RU2169373C2

RU2169373C2 - Device controlling range and velocity of travel of objects

Info

Publication number: RU2169373C2
Application number: RU99101261/28A
Authority: RU
Inventors: А.С. Алиев
Original assignee: Дагестанский государственный университет
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2001-06-20

Abstract

FIELD: navigation. SUBSTANCE: illuminator, mirror, objective lens and position-sensitive four-pad photodetector are optically coupled. Outputs of quadrants of photodetector are connected to signal processing unit. Optical element in the form of rectangular sector of spherical lens is optically coupled to objective lens. Opaque mask is so placed that it overlaps part of entrance pupil of objective lens. Separation boundaries of quadrants of photodetector are parallel to edges of opaque mask and optical element. EFFECT: expanded functional capabilities of device. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области навигации, в частности и к оптико-электронным устройствам контроля скорости движения объектов, и может быть использовано для предотвращения столкновения транспортных средств. The invention relates to the field of navigation, in particular, to optical-electronic devices for controlling the speed of objects, and can be used to prevent collision of vehicles.

Известно устройство для определения скорости движения объектов, содержащее два разнесенных оптико-электронных приемника и подключенные к выходам оптико-электронных приемников в каждом канале, последовательно соединенные схему сравнения амплитуд, триггер, схему совпадений и индикатор, подключенный к выходу схем сравнения амплитуд. Формирователь импульсов, выход которого подключен к другому входу схемы совпадений каждого канала, выход схемы сравнения амплитуд каждого канала дополнительно подключен к второму входу триггера другого канала (1). A device for determining the speed of movement of objects is known, comprising two spaced apart optoelectronic receivers and connected to the outputs of optoelectronic receivers in each channel, serially connected amplitude comparison circuit, trigger, coincidence circuit, and an indicator connected to the output of amplitude comparison circuits. A pulse shaper whose output is connected to another input of the coincidence circuit of each channel, the output of the amplitude comparison circuit of each channel is additionally connected to the second trigger input of the other channel (1).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве невозможно определить дальность до объекта. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the fact that it is impossible to determine the distance to the object in the known device.

Известно также устройство для измерения дальности до точечной цели (2), которое основано на принципе расфокусировки изображения. A device for measuring the distance to a point target (2) is also known, which is based on the principle of defocusing an image.

Известное устройство (2) содержит объектив, непрозрачный диск, расположенный за объективом и имеющий узкую радиальную щель и вращающийся с постоянной скоростью, два фотоприемника, расположенные за диском, выходы которых подключены ко входам дискриминатора, а также измеритель, подключенный к выходу дискриминатора. Если цель находится на таком расстоянии, что фокусируется в плоскость размещения вращающегося диска, то два фотоприемника выдадут сигналы, совпадающие во времени в момент прохождения щели через изображения цели. The known device (2) contains a lens, an opaque disk located behind the lens and having a narrow radial slot and rotating at a constant speed, two photodetectors located behind the disk, the outputs of which are connected to the inputs of the discriminator, as well as a meter connected to the output of the discriminator. If the target is at such a distance that it focuses in the plane of placement of the rotating disk, then two photodetectors will give out signals that coincide in time at the moment the gap passes through the target image.

Если же расстояние до цели изменится так, что плоскость изображения переместится в сторону от плоскости расположения вращающегося диска, то, во-первых, форма импульсов изменится (импульс несколько расплывается), а во-вторых, они появятся на выходах фотодетекторов не одновременно, а с некоторым сдвигом во времени. Причем величина этого сдвига зависит от степени ухода плоскости изображения, т.е. от дальности до цели. Уход плоскости изображения в противоположную сторону поменяет порядок появления импульсов на выходах фотодетектора. If the distance to the target changes so that the image plane moves away from the plane of the location of the rotating disk, then, firstly, the shape of the pulses will change (the pulse diffuses somewhat), and secondly, they will appear at the outputs of the photo detectors not simultaneously, but with some time shift. Moreover, the magnitude of this shift depends on the degree of departure of the image plane, i.e. from range to target. Departure of the image plane in the opposite direction will change the order of appearance of pulses at the outputs of the photodetector.

Последующие элементы схемы измеряют временный интервал между импульсами с выходом фотодетекторов и определяют дальность цели. Для этого используется фазовый дискриминатор и измеритель. Subsequent circuit elements measure the time interval between pulses with the output of photodetectors and determine the range of the target. For this, a phase discriminator and a meter are used.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что известное устройство не позволяет определить скорость движения объекта, а также сложность конструкции, связанная с наличием электромеханических вращающихся узлов. For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below, the known device does not allow to determine the speed of the object, as well as the complexity of the design associated with the presence of electromechanical rotating units.

