RU2230346C1

RU2230346C1 - Facility for remote detection of optical light-returning systems

Info

Publication number: RU2230346C1
Application number: RU2003122737/28A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Барышников (RU); Н.В. Барышников; В.Б. Бокшанский (RU); В.Б. Бокшанский; зовых М.В. В (RU); М.В. Вязовых; И.В. Животовский (RU); И.В. Животовский; В.Е. Карасик (RU); В.Е. Карасик
Original assignee: Барышников Николай Васильевич; Бокшанский Василий Болеславович; Вязовых Максим Вячеславович; Животовский Илья Вадимович; Карасик Валерий Ефимович
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2004-06-10

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: transmitting channel of facility has laser connected to output of unit of power supply and laser control and forming optical system. Receiving channel of facility houses receiving lens and CCD matrix which first output is connected to input of TV monitor. Facility is supplemented with photodetector which output is connected to first input of microprocessor control unit, second output of CCD matrix is connected to second input of microprocessor control unit which output is coupled to input of unit of power supply and laser control that can regulate duration of laser pulses in compliance with dependence which matches up duration of radiation pulses of laser with rise of values of external illumination intensity from E to 0 to value E' at which value of noise of backward scattering does not exceed sensitivity threshold of CCD matrix and which falls with further increase of values of external illumination intensity. EFFECT: provision for all-day operation of facility thanks to diminished effect of noise of backward scattering with simultaneous decrease of energy consumption. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее к лазерным локационным системам дистанционного обнаружения оптических световозвращающих систем - уголковых световозвращателей, микростеклосфер, а также оптических и оптико-электронных систем (ОЭС) - снайперских прицелов, биноклей и т.д. Как правило, любая ОЭС обладает эффектом световозвращения, возникающим при ее подсвете узконаправленным пучком излучения и заключающимся в том, что значительная часть этого излучения после отражения от оптических поверхностей световозвращателя возвращается в направлении на источник подсвета, где и может быть зарегистрирована.The invention relates to the field of optical instrumentation, and more specifically to laser ranging systems for the remote detection of optical retroreflective systems - corner retroreflectors, micro glass spheres, as well as optical and optoelectronic systems (ECO) - sniper sights, binoculars, etc. As a rule, any OES has a retroreflective effect arising from its illumination by a narrow beam of radiation and consisting in the fact that a significant part of this radiation, after reflection from the optical surfaces of the retroreflector, returns in the direction of the illumination source, where it can be detected.

Известно устройство для дистанционного обнаружения оптических световозвращающих систем (RU 2191417 С1, опубл. в БИ №29, 2002 г.), содержащее (см. фиг.1) в передающем канале лазер 1, соединенный с выходом блока питания и управления лазером 2 и оптически сопряженный с формирующей оптической системой 3, а в приемном канале - приемный объектив 4 и установленную в его фокальной плоскости ФПЗС-камеру 5, выход которой является видеовыходом и соединен со входом телевизионного монитора 6. Принцип работы устройства основан на использовании явления световозвращения, возникающего при подсветке инспектируемой ОЭС узконаправленным пучком излучения. Часть излучения, попавшая во входной зрачок ОЭС, отражается от поверхностей его оптической системы (ОС) в направлении точно на источник подсвета. Приемная система устройства регистрирует отраженное излучение - в данном случае в виде яркого блика на экране монитора.A device for remote detection of optical retroreflective systems (RU 2191417 C1, publ. In BI No. 29, 2002), containing (see figure 1) in the transmitting channel a laser 1 connected to the output of the power supply and laser control 2 and optically coupled to the forming optical system 3, and in the receiving channel, a receiving lens 4 and a FPGA camera 5 mounted in its focal plane, the output of which is a video output and connected to the input of a television monitor 6. The principle of the device is based on the use of the phenomenon of light return tions occurring when illumination of the inspected ECO highly directional beam radiation. Part of the radiation that has entered the entrance pupil of the ECO is reflected from the surfaces of its optical system (OS) in the direction exactly to the backlight. The receiving system of the device registers reflected radiation - in this case, in the form of a bright glare on the monitor screen.

К недостаткам устройства относятся следующие:The disadvantages of the device include the following:

