RU2059199C1

RU2059199C1 - Optoelectron device for measurement of spatial attitude of object

Info

Publication number: RU2059199C1
Application number: RU93040427A
Authority: RU
Inventors: А.П. Анохин; А.Н. Тимофеев; Л.Ф. Порфирьев; Б.С. Рахманов; Э.Д. Панков; С.А. Енученко
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)
Priority date: 1993-08-10
Filing date: 1993-08-10
Publication date: 1996-04-27

Abstract

FIELD: measurement technology; optoelectron devices for remote contactless monitoring and measurement of spatial attitude of objects at probable longitudinal and transverse displacement relative to base direction setter. SUBSTANCE: device has base direction setter which consists of objective and beam splitter and first and second radiation sources optically connected and located symmetrically relative to cathetus faces of beam splitter, first and second modulators; output of first modulator is connected to first radiation source and output of second modulator is connected to second radiation source; device is also provided with three frequency dividers; outputs of first and second dividers are connected with inputs of first and second modulators; device has standard frequency generator whose output is connected with inputs of each of three frequency dividers; device has phase shifter whose output is connected with control input of second modulator; device has receiving part which consists of objective, photodetector mounted in focal plane of objective, preamplifier whose input is connected to photodetector, two band-pass filters whose inputs are connected to preamplifier output, two rectifiers whose inputs are connected to outputs of band-pass filters, adder whose inputs are connected with outputs of band-pass filters, indicator; output of third divider is connected with control input of first modulator and with phase shifter input; receiving part is additionally provided with third band-pass filter, low frequency filter, third rectifier and second indicator; output of adder is connected with input of first indicator through low-frequency filter and with input of second indicator through third band-pass filter and third rectifier. EFFECT: high informativity due to simultaneous measurement of longitudinal and transverse displacement. 4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным приборам для дистанционного, бесконтактного контроля и измерения пространственного положения объекта при его возможном продольном и поперечном смещении относительно задатчика базового направления. Оно
может быть использовано как измерительное устройство в геодезии, машиностроении, авиационной промышленности, судостроении, а как датчик системы автоматического бесконтактного одновременного управления движением, различными объектами по заданной траектории в дорожном и мелиоративном строительстве, горном деле, самолето- и судостроении.The invention relates to instrumentation, in particular to optical-electronic devices for remote, non-contact monitoring and measuring the spatial position of an object with its possible longitudinal and transverse displacement relative to the setter of the base direction. It
It can be used as a measuring device in geodesy, mechanical engineering, aviation industry, shipbuilding, and as a sensor of an automatic non-contact simultaneous motion control system, various objects along a given path in road and land reclamation construction, mining, aircraft and shipbuilding.

Известно оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта, содержащее задатчик базового направления, формирующего две наклонные световые плоскости, вращающиеся относительно вертикальной оси задатчика, радиопередающий блок и приемную оптическую систему в виде многоэлементного вертикально ориентированного приемника (Неумывакин Ю.К. и др. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М. Недра, 1984, с. 29). В указанном устройстве регистрируется время прохождения через каждый фотоприемник крестообразного распределения световой энергии и по известным пространственным параметрам фотоприемного устройства и креста определяются высотное превышение и дальность положения объекта. A known optical-electronic device for measuring the spatial position of an object, containing a base direction adjuster that forms two inclined light planes rotating relative to the vertical axis of the set point, a radio transmitting unit and a receiving optical system in the form of a multi-element vertically oriented receiver (Neumyvakin Yu.K. et al. Automation geodetic measurements in land reclamation construction. M. Nedra, 1984, p. 29). In the specified device, the transit time of the cross-shaped distribution of light energy through each photodetector is recorded, and the elevation and the distance of the position of the object are determined from the known spatial parameters of the photodetector device and the cross.

Наличие радиоканала передачи измерительной информации, а также высокие требования к стабильности скорости вращения луча, обуславливают ограниченную точность определения параметров пространственного положения объектов. Кроме того, наличие вращающихся частей в задатчике базового направления значительно снижает надежность и срок службы прибора. The presence of a radio channel for transmitting measurement information, as well as high requirements for the stability of the speed of rotation of the beam, determine the limited accuracy in determining the spatial position of objects. In addition, the presence of rotating parts in the basic directional setter significantly reduces the reliability and service life of the device.

Известна также навигационная оптико-электронная измерительная система для летательных аппаратов (Зуев В.Е. и Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. М. Радио и связь, 1987, 123), содержащая передающий блок, включающий лазер, сканирующее устройство, фотоприемник и электрически связанный с ним радиопередатчик и приемное устройство, установленное на объекте и включающее в себя счетное устройство, для фотоприемника, радиоприемник. A navigation optical-electronic measuring system for aircraft is also known (Zuev V.E. and Fadeev V.Ya. Laser navigation devices. M. Radio and communication, 1987, 123), comprising a transmitting unit including a laser, a scanning device, a photodetector and an electrically connected radio transmitter and a receiving device mounted on the object and including a counting device for a photodetector, a radio receiver.