Известен также фотоэлектрический датчик скорости вращения, который по конструктивным признакам может быть указан в качестве прототипа предложенного технического решения (3). A photoelectric rotational speed sensor is also known, which by design features can be indicated as a prototype of the proposed technical solution (3).

Известное устройство (3) содержит последовательно расположенные оптически согласованные осветитель, объектив, линзу, позиционно-чувствительный четырехплощадочный фотоприемник, квадранты которого соединены с входами четырех предварительных усилителей. Выходы первого и второго предварительных усилителей соединены с входами суммирующего усилителя. Кроме того, известное устройство содержит разностный усилитель, два компаратора и элемент И. При этом выходы третьего и четвертого предварительных усилителей соединены с входами разностного усилителя, а выходы суммирующего и разностного усилителей через компараторы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И. The known device (3) contains sequentially located optically matched illuminator, lens, lens, position-sensitive four-site photodetector, the quadrants of which are connected to the inputs of four pre-amplifiers. The outputs of the first and second pre-amplifiers are connected to the inputs of the summing amplifier. In addition, the known device contains a difference amplifier, two comparators and an element I. Moreover, the outputs of the third and fourth pre-amplifiers are connected to the inputs of the difference amplifier, and the outputs of the summing and difference amplifiers through the comparators are connected respectively to the first and second inputs of the element I.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, указанного ниже, относятся ограниченные функциональные возможности устройства, связанные с тем, что оно не позволяет определить дальность и радиальную скорость движения объекта. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below include the limited functionality of the device due to the fact that it does not allow to determine the range and radial speed of the object.

Задача заявляемого изобретения - создание устройства с расширенными функциональными возможностями, заключающимися в определении двух фиксированных дистанций нахождения объекта Z₁ и Z₂ и радиальной скорости его приближения.The task of the invention is the creation of a device with enhanced functionality, which consists in determining two fixed distances for finding the object Z ₁ and Z ₂ and the radial velocity of its approximation.

Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. The technical result is the expansion of the functionality of the device.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что в устройство для контроля скорости движения объектов, содержащее источники модулированного света (лазер) и оптически сопряженные с ним зеркало, объектив и позиционно-чувствительный четырехплощадочный фотоприемник, выходы квадрантов которого подключены ко входам блока обработки сигналов, введены непрозрачная маска оптический элемент формы квадранта. При этом непрозрачная маска установлена так, чтобы перекрывала часть входного зрачка объектива, а границы раздела квадрантов четырехплощадочного фотоприемника проходят параллельно или перпендикулярно краям непрозрачной маски и оптического элемента. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the device for controlling the speed of movement of objects containing sources of modulated light (laser) and a mirror optically coupled to it, a lens and a position-sensitive four-area photodetector, the quadrant outputs of which are connected to the inputs of the signal processing unit, are introduced opaque mask is an optical element of a quadrant shape. In this case, the opaque mask is set so that it overlaps part of the entrance pupil of the lens, and the interface between the quadrants of the four-site photodetector runs parallel or perpendicular to the edges of the opaque mask and the optical element.

Кроме того, блок обработки сигналов содержит первый и второй усилители, выходы которых подключены у первому и второму выходам блока выделения сигналов дальности, первый и второй выходы последнего являются первым и вторым информационными выходами устройства и одновременно подключены к соответствующим выходам триггера, первый вход которого запараллелен с выходом формирователя импульсов, а выходы последних подключены к входам схемы сравнения дальностей. In addition, the signal processing unit contains the first and second amplifiers, the outputs of which are connected at the first and second outputs of the range signal extraction unit, the first and second outputs of the latter are the first and second information outputs of the device and are simultaneously connected to the corresponding outputs of the trigger, the first input of which is parallel with the output of the pulse shaper, and the outputs of the latter are connected to the inputs of the range comparison circuit.

Блок выделения сигналов дальности при этом содержит первый и второй селективные усилители, выходы которых подключены к схеме деления, выход которого подключен к запараллельным первым входам первого и второго компараторов, вторые входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задания констант. При этом выходы компараторов являются выходами блока. The range signal extraction unit contains first and second selective amplifiers, the outputs of which are connected to the division circuit, the output of which is connected to the parallel first inputs of the first and second comparators, the second inputs of which are connected respectively to the outputs of the first and second constant setting blocks. The outputs of the comparators are the outputs of the block.

Указанные конструктивные признаки являются существенными и позволяют достичь поставленную задачу и технический результат - расширить функциональные возможности устройства, заключающееся в определении дальности и радиальной скорости движения объекта. These design features are essential and allow you to achieve the task and technical result - to expand the functionality of the device, which consists in determining the range and radial velocity of the object.

