpanelet 11 og genereres i puls- og funksjonsgeneratoren 55 vha. klokkepulser fra en digitaliseringsenhet 58. Et endelig sett av tidsfunksjoner som er representativ for forskjellige siktforhold (klart, disig, regn, tåke) er implementert i puls- og funksjonsgeneratoren 55.

Mottakerpulsene fra en av TVG-forsterkerne 57 går videre til en analog MUX 59 (multiplekser) som også mottar signalet fra referansedetektoren 34. MUX-en 59 styres fra puls- og funksjonsgeneratoren 55, slik at laserpulsen slipper gjennom når laseren 30 fyres mens mottakersignalet først slipper gjennom når internt reflekterte pulser fra mottakeroptikken er dødd ut.

De analoge signalene blir så sendt via kabel til digitaliseringsenheten 58 i kontrollenheten 12. Digitaliseringsenheten 58 inneholder fortrinnsvis en rask A/D-omformer, databuffer og klokke og overfører de digitaliserte signalene til signal- og kontrollprosessoren 27 via et raskt digitalt grensesnitt (PCI).

Den videre prosesseringen av signalene gjøres i signal- og kontrollprosessoren 27 som er basert på en konvensjonell, modulær DSP-arkitektur der de enkelte prosessene er fordelt på flere digitale signalprosessorer (DSP), styrt av en PC-prosessor via et PCI-grensesnitt.

Henviser nå til Fig. 7 som viser en skjematisk oversikt over de enkelte delprosessene. Tids-forløpet for mottakersignalet mellom hver laserpuls blir analysert for forekomst av pulser som overstiger en terskel gitt av signal-til-støyforholdet og en gitt sannsynlighet for falsk deteksjon. Den første pulsen er alltid den utgående laserpulsen, og toppunktet som representerer spiss-effekten til laserpulsen fra referansedetektoren 34 blir registrert sammen med nøyaktig tidspunkt for utsendelsen. De resterende pulsene representerer enten tilbakespredt lys fra partikler i luftlaget (regn, snø, etc), refleksjon fra objekter 16 eller falske støypulser. For å skille objektpulsene fra tilbakespredte pulser baserer detektoren 34 seg på den enkle hypotesen at laserpulsen blir stoppet av faste objekter 16 med utstrekning større enn laserflekken, slik at den siste detekterte pulsen med stor sannsynlighet representerer refleksjon fra objektet 16. Etter at den utgående laserpulsen er detektert, starter derfor søkeprosessen i enden av tidsserien og tilbake i tid. Den siste pulsen blir registrert på samme måte som laserpulsen, med spissverdi og en nøyaktig, interpolert verdi for deteksjonstidspunket. Deretter blir spissverdien normalisert mht. laserens spisseffekt for å korrigere for variasjoner i utsendt effekt, og avstanden til objektet blir beregnet ved å trekke fra tidspunktet for utsendt puls og multiplisere med halve lyshastigheten (pga. toveis transmisjon).

De registrerte intensitets- (spiss) og avstandsverdiene blir sendt til linjegeneratoren hvor alle verdiene for en vertikal sveipelinje blir akkumulert. Hvert punkt blir deretter merket med den vertikale sveipevinkelen fra sveipevinkeldekoderen og hver linje blir merket med den horisontale sveipevinkelen samt en tidsmerking fra en ekstern tidsreferanse.

Intensitetsverdiene blir videre korrigert for avvik fra den valgte TVG-funksjonen (radiometrisk korreksjon) slik at intensitetsverdiene representerer reflektiviteten til objektene 16 og ikke forskjeller i belysning.

Ved hjelp av navigasjonsdata (posisjon, kurs, fart, rull, stamp og hiv) kan vi transformere datapunktene fra relativ avstand, asimut og vertikal vinkel til geografiske koordinater; lat, lon og høyde over havflaten. Dette gjøres i prosessen kalt "geometrisk oppretting" (Fig.7). Dersom laserstrålen og synsfeltet ikke er stabilisert slik som beskrevet tidligere, kan man bruke navigasjonsdata til å korrigere for rull- og stampbevegelser, samt kursendringer (giring) før presentasjon på den grafiske monitoren.