Устройство определяет поперечное смещение объекта по интервалу времени между началом периода сканирования луча (ему соответствует сигнал радиопередатчика) и попаданием луча лазера на приемную площадку фотоприемника, расположенного на объекте. Дальность от передающей части до объекта определяется по временному интервалу между засветками фотоприемников приемой части сканирующим лучом лазера. В этой системе, наряду с недостатками, характерными предшествующему устройству, присущи большие габариты, обусловленные необходимостью пространственного разнесения приемников. The device determines the lateral displacement of the object by the time interval between the beginning of the beam scanning period (the signal of the radio transmitter corresponds to it) and the laser beam entering the receiving area of the photodetector located on the object. The range from the transmitting part to the object is determined by the time interval between the flashes of the photodetectors by the receiving part of the scanning laser beam. In this system, along with the disadvantages characteristic of the previous device, large dimensions are inherent due to the need for spatial diversity of the receivers.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятым за прототип является оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений, состоящее из задатчика базового направления, включающего объектив, проецирующий в пространстве изображение граней прямоугольной светоделительной призмы, подсвечиваемой двумя источниками излучения светодиодами, расположенными у катетных граней светоделительной призмы, и электронную схему питания излучателей, включающую генератор, выход которого подключен к входам трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей частоты подключены к входам первого и второго модуляторов, а выход третьего делителя частоты подключен к входу генератора треугольных импульсов, при этом выходы первого и второго модуляторов подключены к излучателям (светодиодам), а выход генератора треугольных импульсов подключен к управляющему входу первого модулятора и через фазовращатель к управляющему входу второго модулятора и приемника, включающего объектив и фотоприемник, выход которого подключен на вход предусилителя, а выход последнего на входы двухполосовых фильтров, выходы которых через соответствующие выпрямители включены на входы сумматора, выход которого включен на вход усилителя ограничителя, выход последнего включен на входы дифференцирующей цепочки и реверсивного счетчика, при этом на второй и третий входы реверсивного счетчика подключены выходы дифференцирующей цепочки и генератора опорной частоты, а выход реверсивного счетчика включен на вход индикатора. В таком устройстве выходной сигнал определяется смещением оптической фотоприемной части с линии симметрии сканирования. The closest in technical essence to the proposed device and adopted as a prototype is an optical-electronic device for measuring lateral displacements, consisting of a basic direction adjuster, including a lens projecting in space the image of the faces of a rectangular beam-splitting prism, illuminated by two radiation sources with LEDs located at the cathete edges a beam-splitting prism, and an electronic power supply circuit for emitters, including a generator whose output is connected to the inputs of the x frequency dividers, the outputs of the first and second frequency dividers are connected to the inputs of the first and second modulators, and the output of the third frequency divider is connected to the input of the triangular pulse generator, while the outputs of the first and second modulators are connected to emitters (LEDs), and the output of the triangular pulse generator is connected to the control input of the first modulator and through the phase shifter to the control input of the second modulator and receiver, which includes a lens and a photodetector, the output of which is connected to the input of the preamplifier, and the output of the latter to the inputs of two-band filters, the outputs of which are connected through the corresponding rectifiers to the inputs of the adder, the output of which is connected to the input of the amplifier of the limiter, the output of the latter is connected to the inputs of the differentiating circuit and a reversible counter, while the outputs of the differentiating circuit are connected to the second and third inputs of the the reference frequency generator, and the output of the reverse counter is connected to the indicator input. In such a device, the output signal is determined by the displacement of the optical photodetector part from the scan symmetry line.

Однако такая схема построения устройства не позволяет одновременно с измерением поперечного смещения оптической фотоприемной части измерять ее продольные смещения относительно задатчика базового направления, т.е. дальность. However, such a construction scheme of the device does not allow simultaneously with the measurement of the transverse displacement of the optical photodetector part to measure its longitudinal displacements relative to the base direction setter, i.e. range.

Задача изобретения повышение информативности за счет одновременного измерения продольных и поперечных смещений. The objective of the invention is to increase the information content by simultaneously measuring longitudinal and transverse displacements.

Задача решается тем, что оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта, содержащее задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы, первого и второго модуляторов, выход первого из которых подключен к первому источнику излучения, а выход второго подключен к второму источнику, трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей которых соединены с входами первого и второго модулятора, генератора опорной частоты, с выходом которого соединены входы каждого из трех делителей частоты, фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго модулятора, и приемную часть, включающую объектив, фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, предусилитель, вход которого подключен к фотоприемнику, двух полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя, двух выпрямителей, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, сумматор, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров, индикатор, отличающееся тем, что выход третьего делителя соединен с управляющим входом первого модулятора и с входом фазовращателя, в приемную часть введены третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, третий выпрямитель и второй индикатор, причем выход сумматора соединен через фильтр низкой частоты с входом первого индикатора, а через третий полосовой фильтр и третий выпрямитель с входом второго индикатора. The problem is solved in that an optical-electronic device for measuring the spatial position of an object, comprising a basic direction adjuster, consisting of optically coupled lens and a beam splitter prism, first and second radiation sources located symmetrically with respect to the cathete faces of the beam splitter prism, the first and second modulators, the output of the first of which is connected to the first radiation source, and the output of the second is connected to the second source, three frequency dividers, the outputs of the first and second divides which are connected to the inputs of the first and second modulator, a reference frequency generator, the output of which is connected to the inputs of each of the three frequency dividers, a phase shifter, the output of which is connected to the control input of the second modulator, and a receiving part including a lens, a photodetector installed in the focal plane of the lens , a preamplifier, the input of which is connected to the photodetector, two bandpass filters, the inputs of which are connected to the output of the preamplifier, two rectifiers, the inputs of which are connected to the outputs of the bandpass filter a ditch, an adder whose inputs are connected to the outputs of the bandpass filters, an indicator, characterized in that the output of the third divider is connected to the control input of the first modulator and to the input of the phase shifter, a third bandpass filter, a low-pass filter, a third rectifier and a second indicator are introduced into the receiving part, moreover, the adder output is connected through a low-pass filter to the input of the first indicator, and through a third band-pass filter and a third rectifier with the input of the second indicator.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 диаграммы работы устройства; на фиг. 3 и 4 пространственно-временное распределение облученности для двух дистанций Z₁ и Z₂.In FIG. 1 shows a block diagram of a device; in FIG. 2 diagrams of the device; in FIG. 3 and 4 spatio-temporal distribution of irradiation for two distances Z ₁ and Z ₂ .