На фиг. 1а представлена блок схема устройства, где 1 - источник подсвета (лазер), 2 - зеркало, 3 - объектив, 4 - непрозрачная шторка (маска), 5 - оптический элемент - прямоугольный сектор сферической линзы, 6 - позиционно чувствительный четырехплощадочный фотоприемник, 7 - блок обработки сигналов (БОС), V₁V₂ ± ΔV - информационные выходы устройства.In FIG. 1a shows a block diagram of the device, where 1 is the light source (laser), 2 is the mirror, 3 is the lens, 4 is the opaque curtain (mask), 5 is the optical element is the rectangular sector of the spherical lens, 6 is the positionally sensitive four-area photodetector, 7 - signal processing unit (BOS), V ₁ V ₂ ± ΔV - information outputs of the device.

На фиг. 1б изображен вид спереди входного зрачка объектива 3, часть которого перекрыта непрозрачной маской 4, а сзади установлен дополнительный оптический элемент 5. In FIG. 1b shows a front view of the entrance pupil of the lens 3, part of which is blocked by an opaque mask 4, and an additional optical element 5 is installed behind.

На фиг. 1в изображены квадранты I, II, III, IV фоточувствительной поверхности позиционно-чувствительного четырехплощадочного фотоприемника 6. In FIG. 1c shows quadrants I, II, III, IV of the photosensitive surface of a position-sensitive four-area photodetector 6.

На фиг. 2 приведена структурная схема блока обработки 7, где 8 и 9 - первый и второй блоки выделения сигналов дальности (БВСД), выходы которых являются первым Z₁ и вторым Z₂ информационными выходами устройства и они же подключены к входам триггера 10, а выход первого БВСД₁ 8 - дополнительно к входу формирователя импульсов 11. Выходы триггера 10 и формирователя импульсов 11 подключены к входам схемы сравнения длительностей 12, выход которой является третьим информационным выходом устройства ±ΔV.In FIG. 2 is a structural diagram of the processing unit 7, where 8 and 9 are the first and second blocks of the selection of range signals (BVSD), the outputs of which are the first Z ₁ and second Z ₂ information outputs of the device and they are also connected to the inputs of the trigger 10, and the output of the first BVSD ₁ 8 - in addition to the input of the pulse shaper 11. The outputs of the trigger 10 and the pulse shaper 11 are connected to the inputs of the duration comparison circuit 12, the output of which is the third information output of the device ± ΔV.

На фиг. 3а приведена структурная схема одного из возможных вариантов выполнения блока выделения сигнала дальности (8,9), где 13 и 14 - первый и второй селективные усилители, входы которых являются входами блока выделения сигнала дальности (8,9) (БВСД), а выходы подключены к входам соответствующих амплитудных детекторов 15,16, выходы которых подключены ко входам вычитающего усилителя 17, выход которого в свою очередь подключен к первому входу компаратора 18, на второй вход которого подается нулевой потенциал. Выход компаратора является выходом БВСД и одним из информационных выходов устройства V_z1 (или V_z2).In FIG. 3a shows a block diagram of one of the possible embodiments of the range signal extraction unit (8.9), where 13 and 14 are the first and second selective amplifiers whose inputs are inputs of the range signal extraction unit (8.9) (BVSD), and the outputs are connected to the inputs of the respective amplitude detectors 15,16, the outputs of which are connected to the inputs of the subtracting amplifier 17, the output of which is in turn connected to the first input of the comparator 18, to the second input of which a zero potential is supplied. The output of the comparator is the output of the BVSD and one of the information outputs of the device V _z1 (or V _z2 ).

На фиг. 3б приведена схема вычитающего усилителя 17, где A₁ - операционный усилитель.In FIG. 3b is a diagram of a subtracting amplifier 17, where A ₁ is an operational amplifier.

На фиг. 4 приводятся рисунки, поясняющие изменения диаметра и формы изображения подсвечиваемого кружка (пятна) в плоскости светочувствительного слоя позиционно-чувствительного четырехплощадочного фотоприемника 6 при использовании непрозрачной маски 4 при различных дальностях:
а) пятно находится в плоскости фокусировки объектива;
б) пятно перемещается от плоскости фокусировки в сторону объектива;
в) пятно перемещается от плоскости фокусировки в сторону удаления от объектива.In FIG. 4 are figures explaining changes in the diameter and shape of the image of the illuminated circle (spot) in the plane of the photosensitive layer of the position-sensitive four-area photodetector 6 when using an opaque mask 4 at different ranges:
a) the spot is in the focus plane of the lens;
b) the spot moves from the focusing plane towards the lens;
c) the spot moves from the focus plane to the side away from the lens.