De korrigerte linjedataene blir samlet i et sveipdata-lager som representerer et komplett sveipe-bilde. Sveipdata-lageret blir oppdatert linje for linje ettersom nye linjer blir generert. Den grafiske presentasjonsprosessoren henter data fra sveipdata-lageret og generer sveipebilder i både sentralprojeksjon som et kamera og i vertikal projeksjon (PPI) som for en radar.

ARPA-modulen analyserer sveipe-lageret for deteksjon av objekter 16 innenfor sveipesektoren. Detekterte objekter 16 blir samlet i en objektdatabase og klassifisert som stasjonære eller bevegelige basert på korrelasjon fra sveip til sveip. For alle objekter 16 blir det beregnet en nærmeste avstand (CPA) og tid til nærmeste avstand (TCPA) som for en konvensjonell ARPA-radar. Dersom CPA er innenfor en definert sikkerhetssone for fartøyet, vil det bli sendt en ARPA-melding iht. NMEA/IEC-standard4 til andre navigasjons-monitorer (ECDIS, Radar), samt også til fartøyets alarmsystem.

Modifikasjoner

Det beskrevne marine laser radar systemet kan implementeres på en rekke alternative måter med alternative valg av komponenter. Det er allerede nevnt at linjesveiperen 45, 46 (Fig. 4) kan implementeres med en rekke optiske komponenter 43,44 (Fig. 4) som alle har den egenskapen at de kan avbøye en laserstråle med en fast vinkel i forhold til den innfallende strålen, så som prismer (kileprismer), optiske transmisjonsgitre og holografiske elementer (HOE). Av disse peker optiske transmisjonsgitre ("Volume Bragg Grating, VBG") og HOE-er seg ut som velegnede komponenter i den her beskrevne roterende konstruksjonen. Også nevnt er muligheten for å anvende både linje-array og kvadratiske array som detektor 38 (Fig. 4) for å kunne øke sveipehastigheten i forhold til bruk av enkeltdetektorer, samt at laseren kan være montert i den roterbare delen av sveipeenheten 30 (Fig. 4) eller montert på den stasjonære delen av sveipeenheten og at laserenergien tilføres gjennom den sentrale delen av den roterbare konnektoren 42 (Fig. 4). Dette kan gjøres enten ved at laserenergien koples via en roterbar fiberoptisk konnektor eller ved at fiberoptisk konnektor/kollimator 32 (Fig. 4) monteres i bunnen av sveipeenheten og at laserstrålen går uhindret gjennom et sentralt hull (boring) i roterbar konnektor. Den første metoden vil være begrenset av lasereffekten pga. mulig tilbakekopling fra refleksjoner i fibertermineringen, mens den andre metoden krever at laseren har et sirkulært stråletverrsnitt som overlapper synsfeltet for detektormatrisen. Ved de høye sveipehastighetene som den her beskrevne anvendelsen medfører, er linjesveiperen et kritisk element. Tradisjonelt er linjesveipere implementert vha. vibrerende enkeltspeil eller roterende multifasett-speil. Slike arrangement er mye brukt i laser-sveipere, hvor bare laserstrålen skal sveipes. Ved sveiping av større speil, noe som kreves i avbildende systemer, får disse systemene fort store dimensjoner (multifasett-speil) og er effekt-krevende (vibrerende speil), hvorav vibrerende speil også genererer store vibrasjoner i den opto-mekaniske konstruksjonen.

Dersom store dimensjoner på sveipeenheten kan tolereres, er det mulig å implementere det her beskrevne sveipearrangement vha. en roterende multifasett-speilsveiper. Denne vil i så fall erstatte linjesveiperen 45,46 (Fig. 4).

For asimuth-sveiperen (sveipemekanisme 20) kan man som alternativ til den interne rotasjonen av sveipe- og detektorarrangementet la hele sveipeenheten rotere vha. en ekstern motor. I dette tilfellet vil det sylindriske vinduet 23 (Fig. 4) kunne erstattes av et rektangulært vindu som dekker synsfeltet for deteksjonssystemet.