Задатчик базового направления 1 (фиг. 1) состоит из объектива 2, проецирующего грань прямоугольной светоделительной призмы 6, подсвечиваемой источниками излучения 4 и 5, образующими с призмой 6 излучатель 3 и подключенными к схеме питания излучателя 7, состоящей из генератора частоты 8, выход которого соединен с входами первого делителя частоты 9, второго 11 и третьего 10, причем, выход первого делителя частоты 9 подключен к первому входу первого модулятора 12, выход второго делителя частоты 11 подключен к первому входу второго модулятора 14, а выход третьего делителя частоты 10 подключен к управляющему входу первого модулятора 12 и через фазовращатель 13 к управляющему входу второго модулятора 14. The base direction adjuster 1 (Fig. 1) consists of a lens 2 projecting a face of a rectangular beam-splitting prism 6 illuminated by radiation sources 4 and 5, forming a radiator 3 with a prism 6 and connected to a power supply circuit of the emitter 7, consisting of a frequency generator 8, the output of which connected to the inputs of the first frequency divider 9, second 11 and third 10, moreover, the output of the first frequency divider 9 is connected to the first input of the first modulator 12, the output of the second frequency divider 11 is connected to the first input of the second modulator 14, and the output the third frequency divider 10 is connected to the control input of the first modulator 12 and through the phase shifter 13 to the control input of the second modulator 14.

Приемная часть 15 состоит из объектива 16, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник 17, предусилителя 18, вход которого подключен к фотоприемнику 17, первого 19 и второго 20 полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя 18, двух выпрямителей 21 и 22, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров 19 и 20, сумматора 23, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров 19 и 20, третьего полосового фильтра 26, фильтра низкой частоты 24, третьего выпрямителя 27 и двух индикаторов 25 и 28, причем выход сумматора 23 соединен через фильтр низкой частоты 24 с входом первого индикатора 25, а через третий полосовой фильтр 26 и третий выпрямитель 27 с входом второго индикатора 28. The receiving part 15 consists of a lens 16, in the focal plane of which a photodetector 17 is installed, a preamplifier 18, the input of which is connected to a photodetector 17, the first 19 and second 20 bandpass filters, the inputs of which are connected to the output of the preamplifier 18, two rectifiers 21 and 22, the inputs of which connected to the outputs of the band-pass filters 19 and 20, the adder 23, the inputs of which are connected to the outputs of the band-pass filters 19 and 20, the third band-pass filter 26, the low-pass filter 24, the third rectifier 27 and two indicators 25 and 28, and the output of the adder 23 is connected nen low frequencies through filter 24 to the input of the first indicator 25, and through the third band-pass filter 26 and a third rectifier 27 to the input 28 of the second indicator.

Устройство работает следующим образом (фиг. 2). The device operates as follows (Fig. 2).

Объектив 2 задатчика базового направления 1 проецирует изображение грани светоделительной призмы 6, катетные стороны которой подсвечиваются источниками излучения 4 и 5. Каждый из источников излучения 4 и 5 является нагрузкой соответствующего модулятора 12 и 14, на первые входы которых через некратные делители частоты 9 и 11 с генератора частоты 8 поступает переменное напряжение с частотами f₁ и f₂ соответственно. Делитель 10 вырабатывает переменное напряжение с частотой f₃ (диаграмма а на фиг. 2), которое поступает на управляющий вход первого модулятора 12 и через фазовращатель 13, осуществляющий сдвиг фазы на 180^о на управляющий вход второго модулятора 14. В результате на выходах модуляторов появится напряжение частот f₁ и f₂ соответственно, промодулированное противофазным прямоугольным напряжением частоты f₃(диаграмма б на фиг. 2) с определенным коэффициентом амплитудной модуляции М (М < 1) (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Радио и связь, 1986, с. 75). Поскольку модуляторы 12 и 14 подключены к источникам излучения 4 и 5, то излучение каждого источника излучения будет промодулировано в противофазе частотой f₃ с частотным заполнением для источника 4 f₁, а для источника 5 f₂.The lens 2 of the base direction adjuster 1 projects an image of the face of the beam splitter prism 6, the side of which is highlighted by radiation sources 4 and 5. Each of the radiation sources 4 and 5 is the load of the respective modulator 12 and 14, the first inputs of which through multiple frequency dividers 9 and 11 s frequency generator 8 receives alternating voltage with frequencies f ₁ and f ₂ respectively. The divider 10 generates an alternating voltage with a frequency f ₃ (diagram a in Fig. 2), which is supplied to the control input of the first modulator 12 and through the phase shifter 13, which carries out a phase shift of 180 ^° to the control input of the second modulator 14. As a result, the outputs of the modulators appear frequency voltage f ₁ and f _2, respectively, modulated by an out-of-phase rectangular voltage of frequency f ₃ (diagram b in Fig. 2) with a certain amplitude modulation coefficient M (M <1) (Gonorovsky IS Radio engineering circuits and signals. M. Radio and connection b, 1986, p. 75). Since the modulators 12 and 14 are connected to radiation sources 4 and 5, the radiation of each radiation source will be modulated in antiphase with a frequency of f ₃ with a frequency filling for the source of 4 f ₁ , and for the source of 5 f ₂ .