На фиг. 5 приводятся рисунки, поясняющие изменение изображения подсвечиваемого пятна в плоскости светочувствительного слоя фотоприемника 6 при различных дальностях:
а) пятно находится в плоскости фокусировки объектива 3;
б) пятно находится в плоскости фокусировки оптической системы, состоящей из части объектива 3 и дополнительного оптического элемента 5.In FIG. 5 are drawings explaining the change in the image of the highlighted spot in the plane of the photosensitive layer of the photodetector 6 at different ranges:
a) the spot is in the focus plane of the lens 3;
b) the spot is in the focusing plane of the optical system, consisting of a part of the lens 3 and an additional optical element 5.

При использовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо аналогичных известных решений. When using the distinguishing features of the described device is not revealed any similar known solutions.

Устройство для контроля скорости движения объектов функционирует следующим образом: излучение источника подсвета (лазера) 1 с помощью зеркала 2 направляется вдоль оптической оси объектива 3. В качестве источника подсвета может быть использован любой источник света, например светодиод. Для получения параллельного пучка света светодиод может быть установлен в фокусе линзы. С целью повышения отношения "сигнал-шум" перед объективом может быть установлен полосовой оптический фильтр, спектр пропускания которого совпадает с длиной излучения источника подсвета 1. Кроме того, излучение источника подсвета может быть модулировано по амплитуде на определенной фиксированной частоте. Для модуляции излучения полупроводникового лазера достаточно подать на излучатель электрические импульсы определенной частоты. В случае, когда в качестве источника подсвета используется светодиоды, полупроводниковый или твердотельный лазеры модуляция излучения достигается импульсным напряжением питания или накачки. A device for controlling the speed of movement of objects operates as follows: the radiation of the illumination source (laser) 1 is directed along the optical axis of the lens 3 with the help of the mirror 2. Any light source, for example, an LED, can be used as the illumination source. To obtain a parallel beam of light, the LED can be installed in the focus of the lens. In order to increase the signal-to-noise ratio, a band-pass optical filter can be installed in front of the lens, the transmission spectrum of which coincides with the radiation length of the illumination source 1. In addition, the radiation of the illumination source can be modulated in amplitude at a certain fixed frequency. To modulate the radiation of a semiconductor laser, it is sufficient to apply electric pulses of a certain frequency to the emitter. In the case where LEDs are used as the illumination source, semiconductor or solid-state lasers modulate the radiation by a pulsed supply or pump voltage.

Изображение пятна подсвечиваемого источником подсвета на поверхности контролируемого объекта фокусируется объективом 3 и оптическим элементом 5 в плоскость размещения светочувствительного слоя позиционно-чувствительного четырехплощадочного фотоприемника 6. The image of the spot illuminated by the illumination source on the surface of the controlled object is focused by the lens 3 and the optical element 5 into the plane of the photosensitive layer of the position-sensitive four-area photodetector 6.

Используемый позиционно-чувствительный четырехплощадочный фотоприемник является неразвертывающим. Этот приемник не требует накопления заряда. Со всех выходов четырех квадрантов независимо друг от друга в любой момент времени возможно снять информацию V₁, V₂, V₃, V₄, что позволяет модулировать по частоте подсвечивающий луч и осуществить частотную селекцию сигналов изображения, улучшить отношение сигнал/шум и повысить помехоустойчивость устройства. Светочувствительная поверхность квадрантов позиционно- чувствительного четырехплощадочного фотоприемника 6 размещается перпендикулярно оптической оси объектива 3. Причем оптическая ось проходит через центр фотоприемника - через точку пересечения границ раздела четырех квадрантов светочувствительного слоя. При этом одна из границ раздела параллельна краю непрозрачной шторки 4. Если подсвечиваемое пятно находится в плоскости, на которую фокусирован объектив 3, изображение этого пятна будет представлять собой кружок, диаметр которого определяется следующим образом:

где F - фокусное расстояние объектива 3,
Z_сф - расстояние, на которое фокусирован объектив,
dΛ - диаметр подсвечивающего луча.The position-sensitive four-site photodetector used is non-deployable. This receiver does not require charge storage. From all outputs of the four quadrants independently of each other at any time it is possible to take information V ₁ , V ₂ , V ₃ , V ₄ , which allows you to modulate the frequency of the illuminating beam and to perform frequency selection of image signals, improve the signal-to-noise ratio and increase noise immunity devices. The photosensitive surface of the quadrants of the position-sensitive four-area photodetector 6 is perpendicular to the optical axis of the lens 3. Moreover, the optical axis passes through the center of the photodetector - through the point of intersection of the boundaries of the four quadrants of the photosensitive layer. In this case, one of the interfaces is parallel to the edge of the opaque curtain 4. If the highlighted spot is in the plane on which the lens 3 is focused, the image of this spot will be a circle whose diameter is determined as follows:

where F is the focal length of the lens 3,
Z _sf - the distance at which the lens is focused,
dΛ is the diameter of the illuminating beam.