1. Недостаточный динамический диапазон работы при изменении уровня внешней освещенности, ограничивающей возможности использования устройства в условиях низкой естественной освещенности (глубокие сумерки) или ночью. Указанное ограничение обусловлено влиянием помехи обратного рассеяния (ПОР), возникающей в атмосферном канале распространения лазерного излучения при подсвете объекта. В процессе работы днем, когда уровень фоновой освещенности достаточно велик (превышает 10⁴ лк), влияние ПОР несущественно из-за специфики работы телевизионной ФПЗС-камеры. Эта специфика заключается в том, что телевизионная камера фоточувствительна только в течение времени накопления Т_н. Именно во время накопления происходит регистрация отраженного световозвращателем и подстилающей поверхностью лазерного излучения. Кроме того, при постоянной частоте повторения периодов накопления, равной 50 Гц, длительность времени накопления является переменной, зависящей от уровня внешней освещенности Е, и изменяется от 10 мкс (при ярких фонах) до 20 мс (ночью). Поэтому при работе ночью, когда фоновая засветка отсутствует, а величина Т_н максимальна, влияние ПОР становится доминирующим и приводит к срыву обнаружения ОЭС из-за ослепления приемного канала. При этом увеличение мощности лазера с целью повышения дальности обнаружения вызывает возрастание интенсивности помехи на экране монитора.1. The insufficient dynamic range of work when changing the level of ambient light, limiting the ability to use the device in low natural light conditions (deep twilight) or at night. The specified limitation is due to the influence of backscattering interference (POR) arising in the atmospheric channel of the propagation of laser radiation when the object is illuminated. In the course of work during the day, when the level of background illumination is sufficiently high (exceeds 10 ⁴ lux), the effect of POR is insignificant due to the specifics of the operation of the television FPPS camera. This specificity lies in the fact that the television camera is photosensitive only during the accumulation time T _n . It is during the accumulation that registration of the laser radiation reflected by the reflector and the underlying surface occurs. In addition, with a constant repetition rate of the accumulation periods equal to 50 Hz, the duration of the accumulation time is a variable depending on the level of external illumination E, and varies from 10 μs (with bright backgrounds) to 20 ms (at night). Therefore, when working at night, when there is no background illumination, and the value of T _{n is} maximum, the POR effect becomes dominant and leads to a failure in the detection of the ECO due to the blinding of the receiving channel. In this case, an increase in laser power in order to increase the detection range causes an increase in the intensity of interference on the monitor screen.

2. Высокое энергопотребление устройства, обусловленное использованием мощного лазера в непрерывном режиме.2. High power consumption of the device due to the use of a powerful laser in a continuous mode.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности работы прибора в любое время суток за счет уменьшения влияния помехи обратного рассеяния с одновременным снижением энергопотребления.The aim of the present invention is to provide the possibility of operation of the device at any time of the day by reducing the influence of interference backscattering while reducing energy consumption.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для дистанционного обнаружения оптических световозвращающих систем, содержащем в передающем канале лазер, соединенный с выходом блока питания и управления лазером и оптически сопряженный с формирующей оптической системой, а в приемном канале - приемный объектив и установленную в его фокальной плоскости ПЗС-матрицу, первый выход которой является видеовыходом и соединен со входом телевизионного монитора, дополнительно введен фотоприемник и микропроцессорный блок управления, причем выход фотоприемника соединен с первым входом микропроцессорного блока управления с возможностью передачи на него сигнала, пропорционального внешней освещенности, второй выход ПЗС-матрицы соединен со вторым входом микропроцессорного блока управления с возможностью передачи на него сигналов, соответствующих началу накопления и времени накопления ПЗС-матрицы, выход микропроцессорного блока управления соединен со входом блока питания и управления лазером, выполненным с возможностью автоматического регулирования средней мощности лазера посредством изменения длительности импульсов излучения лазера в соответствии с зависимостью, согласно которой длительность импульсов излучения лазера увеличивается при увеличении значений внешней освещенности Е от 0 до значения Е', при котором величина помехи обратного рассеяния не превышает порога чувствительности ПЗС-матрицы, и уменьшается при дальнейшем увеличении значений внешней освещенности.This goal is achieved by the fact that in the device for remote detection of optical retroreflective systems containing a laser in the transmitting channel, connected to the output of the power supply and laser control unit and optically coupled to the forming optical system, and in the receiving channel, a receiving lens and mounted in its focal plane A CCD matrix, the first output of which is a video output and connected to the input of a television monitor, additionally introduces a photodetector and a microprocessor control unit, and the course of the photodetector is connected to the first input of the microprocessor control unit with the possibility of transmitting a signal proportional to the ambient light to it, the second output of the CCD matrix is connected to the second input of the microprocessor control unit with the possibility of transmitting signals corresponding to the beginning of accumulation and accumulation time of the CCD matrix, output the microprocessor control unit is connected to the input of the power supply and laser control unit, configured to automatically control the average laser power and by changing the duration of the laser radiation pulses in accordance with the dependence, according to which the duration of the laser radiation pulses increases with increasing values of ambient illumination E from 0 to E ', at which the backscattering noise does not exceed the sensitivity threshold of the CCD matrix, and decreases further increasing the values of ambient light.

Наиболее оптимальный режим работы устройства может быть достигнут в том случае, когда согласно указанной зависимости при увеличении значений внешней освещенности Е от 0 до значения Е' длительность импульсов излучения лазера увеличивается до величины, не превышающей значение времени накопления ПЗС-матрицы при внешней освещенности, равной Е'. Кроме того, целесообразно, чтобы согласно указанной зависимости при увеличении значений внешней освещенности более величины Е' длительность импульсов излучения лазера уменьшается до величины, соответствующей минимальному времени накопления ПЗС-матрицы.The most optimal mode of operation of the device can be achieved when, according to the indicated dependence, when the values of the external illumination E are increased from 0 to the value E ', the duration of the laser radiation pulses increases to a value not exceeding the accumulation time of the CCD matrix with external illumination equal to E '. In addition, it is advisable that, according to the indicated dependence, when the values of external illumination increase more than E ', the duration of the laser radiation pulses decreases to a value corresponding to the minimum accumulation time of the CCD matrix.