Referanser

1. NEK EN 60825-1/ IEC 60825-l,Ed 1.2, 2001-08; Safety of laser products - Part 1: Equipment classification, requirements and user's guide. 2. Performance Standards for Night Vision Equipment for High-Speed Craft (HSC), MSC 72/Add.l/Annex 12, Res. MSC.94(72) (adopted on 22 May 2000) 3. ISO 16273:2003(E); Ships and marine technology - Night vision equipment for high-speed craft Operational and performance requirements, methods of testing and required test results 4. NMEA 0183V3.01/IEC 61162-1, NMEA 2000 Ver. 1.20/IEC 61162-3

Claims (14)

1. Laser Radar system for deteksjon og avbildning av objekter (16) i banen for hurtigbåter og andre marine fartøy og varsling om objekter som kan være en fare for navigasjonssikkerheten, hvilke fartøy fortrinnsvis er forsynt med et navigasjons- og kommunikasjonssystem (28), hvilket system omfatter en sveipeenhet (10) for laserbelysing av objekter (16) innenfor synsfeltet til systemet, samt en kontrollenhet (11) og et operatørpanel (12),karakterisert vedat sveipeenheten (10) omfatter: en lyskilde (30), fortrinnsvis enøyesikker IR-laser, innrettet for utsending av pulsete laserstråler (33) innenfor systemets synsfelt; en optikk- og sensorenhet (21) hvilken omfatter optiske detektorer (34, 38) for overvåkning av laserstrålens (33) utgangseffekt og generering av startpulser for avstandsmåling, for mottak og deteksjon av strålingsenergi reflektert fra objekter (16), samt beregning av avstanden til reflekterende objekter (16) basert på tidsforsinkelsen mellom utsendt og reflektert laserlys, samt energi og spisseffekt til lyspulsene; og en første (19) og andre (20) sveipemekanisme, hvilke er innrettet for å sveipe laserstrålen omkring to akser ved at den første sveipemekanismen (19) er innrettet for å fordele laserflekker (17) langs sveipelinjer (18), mens den andre sveipemekanismen (20) er innrettet for å forskyve sveipelinjene (18) slik at de fyller hele betraktningsfeltet i asimut, hvilken sveipeenhet (10) er innrettet for å generere et radielt mønster av laserflekker (17) på en sjøoverflate, hvor delvis overlappende laserflekker (17) blir generert langs sveipelinjer (18) radielt ut fra fartøyet ved hjelp av den første sveipemekanismen (19) og i kombinasjon med den andre sveipemekanismen (20), hvilken roterer sveipelinjene (18) om en vertikal akse slik at hele eller deler av sjøoverflaten rundt fartøyet blir dekket av overlappende laserflekker (17).

2. System i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat sveipeenheten (10) er innrettet for stabilisering av sveipeområdet i både horisontal- og vertikalplanet ved fartøyets rull- og stampbevegelser, samt kortvarige avvik fra styrt kurs.

3. System i samsvar med patentkravene 1,karakterisert vedat den første sveipemekanismen (19) omfatter to kontraroterende stråleavbøyningselementer (43,44), så som kileprismer, optiske transmisjonsgitre, diffraktive optiske elementer eller lignende, hvilke stråleavbøyningselementer (43,44) er montert på hver sin motor (45, 46), hvilke stråleavbøyningselementer (43,44) fortrinnsvis roterer med tilnærmet lik men motsatt hastighet, for å sveipe laserstrålen (33) langs en vertikal linje (18).

4. System i samsvar med et av patentkravene 1-3,karakterisert vedat den andre sveipemekanismen (20) omfatter et roterende speil (47), fortrinnsvis anordnet ca. 45 grader på den andre sveipemekanismens (20) rotasjonsakse, hvilken andre sveipemekanisme (20) i kombinasjon med den første sveipemekanismen (19) er innrettet for å bevege den vertikale sveipelinjen (18) horisontalt i et regulært, repeterbart mønster slik at hele det aktuelle sveipeområdet er dekket av delvis overlappende laserstråler.