При расфокусировке, вызванной смещением контролируемого объекта и соответственно подсвечиваемого пятна относительно плоскости фокусировки объектива 3, происходит увеличение пятна изображения светочувствительного слоя четырехплощадочного фотоприемника 6. When defocusing caused by the displacement of the controlled object and, accordingly, the highlighted spot relative to the focusing plane of the lens 3, the image spot of the photosensitive layer of the four-site photodetector 6 increases.

Известно, что для точечного объекта и непрозрачной маски 4 в виде полукруга установленный перед объективом кружок расфокусировки представляет собой круг, разделенный линией, параллельной линии раздела прозрачной и непрозрачной половинок входного зрачка объектива 3, т.е. маски 4. Излучение, составляющее каждую из половинок изображения, проходит через соответствующие половинки входного зрачка объектива 3. Причем порядок следования этих половинок определяется в зависимости от того - ближе находится точечный объект относительно плоскости фокусировки, а диаметр кружка расфокусировки d_р может быть определен по формуле (4):

где D - диаметр входного зрачка объектива,
F - фокусное расстояние объектива,
Z - расстояние от объектива до объекта,
Z_сф - расстояние, на которое сфокусирован объектив.It is known that for a point object and an opaque mask 4 in the form of a semicircle, the defocusing circle installed in front of the lens is a circle divided by a line parallel to the dividing line of the transparent and opaque halves of the entrance pupil of the lens 3, i.e. masks 4. The radiation constituting each of the halves of the image passes through the corresponding halves of the entrance pupil of the lens 3. Moreover, the sequence of these halves is determined depending on whether the point object is closer to the focus plane, and the diameter of the defocus circle d _p can be determined by the formula (4):

where D is the diameter of the entrance pupil of the lens,
F is the focal length of the lens,
Z is the distance from the lens to the object,
Z _sf - the distance at which the lens is focused.

Благодаря непрозрачной маске (шторке) 4, установленной перед объективом, для точечного объекта кружок расфокусировки представляет собой половину круга, граница которого параллельна краю непрозрачной маски (шторки) 4, а также параллельная границе раздела квадрантов светочувствительного слоя четырехплощадочного фотоприемника 6. Due to the opaque mask (curtain) 4 installed in front of the lens, for a point object, the defocusing circle is half the circle whose boundary is parallel to the edge of the opaque mask (curtain) 4, as well as parallel to the interface of the quadrants of the photosensitive layer of the four-area photodetector 6.

На фиг. 4 представлены возникающие при этом картинки. In FIG. 4 presents the resulting images.

Так, для сфокусированного подсвечиваемого пятна его изображение проектируется на фоточувствительную поверхность четырехплощадочного фотоприемника 6 симметрично относительно границы раздела верхней (В) (квадранты I, II) и нижней половинок. При этом напряжение, вырабатываемое верхней и нижней половинками фотоприемника, равны. Смещение подсвечиваемого пятна по дальности вызывает расфокусировку, причем получаемое при этом изображение становится несимметричным относительно границы раздела половинок В и H фотоприемника 6. So, for a focused illuminated spot, its image is projected onto the photosensitive surface of the four-site photodetector 6 symmetrically with respect to the interface between the upper (B) (quadrants I, II) and the lower halves. In this case, the voltage generated by the upper and lower halves of the photodetector are equal. The distance shift of the illuminated spot causes a defocus, and the resulting image becomes asymmetric relative to the interface between the halves B and H of the photodetector 6.

На фиг. 4б показано как формируется результирующее изображение подсвечиваемого пятна при его перемещении в сторону приближения от плоскости фокусировки. Приближение вызывает размытие изображения пятна в кружок расфокусировки диаметром d_р ^*. При этом, так как размер изображения подсвечиваемого пятна, перекрывающий верхнюю половину (I и II квадранты) четырехплощадочного фотоприемника 6, больше, чем размер нижнего изображения, то напряжения V₁ + V₂, вырабатываемые верхними квадрантами I и II, также будут больше, чем нижними (III, IV) V₃ + V₄.In FIG. 4b shows how the resulting image of the highlighted spot is formed when it moves toward the approximate direction from the focus plane. The approximation causes blurring of the image of the spot in the defocus circle with a diameter d _p ^* . Moreover, since the image size of the illuminated spot that covers the upper half (I and II quadrants) of the four-site photodetector 6 is larger than the size of the lower image, the voltages V ₁ + V ₂ generated by the upper quadrants I and II will also be larger than lower (III, IV) V ₃ + V ₄ .