Таким образом, в пространстве будет сформулировано излучение с резкой границей на оси луча, причем одна половина его будет промодулирована частотой f₁, а другая частотой f₂. Такое пространственное распределение излучения образует зону управления с оптической равносигнальной (ОРСЗ), определяющей направление.Thus, in space radiation will be formulated with a sharp boundary on the axis of the beam, with one half of it will be modulated by the frequency f ₁ and the other by the frequency f ₂ . Such a spatial distribution of radiation forms a control zone with an optical equal-signal (OCR), which determines the direction.

Известно, что изменение яркости источников в каналах задатчика базовой плоскости (ЗБН) вызывают сдвиг ОРСЗ (Цуккерман С.Т. и Гридин А.С. Управление машинами при помощи оптического луча. М. Машиностроение, 1969, с. 149-150) в направлении, перпендикулярном формируемой плоскости. Величина этого сдвига зависит как от значений геометрических и аберрационных параметров оптической системы ЗБН, так и абсолютной величины разбаланса яркости источников в каналах. Последнее позволяет предположить, что осуществляя модуляцию яркости в каналах, можно обеспечить требуемый закон сканирования ОРСЗ. It is known that a change in the brightness of sources in the channels of the base plane master (BSS) causes a shift in the OCRS (Tsukkerman S.T. and Gridin A.S. Machine control using an optical beam. M. Mechanical Engineering, 1969, pp. 149-150) in the direction perpendicular to the plane being formed. The magnitude of this shift depends both on the values of the geometric and aberration parameters of the optical system of the ZBN, and the absolute value of the imbalance in the brightness of the sources in the channels. The latter allows us to assume that by modulating the brightness in the channels, it is possible to provide the required ODSZ scanning law.

Облученность Е₁ в плоскости перпендикулярной оптической оси ЗБН, создаваемая источником первого осветителя, зависит от координат точки, в которой исследуется облученность. При фиксированном значении координаты Y, облученность будет зависеть от величины смещения исследуемой точки по известному закону
E₁=

+ X

=

+

где Е_max1 максимальное значение облученности, создаваемое источником первого канала осветителя;
l_л ширина линейной частоты ОРСЗ;
Х координата точки анализа облученности.The irradiation E ₁ in the plane perpendicular to the optical axis of the ZBN created by the source of the first illuminator depends on the coordinates of the point at which the irradiation is studied. With a fixed value of the Y coordinate, the irradiation will depend on the magnitude of the displacement of the point under study according to a known law
E ₁ =

+ X

=

+

where E _{max1 is the} maximum value of the irradiation created by the source of the first channel of the illuminator;
l _{l the} width of the linear frequency OSS;
X coordinate of the irradiation analysis point.

Так как для рассматриваемых систем
E

=

, (1) где τ пропускание воздушного тракта;
L яркость источника излучения;
S_вых.зр площадь выходного зрачка объектива ЗБН;
Z расстояние от выходного зрачка ЗБН до плоскости, в которой рассматривается распределение облученности.Since for the systems under consideration
E

=

, (1) where τ is the transmission of the air path;
L is the brightness of the radiation source;
S _exit.sp; area of the exit pupil of the ZBN lens;
Z is the distance from the exit pupil of the ZBN to the plane in which the irradiation distribution is considered.

При фиксированной Х облученность будет зависеть от Y и по закону Е Е₁cos β. Известно, что размер линейной части ОРСЗ l_л определяется выражением
l_л= 2δΦZ + d

, (2) где δΦ угловая аберрация объектива ЗБН;
Z₀ расстояние от выходного зрачка объектива ЗБН до плоскости фокусировки границы раздела;
d поперечный размер зрачка объектива ЗБН.For a fixed X, the irradiation will depend on Y and according to the law E E ₁ cos β. It is known that the size of the linear part of OSSL l _l is determined by the expression
l _l = 2δΦZ + d

, (2) where δΦ is the angular aberration of the ZBN lens;
Z _{0 is the} distance from the exit pupil of the ZBN lens to the focus plane of the interface;
d transverse pupil size of the ZBN lens.