5. System i samsvar med patentkrav 3 og 4,karakterisert vedat den første sveipemekanismen (19) i kombinasjon med den andre sveipemekanismen (20) sveiper laserstrålen (33) og synsfeltet langs rette, radielle linjer; og de nevnte linjene forskyves i faste vinkeltrinn i horisontal retning synkront med den første sveipemekanismen (19).

6. System i samsvar med patentkravene 3,karakterisert vedat sveipelinjene (18) som genereres i den første sveipemekanismen (19) kan dreies en gitt vinkel om motorenes (45, 46) rotasjonsakse ved å endre fasen for motoren (46) til avbøyningselementet (44) i forhold til fasen for motoren (45) til avbøyningselementet (43).

7. System i samsvar med patentkravene 3-6,karakterisert vedat sveipelinjene (18) fra den første sveipemekanismen (19) dreies synkront med rotasjon av den andre sveipemekanismen (20), slik at linjen blir liggende fast i forhold til speilets (47) innfallsplan, normalt på speilets overflate.

8. System i samsvar med patentkrav 2,karakterisert vedat systemet er innrettet for måling av rull-, stamp- og giringsvinkler, samt transformasjon av disse til et sett av korreksjonsvinkler for systemet.

9. System i samsvar med et av patentkravene 3-8,karakterisert vedat den første sveipemekanismen (19) korrigerer for avvik fra vertikalitet ved at fasen til motoren (46) for avbøyningselementet (44) blir justert en vinkel tilsvarende den beregnede korreksjonsvinkelen, og/eller at den andre sveipemekanismen (20) korrigerer for avvik i asimut ved at speilet (47) blir rotert en vinkel lik den beregnede korreksjonsvinkelen, og/eller at den andre sveipemekanismen (20) korrigerer også for avvik i elevasjon ved at speilet (47) blir rotert eller vippet om en akse normalt på den andre sveipemekanismens (20) rotasjonsakse, en vinkel lik den beregnede korreksjonsvinkelen.

10. System i samsvar med et av patentkravene 1-9,karakterisert vedat kontrollenheten (11) omfatter en sveipemotorkontroller (24) er innrettet for regulering av hastighet og fase for sveipemotorene (45,46) og utsendingen av laserpulser slik at laserflekkene (17) får en fast innbyrdes avstand både horisontalt og vertikalt innenfor et aktuelt sveipeområde.

11. System i samsvar med et av patentkrav 1-10,karakterisert vedat systemet er innrettet for å motta data fra fartøyets navigasjons- og kommunikasjonssystem (28) for måling av styrt kurs, fart og attityde og anordnet til et video-display-system for fartøyet presentasjon av informasjon.

12. System i samsvar med patentkravene 1,karakterisert vedat kontrollenheten (11) omfatter en signal- og kontrollprosessor (27) forsynt med midler og/eller programvare for å generere et skjermbilde på operatørpanelet (12) hvor retursignalenes intensitet og 3D-posisjon er vist både i sentralprojeksjon som for et kamera og i en vertikal projeksjon som for en radar.

13. System i samsvar med patentkravene 12,karakterisert vedat signal- og kontrollprosessoren (27) er forsynt med midler og/eller programvare for å analysere retursignalene for deteksjon av andre fartøy eller objekter (16) i synsfeltet for systemet, generere standardiserte grafiske symbol på skjermbildene og sende standardiserte meldinger, så som NMEA/IEC, til andre navigasjonssystemer, så som ECDIS eller Radar, om beregnet posisjon, CPA, TCPA og kurs og fart til detekterte objekter (16).

14. System i samsvar med et av patentkravene 12,karakterisert vedat signal- og kontrollprosessoren (27) er forsynt med midler og/eller programvare for å sende en standardisert alarmmelding til fartøyets alarmsystem dersom CPA til objektene (16) er innenfor en definert sikkerhetssone for fartøyet.