При удалении подсвечиваемого пятна от плоскости фокусировки происходит рост диаметра кружка расфокусировки на величину d_р ^**, результирующее изображение подсвечиваемого пятна примет вид, изображенный на фиг. 4в. При этом напряжение V₃ + V₄, вырабатываемое нижней половиной (квадрантами III, IV) четырехплощадочного фотоприемника 6, будет больше напряжения V₁ + V₂, вырабатываемого верхней половиной (квадрантами I, II).When the illuminated spot is removed from the focusing plane, the diameter of the defocusing circle increases by d _p ^** , the resulting image of the illuminated spot takes the form shown in FIG. 4c. In this case, the voltage V ₃ + V ₄ generated by the lower half (quadrants III, IV) of the four-site photodetector 6 will be greater than the voltage V ₁ + V ₂ generated by the upper half (quadrants I, II).

Если же оставшуюся открытой часть входного зрачка объектива перекрыть наполовину дополнительным оптическим элементом (одной четвертой частью сферической линзы), то изображение, получаемое на фоточувствительной поверхности приемника, будет таким, как показано на фиг. 5. На фиг. 5а показано изображение, получаемое в момент, когда подсвечиваемое пятно находится в плоскости, на которую сфокусирован объектив 3. На фиг. 5б показано изображение, полученное в момент нахождения пятна в плоскости, на которую сфокусирована оптическая система, состоящая из части входного зрачка объектива 3 и дополнительного оптического элемента 5. Из этих рисунков видно, что в первом случае площади частей пятна расфокусировки, попадающих на сектора I и III фотоприемника, а следовательно, и электрические сигналы, снимаемые с них V_I и V_III равны между собой. Во втором случае равны площади частей пятна, попадающих на сектора II и IV, что соответствует равенству V_II и V_IV.If the remaining open part of the entrance pupil of the lens is half covered with an additional optical element (one fourth of the spherical lens), then the image obtained on the photosensitive surface of the receiver will be as shown in FIG. 5. In FIG. 5a shows the image obtained at the moment when the illuminated spot is in the plane onto which the lens 3 is focused. FIG. 5b shows the image obtained when the spot was in the plane onto which the optical system is focused, consisting of a part of the entrance pupil of the lens 3 and an additional optical element 5. It can be seen from these figures that in the first case the areas of the defocus spots fall on sectors I and III photodetector, and therefore, the electrical signals removed from them V _I and V _III are equal to each other. In the second case, the areas of the spot parts falling on sectors II and IV are equal, which corresponds to the equality of V _II and V _IV .

Обработка величин электрических сигналов V_I, V_II и V_III, V_IV с целью извлечения информации о скорости движения объекта осуществляется в блоке обработки сигналов 7.The processing of the values of the electrical signals V _I , V _II and V _III , V _IV in order to extract information about the speed of the object is carried out in the signal processing unit 7.

Блок обработки сигналов дальности 7 (фиг. 2) функционирует следующим образом: напряжения V_I и V_III с 1, 3 выходов квадрантов позиционно-чувствительного четырехплощадочного фотоприемника 6 поступают на входы первого блока выделения сигнала дальности БВСД_I) 8, а напряжения V_II и V_IV с выходов 2, 4 квадрантов фотоприемника 6 - на входы второго БВСД₂ 9. Оба БВСД 8, 9 абсолютно одинаковы.The range signal processing unit 7 (Fig. 2) operates as follows: the voltages V _I and V _III from 1, 3 of the quadrant outputs of the position-sensitive four-site photodetector 6 are supplied to the inputs of the first BDSD range signal selection unit _I ) 8, and the voltages V _II and V _IV from the outputs 2, 4 of the quadrants of the photodetector 6 - to the inputs of the second BVSD ₂ 9. Both BVSD 8, 9 are absolutely identical.

БВСД имеет на входе первый 13 и второй 14 селективные (резонансные) усилители, настроенные на частоту модуляции лазерного излучения (фиг. 3а). Усиленные сигналы детектируются амплитудными детекторами 15, 16 и поступают на входы вычитающего усилителя 17. Результат операции V_I - V_III (или V_III - V_IV) далее поступает на вход компаратора 18, где сравнивается с нулем, установленным на его втором входе. Если расстояние до подсвечиваемой точки объекта равно расстоянию Z₁, на которое сфокусирован объектив устройства, сигнал на выходе схемы вычитания равен нулю. При расстоянии, большем сфокусированного, сигнал на выходе схемы вычитания меньше нуля, а при расстоянии до точки подсвета, меньшем сфокусированного, - больше нуля.The BVSD has at the input the first 13 and second 14 selective (resonant) amplifiers tuned to the modulation frequency of the laser radiation (Fig. 3a). The amplified signals are detected by the amplitude detectors 15, 16 and fed to the inputs of the subtracting amplifier 17. The result of the operation V _I - V _III (or V _III - V _IV ) is then fed to the input of the comparator 18, where it is compared with the zero set at its second input. If the distance to the highlighted point of the object is equal to the distance Z ₁ at which the device’s lens is focused, the signal at the output of the subtraction circuit is zero. With a distance greater than the focused one, the signal at the output of the subtraction circuit is less than zero, and with a distance to the backlight point less than the focused one, it is greater than zero.