Для облученности создаваемой вторым осветителем ЗБН будет
E₂=

X

=

+

.For the irradiation created by the second illuminator, the ZBN will be
E ₂ =

X

=

+

.

Так как ОРСЗ есть геометрическое место точек, в которых облученности от первого канала ЗБН равна облученности от второго канала, т.е. Е₁ Е₂, то

+

X

E

-E

X

. (3)
С учетом (1), (2) и (3), получим
X

2δΦZ+d

0,5

2δΦZ+d

, (4) где L₁, L₂ яркости излучателей первого и второго каналов ЗБН.Since OCRS is the geometrical location of the points at which the irradiation from the first channel of the FBI is equal to the irradiation from the second channel, i.e. E ₁ E ₂ then

+

X

E

-E

X

. (3)
Taking into account (1), (2) and (3), we obtain
X

2δΦZ + d

0.5

2δΦZ + d

, (4) where L ₁ , L _{2 the} brightness of the emitters of the first and second channels of the ZBN.

Пусть δL

относительное значение разбаланса яркости, тогда рассматривая выражение (4), видно, что величина смещения РСЗ Х зависит от относительного значения разбаланса δ L яркости в каналах.Let δL

the relative value of the brightness imbalance, then considering the expression (4), it can be seen that the magnitude of the shift RSZ X depends on the relative value of the imbalance δ L brightness in the channels.

Зададим определенный закон изменения яркости в каналах во времени. Let us define a certain law for the change in brightness in channels over time.

Пусть L в первом канале изменяется по следующем закону:
L₁ L₀ + Δ Lsin( ωt+Φ₁) во втором канале
L₂ L₀ + Δ Lsin( ωt+Φ₂),
а Φ₂-Φ₁ 180^о где ω круговая частота, t время, Φ фаза.Let L in the first channel change according to the following law:
L ₁ L ₀ + Δ Lsin (ωt + Φ ₁ ) in the second channel
L ₂ L ₀ + Δ Lsin (ωt + Φ ₂ ),
and Φ ₂ -Φ ₁ 180 ^о where ω is the circular frequency, t time, Φ phase.

δL

sin(ωt+Φ₁)

sin(ωt+Φ₁) и тогда из (4)
X 0,5

2δΦZ+d

sin(ωt+Φ₁)
Таким образом РСЗ смещается во времени по гармоническому закону, т.е. имеет место сканирование РСЗ. Таким образом, из выражения (5) видно, что амплитуда сканирования РСЗ прямо пропорциональна абсолютной величине различия яркости в каналах и зависит от дистанции Z, величины аберрации и размера зрачка.δL

sin (ωt + Φ ₁ )

sin (ωt + Φ ₁ ) and then from (4)
X 0.5

2δΦZ + d

sin (ωt + Φ ₁ )
Thus, the RSZ shifts in time according to a harmonic law, i.e. RSZ scanning takes place. Thus, it can be seen from expression (5) that the scanning amplitude of the RSZ is directly proportional to the absolute value of the difference in brightness in the channels and depends on the distance Z, the amount of aberration, and the size of the pupil.

Если ЗБН сфокусировать на определенную дистанцию, например, Z₀ 300 м и соответственно подобрать размер зрачка d и аберрации, то РСЗ сканирует по углу. Таким образом, в пространстве будет сформирован конус излучения с резкой границей, причем одна половина его будет промодулирована частотой f₁, а другая частотой f₂. Такое пространственное распределение излучения образует зону управления с оптической равносигнальной зоной (ОРЗ), определяющей направление. Величина

пропорциональна коэффициенту модуляции частоты f₃ и задается конструкцией электронной схемы питания излучателя 7. Анализируя (5), приходим к выводу, что противофазная модуляция источников излучения 4 и 5 прямоугольными импульсами частоты осуществляют симметричное скачкообразное смещение энергетического центра оптической равносигнальной зоны относительно оптической оси ЗБН, причем при указанном способе модуляции величина регистрируемого смещения Δ Е_≈ с частотой f₃ будет пропорциональна дальности между ЗБН и приемной частью, т.е. продольному смещению, причем информация о продольном и поперечном смещении приемной части заложена в излучении ЗБН.If the ZBN is focused on a certain distance, for example, Z ₀ 300 m and, accordingly, the pupil size d and aberration are selected, then the RSZ scans along the corner. Thus, a radiation cone with a sharp boundary will be formed in space, with one half of it will be modulated by the frequency f ₁ and the other by the frequency f ₂ . Such a spatial distribution of radiation forms a control zone with an optical equal-signal zone (ARI), which determines the direction. Value

is proportional to the modulation coefficient of the frequency f ₃ and is determined by the design of the electronic power supply circuit of the emitter 7. Analyzing (5), we conclude that the out-of-phase modulation of the radiation sources 4 and 5 by rectangular frequency pulses carries out a symmetrical jump-like shift of the energy center of the optical equal signal zone relative to the optical axis of the ZBN with the specified modulation method, the magnitude of the recorded bias Δ E _≈ with a frequency f ₃ will be proportional to the distance between the ZBN and the receiving part, i.e. longitudinal displacement, moreover, information about the longitudinal and transverse displacement of the receiving part is embedded in the radiation of the ZBN.