Выбором объектива 3 и оптического элемента 5 определяется зона по дальности, Z₁ и Z₂, при попадании в которую приближающее подсвечиваемое пятно проявление сигнала сперва на выходе первого БВСД₁8, а при дальнейшем и на выходе второго БВСД₂9.The choice of the lens 3 and the optical element 5 determines the range in range, Z ₁ and Z ₂ , when the approximate highlighted spot hits the signal first at the output of the first BVSD ₁ 8, and later on, at the output of the second BVSD ₂ 9.

Таким образом, БВСД 8 и ББСД 9 вырабатывают электрические сигналы V_z1 и V_z2 при прохождении объектов плоскостей, удаленных на расстоянии Z₁ и Z₂ от объектива, соответственно. Сигналы V_I и V_II последовательно поступают на соответствующие первый и второй входы триггера 10, который формирует импульс, дальность которого соответствует времени прохождения расстояния ΔZ = Z₁-Z₂. Формирователь импульсов 11, запускаемый сигналом V_z1, формирует импульс эталонной длительности, соответствующий допустимому значению скорости объекта.Thus, BVSD 8 and BBSD 9 generate electrical signals V _z1 and V _z2 when passing objects of planes remote at a distance of Z ₁ and Z ₂ from the lens, respectively. The signals V _I and V _{II are} sequentially supplied to the corresponding first and second inputs of the trigger 10, which generates a pulse whose range corresponds to the travel time ΔZ = Z ₁ -Z ₂ . The pulse shaper 11, triggered by the signal V _z1 , generates a pulse of the reference duration corresponding to the allowable value of the speed of the object.

Схема сравнения длительностей 12 сравнивает τ и τ_э и на выходе формирует сигнал ± ΔV, величина и полярность которого характеризует отклонение скорости объекта от допустимой.

The duration comparison circuit 12 compares τ and τ _e and generates a signal ± ΔV at the output, the magnitude and polarity of which characterizes the deviation of the object’s speed from the permissible one.

Выходные сигналы блоков выделения сигналов дальности V_z1 и V_z2 могут быть использованы как информационные для определения границ зон "предупреждения" и "опасного приближения" в системах предупреждения столкновения транспортных средств, захватов роботов-манипуляторов и т.д.The output signals of the signal separation blocks of the range signals V _z1 and V _z2 can be used as information for determining the boundaries of the “warning” and “dangerous approach” zones in systems for preventing collisions of vehicles, captures of robotic manipulators, etc.

Источник подсвета 1 может быть выполнен как на основе газового лазера, так и на базе полупроводникового лазера, например, типа ТН-10, снабженного фокусирующей оптической системой, создающей узкий пучок подсвета. Причем частота импульсов излучения должна соответствовать резонансной частоте настройки усилителей 13 и 14. В качестве позиционно-четырехплощадочного фотоприемника 6 может использоваться фотодиод ФДК-142. В качестве компараторов могут быть использованы микросхемы КР-597СА2. Схема вычитающего усилителя может быть собрана на операционном усилителе 5. Если цель двигается и находится на оптической оси объектива устройства, то оно может работать без источника подсвета. Illumination source 1 can be performed both on the basis of a gas laser and on the basis of a semiconductor laser, for example, of the ТН-10 type, equipped with a focusing optical system that creates a narrow illumination beam. Moreover, the frequency of the radiation pulses should correspond to the resonant tuning frequency of the amplifiers 13 and 14. As a positional four-site photodetector 6, the FDK-142 photodiode can be used. As comparators, KR-597CA2 microcircuits can be used. The circuit of the subtracting amplifier can be assembled on the operational amplifier 5. If the target moves and is located on the optical axis of the lens of the device, then it can work without a backlight.

Используя в составе блока обработки сигналов 7 микроЭВМ со средствами ввода-выхода аналоговой информации, возможно произвести линеаризацию характеристики датчика и возложить на микроЭВМ все вычислительные операции. Using as part of the signal processing unit 7 microcomputers with analogue input-output means, it is possible to linearize the sensor characteristics and assign all the computing operations to the microcomputer.