Чтобы оценить величину переменной составляющей Δ Е_≈ (f₃) облученности рассмотрим пространственно-временное распределение облученности для двух дистанций.To assess the magnitude of the variable component Δ E _≈ (f ₃ ) irradiation, we consider the spatio-temporal distribution of irradiation for two distances.

На фиг. 3 представлены распределения освещенностей от двух каналов в разные периоды модуляций частоты f₃ на фиксированной дистанции Z₁. E_I(0) графически представляет облученность вдоль оси ОХ от первого канала осветителя в период модуляции 0- 180^о, а Е_I(180) в период от 180 до 360^о. В свою очередь Е_II(0) графически представляет распределение облученности вдоль оси ОХ второго канала осветителя в период модуляции от 0 до 180^о, а Е_II(180) в период от 180 до 360^о. Е_ср средний уровень облученности за период модуляции f₃.In FIG. 3 shows the distribution of illumination from two channels in different periods of modulation of the frequency f ₃ at a fixed distance Z ₁ . E _I (0) graphically shows the irradiance along the x-axis from the first illuminator channel modulation period 0 to ^180, and E _I (180) in the period from 180 to ^about 360. In turn, E _II (0) graphically represents the distribution of irradiation along the OX axis of the second channel of the illuminator during the modulation period from 0 to 180 ^about , and E _II (180) in the period from 180 to 360 ^about . E _{cf the} average level of irradiation during the modulation period f ₃ .

На фиг. 4 представлено распределение облученности от двух каналов в разные периоды модуляции частот f₃ на дистанции Z₂ большей, чем Z₁. Как известно из формулы (2), описание устройства величины линейной зоны ОРЗ с дистанцией уменьшается, что и отражено на графиках (фиг. 3 и 4). В реальности уровень облученности Е_ср уменьшается обратно пропорционально квадрату дистанции. Из фиг. 3 и 4 видно, что при расположении приемника на оси (что соответствует точке О на фиг. 4) величина переменной составляющей ΔЕ

(f₃) изменяется с дистанции, а следовательно в ней содержится информация о дистанции.In FIG. 4 shows the distribution of irradiation from two channels at different periods of frequency modulation f ₃ at a distance Z ₂ greater than Z ₁ . As is known from formula (2), the description of the device of the magnitude of the linear zone of ARI with distance decreases, which is reflected in the graphs (Fig. 3 and 4). In reality, the level of exposure E _cf decreases inversely with the square of the distance. From FIG. 3 and 4 it is seen that when the receiver is located on the axis (which corresponds to point O in Fig. 4), the value of the variable component ΔE

(f ₃ ) changes from a distance, and therefore it contains information about the distance.

Излучение, формируемое задатчиком базового направления 1, собирается объективом 16 приемной части 15 и фокусируется на фотоприемник 17, преобразующий поток излучения в электрический сигнал, усиливаемый предусилителем 18. С выхода предусилителя 18 электрический сигнал поступает на входы полосовых фильтров 19 и 20, настроенных соответственно на частоты f₁ и f₂, в результате чего на их выходах появляется гармонический сигнал частот f₁ и f₂, промодулированный противофазными прямоугольными импульсами частоты f₃ (диаграмма г на фиг. 2). Выделенные выпрямителями 21 и 22 огибающими этих сигналов (диаграмма е на фиг. 2) поступают на вход сумматора 23. При этом на выходе сумматора 23 появляется переменный сигнал частоты f₃ (диаграмма з на фиг. 2), причем постоянная составляющая этого сигнала пропорциональна смещению входного зрачка приемной части 15 относительно оптической оси задатчика базового 1 направления, а переменная расстоянию между приемной частью 15 и задатчиком базового направления 1. С выхода вычитающего устройства 23 указанный сигнал поступает с одной стороны через фильтр низкой частоты 2, осуществляющий выделение постоянной составляющей, на индикатор 25, отградуированный в единицах поперечного смещения, а с другой через полосовой фильтр 26, настроенный на частоту f₃ и выделяющий переменную составляющую, огибающая которой выделяется выпрямителем 27, на вход второго индикатора 28, отградуированного в единицах дальности.The radiation generated by the base direction adjuster 1 is collected by the lens 16 of the receiving part 15 and focused on the photodetector 17, which converts the radiation stream into an electric signal amplified by the preamplifier 18. From the output of the preamplifier 18, the electric signal is fed to the inputs of the bandpass filters 19 and 20, tuned to frequencies f ₁ and f ₂ , as a result of which a harmonic signal of frequencies f ₁ and f ₂ appears at their outputs, modulated by antiphase rectangular pulses of frequency f ₃ (diagram d in Fig. 2). The envelopes of these signals highlighted by rectifiers 21 and 22 (diagram e in Fig. 2) are fed to the input of adder 23. At the same time, an alternating frequency signal f ₃ appears at the output of adder 23 (diagram z in Fig. 2), and the constant component of this signal is proportional to the offset the entrance pupil of the receiving part 15 relative to the optical axis of the master of the basic direction 1, and the variable distance between the receiving part 15 and the master of the basic direction 1. From the output of the subtractor 23, the specified signal is supplied from one side through the filter low frequency 2, performing the separation of the constant component, to the indicator 25, calibrated in units of lateral displacement, and on the other through a band-pass filter 26, tuned to a frequency f ₃ and emitting a variable component, the envelope of which is allocated by the rectifier 27, to the input of the second indicator 28, calibrated in range units.