При расположении и движении светящейся цели вдоль оси объектива устройства оно может работать и в пассивном режиме, т.е. без источника подсвета. Такие задачи возникают, когда светящаяся цель двигается вдоль одной прямой или датчик установлен на следящей платформе. В этом случае необходимость в признаках 1 и 2 отпадает, а усилители 13 и 14 в блоке обработки сигналов должны быть усилителями постоянного тока. With the location and movement of the luminous target along the axis of the lens of the device, it can also work in a passive mode, i.e. without light source. Such tasks arise when the luminous target moves along one straight line or the sensor is installed on a tracking platform. In this case, the need for signs 1 and 2 disappears, and the amplifiers 13 and 14 in the signal processing unit must be DC amplifiers.

По сравнению с прототипом предложенное техническое решение обладает более широкими функциональными возможностями. Оно позволяет определить дальность и скорость относительного движения объекта. Compared with the prototype, the proposed technical solution has wider functionality. It allows you to determine the range and speed of the relative motion of the object.

Выходные сигналы рассогласования V_z1V_z2 могут быть поданы для отработки на рулевые органы управления устройством. Объект, на котором установлен измеритель, удаляется или приближается, сводя сигнал рассогласования к нулю. Данное устройство может быть использовано в теплотехнике в качестве указателя препятствий слепым. При этом сигналы рассогласования V_z1V_z2 могут быть преобразованы в звуковой сигнал, тональность которого меняется в зависимости от величины и знака V_z1V_z2.The output mismatch signals V _z1 V _z2 can be fed to the steering controls of the device for testing. The object on which the meter is mounted moves away or approaches, reducing the error signal to zero. This device can be used in heat engineering as an indicator of obstacles to the blind. In this case, the mismatch signals V _z1 V _z2 can be converted into an audio signal, the tonality of which varies depending on the magnitude and sign of V _z1 V _z2 .

Устройство с высокой экономической эффективностью может быть применено в системах управления роботов-манипуляторов и в системах предупреждения столкновений транспортных средств и летательных аппаратов. Сигнал рассогласования также может быть использован для автоматической фокусировки объектива на объект. The device with high economic efficiency can be used in control systems of robotic manipulators and in collision avoidance systems of vehicles and aircraft. The error signal can also be used to automatically focus the lens on the subject.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Устройство для определения скорости движения объектов. Заявка Великобритании N 1410553, G 01 P 3/68, 1975 г.Sources of information taken into account when preparing the application
1. Device for determining the speed of movement of objects. UK application N 1410553, G 01 P 3/68, 1975

2. Устройство для измерения дальности. Патент США N 3765765, НКИ 365-4. 2. A device for measuring range. U.S. Patent No. 3,765,765, NKI 365-4.

3. Воробьев С. А. , Баранов Ю.И., Типаев В.В. Фотоэлектрический датчик скорости вращения. SU N 1081543, G 01 P З/36 23.03.84. 3. Vorobyov S. A., Baranov Yu.I., Tipaev V.V. Photoelectric rotational speed sensor. SU N 1081543, G 01 P З / 36 03/23/84.

4. Украинский С.В. Стереоскопический базис однообъективной стереотелевизионной системы. "Техника кино и телевидения". N7, с.48, 1982 г. 4. Ukrainian S.V. Stereoscopic basis of a single-lens stereo television system. "Technique of film and television." N7, p. 48, 1982

5. Шилов В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Сов. Радио, 1979, с.158. 5. Shilov V.L. Line integrated circuits. M .: Sov. Radio 1979, p. 158.

Claims

1. A device for controlling the range and speed of movement of objects, containing a light source and a mirror optically coupled to it, a lens and a position-sensitive four-area photodetector, the quadrant outputs of which are connected to the inputs of the signal processing unit, characterized in that an optical element is introduced into it in the form a rectangular sector of a spherical lens, optically conjugated to the lens, and an opaque mask, which is installed so that overlaps part of the entrance pupil of the lens, with the border section and the quadrants of the four-site photodetector run parallel to the edges of the opaque mask and the optical element.

2. A device for controlling the range and speed of movement of objects according to claim 1, characterized in that the signal processing unit contains the first and second blocks of selection of range signals, a trigger, a pulse shaper and a circuit for comparing durations, while the first and second inputs of blocks of selection of range signals are respectively the first to fourth inputs of the signal processing unit, and the outputs of the range signal extraction units are the first and second information outputs of the device, which are connected to the corresponding inputs flip-flop, a first input to the input Yu.P. pulse shaper, furthermore, the outputs of the pulse and the flip-flop circuit connected to the comparison durations, the output of which is the third data output device.

3. The device for controlling the range and speed of objects according to claim 2, characterized in that the range signal extraction unit contains first and second selective amplifiers, a subtraction circuit and a comparator, while the inputs of the selective amplifiers are inputs of the range signal extraction unit, and the outputs of the amplifiers are connected to the corresponding inputs of the subtraction circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the housing, and the output of the comparator is the output of the selection of range signals.