При нахождении входного зрачка приемной части 15, например, выше оптической оси задатчика базового направления 1, на объектив 16 попадут неравные разномодулированные частотами f₁ и f₂ потоки излучения, что приведет к появлению на входах вычитающего устройства 23 разных по величине постоянной составляющей сигналов (диаграммы и, к на фиг. 2). При этом на выходе вычитающего устройства 23 появится переменный сигнал частоты f₃ (диаграмма л на фиг. 2) с постоянной составляющей U_Н1 и переменной U_L2, пропорциональных поперечному и продольному смещению приемной части 15. При смещении вдоль направления, задаваемого задатчиком 1, например, удалении, при том же поперечном смещении на объектив 16 приемной части 15 попадают те же неравные разномодулированные частотами и потоки излучения, но величина коэффициента амплитудной модуляции частоты f₃ уменьшается, при этом на входах вычитающего устройства 23 сигналы выпрямителей 21, 22 будут иметь ту же постоянную составляющую и меньшую переменную частоты (диаграммы м, н на фиг. 2), а на выходе сумматора 23 сигнал сохранит ту же постоянную составляющую величиной U_H2 U_H1, а величина переменной U_L3 уменьшится (диаграмма о на фиг. 2), что приведет к изменению показаний индикатора 28.When the entrance pupil of the receiving part 15, for example, is higher than the optical axis of the master unit of the base direction 1, unequal radiation flux modulated by frequencies f ₁ and f ₂ will fall onto the lens 16, which will lead to the appearance of the signals of the different constant component of the signals at the inputs of the subtractor 23 (diagrams and, k in Fig. 2). In this case, at the output of the subtractor 23, an alternating signal of frequency f ₃ (diagram l in Fig. 2) with a constant component U _Н1 and a variable U _L2 proportional to the transverse and longitudinal displacement of the receiving part 15 will appear. When displaced along the direction specified by the setpoint 1, for example , deleting, at the same transverse displacement of the lens 16, the receiving portion 15 reach the same raznomodulirovannye unequal frequencies and radiation fluxes, but the magnitude of the amplitude modulation frequency ratio f ₃ decreases, while at the inputs of subtractor ustro CTBA 23 signals rectifiers 21, 22 will have the same DC component and less variable frequency (diagram m, n in Fig. 2), and the output of the adder 23, the signal will keep the same DC component value U _H2 U _H1, and the value of the variable U _L3 will decrease (diagram about in Fig. 2), which will lead to a change in the readings of indicator 28.

В качестве конкретного примера выполнения устройства задатчик базового направления, создающий оптическую равносигнальную зону, может быть реализован следующим образом. As a specific example of the implementation of the device, the base direction adjuster that creates the optical equal-signal zone can be implemented as follows.

Прямоугольная светоделительная призма установлена так, что ее ребро, образованное катетными отражающими сторонами, перпендикулярно оптической оси объектива и установлено в его фокальной плоскости. В качестве источников излучения используются инфракрасные полупроводниковые светодиоды, причем их оптические оси проходят через ребро призмы и расположены с оптической осью объектива в одной плоскости и при этом ребро призмы, оптические оси светодиодов и объектива образуют ортогональную систему. A rectangular beam-splitting prism is installed so that its edge, formed by the catheter reflecting sides, is perpendicular to the optical axis of the lens and installed in its focal plane. Infrared semiconductor LEDs are used as radiation sources, their optical axes passing through the edge of the prism and located with the optical axis of the lens in the same plane, and the edge of the prism, the optical axis of the LEDs and the lens form an orthogonal system.

Схема питания излучателя состоит из генератора опорной частоты, выполненного на логических элементах КМОП структуры, стабилизированной кварцевым резонатором (Бородин Н. И. Импульсные устройства на морском транспорте. М. Транспорт, 1987, с. 168, рис. 7.18а), выход которого подключен к входам трех некратных делителей частоты, например, с коэффициентом деления 6, 10, 128, образующих из частоты генератора частоты f₁, f₂ и f₃ соответственно, которые выполнены на программируемых делителях типа микросхемы К564ИЕ15, на выходе которой включен любой делитель на 2, например, на D-триггере микросхемы К561ТМ2, для получения скважности импульсов 2. Фазовращатель выполнен на логической ячейке типа НЕ микросхемы К561ЛН2. Модуляторы излучения светодиодов 12 и 13 идентичны. Электрическая принципиальная схема одного из них показана на фиг. 3. Она состоит из двух параллельно включенных ключевых каскадов по схеме Дарлингтона на транзисторах Т1, Т2 и Т3, Т4 соответственно, нагрузка которых общая светодиод VD 1, причем коэффициент модуляции частотой f₃ определяется величинами токов, протекающих через каждый ключевой каскад и задается ограничивающими сопротивления R4, R5. Сопротивления R2, R3, R6, R7 служат для улучшения динамических характеристик ключевых каскадов.The emitter power supply circuit consists of a reference frequency generator made on the logic elements of a CMOS structure stabilized by a quartz resonator (N. Borodin. Pulse devices in marine transport. M. Transport, 1987, p. 168, Fig. 7.18a), the output of which is connected to the inputs of three multiple frequency dividers, for example, with a division coefficient of 6, 10, 128, forming from the frequency of the frequency generator f ₁ , f ₂ and f _3, respectively, which are made on programmable dividers like the K564IE15 chip, at the output of which any divider by 2 , for example, on the D-flip-flop of the K561TM2 chip, to obtain a duty cycle of pulses 2. The phase shifter is made on a logic cell of the NOT type of the K561LN2 chip. The emission modulators of LEDs 12 and 13 are identical. An electrical circuit diagram of one of them is shown in FIG. 3. It consists of two parallel connected key stages according to the Darlington circuit for transistors T1, T2 and T3, T4, respectively, the load of which is a common LED VD 1, and the modulation coefficient of frequency f ₃ is determined by the magnitudes of the currents flowing through each key stage and is set by limiting resistance R4, R5. Resistances R2, R3, R6, R7 are used to improve the dynamic characteristics of key cascades.

В качестве фотоприемника приемной части используется фотодиод, включенный в гальваническом режиме работы. As the photodetector of the receiving part, a photodiode included in the galvanic operation mode is used.

Предварительный усилитель реализован на малошумящем усилителе, типа К538УН3. The pre-amplifier is implemented on a low-noise amplifier, type K538UN3.

Полосовые фильтры идентичны по своей структуре и реализованы по схемам активных полосовых фильтров второго порядка, настроенных соответственно на частоты f₁, f₂, f₃ (Изьюрова Г.И. Расчет электронных схем. М. Высшая школа, 1987, с. 194, рис. 7.25).Band-pass filters are identical in structure and implemented according to schemes of second-order active band-pass filters tuned to frequencies f ₁ , f ₂ , f _3, respectively (G. Izyurova Calculation of electronic circuits. M. Higher School, 1987, p. 194, fig. . 7.25).

Выпрямители приемной части идентичны и выполнены по схеме диодного моста с емкостным фильтром. The rectifiers of the receiving part are identical and are made according to the scheme of the diode bridge with a capacitive filter.

Сумматор реализован по схеме параллельного сумматора на операционном усилителе (Алексеенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Радио и связь, 1981, с. 77, рис. 3.2). The adder is implemented according to the parallel adder scheme on an operational amplifier (Alekseenko A.G. Use of precision analog ICs. M. Radio and Communications, 1981, p. 77, Fig. 3.2).

Фильтр низкой частоты выполнен на RC-цепочке. В качестве индикаторов могут быть использованы простейшие стрелочные вольтметры, шкалы которых отградуированы в единицах продольного и поперечного смещения. The low-pass filter is made on an RC circuit. As indicators, the simplest pointer voltmeters can be used, the scales of which are graded in units of longitudinal and transverse displacement.

Построение и принцип, заложенные в устройстве, использующее ОРЗ, позволяет обеспечить измерение пространственного положения одновременно нескольких приемных частей, поскольку измерительная информация заложена в излучении задатчика базового направления. The construction and principle embodied in the device using ARI allows to measure the spatial position of several receiving parts at the same time, since the measurement information is embedded in the radiation of the base direction transmitter.

Таким образом, по совокупности перечисленных признаков, оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта позволяет одновременно измерять продольные и поперечные смещения объекта, чем достигается поставленная цель повышение информативности измерений. Thus, according to the totality of the listed features, the optical-electronic device for measuring the spatial position of the object allows you to simultaneously measure the longitudinal and transverse displacements of the object, thereby achieving the goal of increasing the information content of measurements.

Предлагаемое оптико-электронное устройство может быть использовано, например, в строительстве. The proposed optoelectronic device can be used, for example, in construction.

Claims

OPTICAL-ELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING THE SPATIAL POSITION OF THE OBJECT, comprising a base direction adjuster consisting of optically coupled lens and a beam splitter prism, first and second radiation sources located symmetrically with respect to the cathete faces of the beam splitter prism, the first and second modulators, the output of the first of which is connected to the first the radiation source, and the output of the second to the second radiation source, three frequency dividers, the outputs of the first and second dividers are connected to the inputs the first and second modulators, a reference frequency generator, the output of which is connected to the inputs of each of the three frequency dividers, a phase shifter, the output of which is connected to the control input of the second modulator, and a receiving part including a lens, a photodetector installed in the focal plane of the lens, and a preamplifier whose input connected to a photodetector, two bandpass filters, the inputs of which are connected to the output of the preamplifier, two rectifiers, the inputs of which are connected to the outputs of the bandpass filters, an adder, the inputs of which are are common with the outputs of the bandpass filters, an indicator, characterized in that the output of the third divider is connected to the control input of the first modulator and to the input of the phase shifter, a third bandpass filter, a low-pass filter, a third rectifier and a second indicator are introduced into the receiving part, and the output of the adder is connected through a filter low frequency with the input of the first indicator, and through the third bandpass filter and the third rectifier with the input of the second indicator.