На фиг.1 представлена блок-схема известного устройства.Figure 1 presents a block diagram of a known device.

На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного обнаружения оптических световозвращающих систем.Figure 2 presents a block diagram of the proposed device for remote detection of optical retroreflective systems.

На фиг.3 показаны одновременно две зависимости: зависимость длительности импульсов лазера Т_ли от внешней освещенности Е и зависимость времени накопления ПЗС-матрицы Т_н от внешней освещенности Е.3 shows two simultaneous dependence: dependence on _{whether the} laser pulse duration T E, and the environmental illuminance dependence of the accumulation of the CCD-matrix T _n from the environmental illuminance E.

Устройство для дистанционного обнаружения оптических световозвращающих систем (фиг.2) содержит передающий и приемный каналы. В передающем канале установлен лазер 1, соединенный с выходом блока питания и управления лазером 2 и оптически сопряженный с формирующей оптической системой 3. В приемном канале установлены приемный объектив 4 и в его фокальной плоскости ФПЗС-камера 5. Первый выход ФПЗС-камеры 5 является видеовыходом и соединен со входом телевизионного монитора 6. Фотоприемник 7 предназначен для определения величины внешней освещенности Е. Выход фотоприемника 7 соединен с первым входом микропроцессорного блока управления 8 с возможностью передачи на него сигнала, пропорционального внешней освещенности Е. Второй выход ФПЗС-камеры 5 соединен со вторым входом микропроцессорного блока управления 8 с возможностью передачи на него сигналов, соответствующих началу накопления и времени накопления ФПЗС-камеры. Выход микропроцессорного блока управления 6 соединен со входом блока питания и управления лазером 2, выполненным с возможностью автоматического регулирования средней мощности лазера 1.A device for remote detection of optical retroreflective systems (figure 2) contains transmitting and receiving channels. A laser 1 is installed in the transmitting channel, which is connected to the output of the power supply and laser control unit 2 and optically coupled to the forming optical system 3. A receiving lens 4 is installed in the receiving channel and in its focal plane the FPGA camera 5. The first output of the FPGA camera 5 is a video output and connected to the input of the television monitor 6. The photodetector 7 is designed to determine the amount of ambient light E. The output of the photodetector 7 is connected to the first input of the microprocessor control unit 8 with the possibility of transmitting of the signal proportional to the external illumination E. The second output of the FPGA camera 5 is connected to the second input of the microprocessor control unit 8 with the possibility of transmitting signals corresponding to the beginning of accumulation and the accumulation time of the FPGA camera. The output of the microprocessor control unit 6 is connected to the input of the power supply and laser control 2, configured to automatically control the average power of the laser 1.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Зондирующее излучение, формируемое лазером 1, в качестве которого обычно используют полупроводниковый лазерный излучатель, пройдя формирующую оптическую систему 3, попадает на инспектируемую световозвращаемую систему, например, ОЭС. Часть отраженного от ОЭС излучения попадает во входной зрачок приемного объектива 4 и далее на ФПЗС-камеру 5. При этом на чувствительной поверхности последней объектив 4 формирует оптическое изображение подстилающей поверхности и яркого блика отраженного от ОЭС излучения. С выхода ФПЗС-камеры 5 электрический видеосигнал поступает на вход малогабаритного телевизионного монитора (ТВ-видоискателя) 6, на экране которого формируется телевизионное изображение. Кроме того, электрический видеосигнал поступает на внешний разъем для обеспечения дистанционного использования устройства (на чертежах не показано).The probe radiation generated by the laser 1, which is usually used as a semiconductor laser emitter, passing through the forming optical system 3, falls on the inspected retroreflective system, for example, ECO. A part of the radiation reflected from the OES enters the entrance pupil of the receiving lens 4 and then onto the FPGA camera 5. In this case, on the sensitive surface of the latter, the lens 4 forms an optical image of the underlying surface and the bright flare of the radiation reflected from the OES. From the output of the FPGA camera 5, the electric video signal is fed to the input of a small-sized television monitor (TV viewfinder) 6, on the screen of which a television image is formed. In addition, an electrical video signal is supplied to an external connector to ensure remote use of the device (not shown in the drawings).

Микропроцессорный блок управления 8 обеспечивает автоматическое управление процессом подсвета. При получении сигналов синхронизации с ФПЗС-камеры 5, блок 8 формирует импульсы включения лазера 1, которые следуют в блок питания и управления лазером 2 (драйвер лазера) и обеспечивают синхронный с работой ФПЗС-камеры подсвет. При этом длительность лазерных импульсов Т_ли (Е) подсвета не превышает времени накопления ФПЗС-камеры Т_н (Е), что обеспечивает существенную экономию потребления электрической энергии (примерно в 100 - 1000 раз) по сравнению с непрерывным режимом. Одновременно сигналы с фотоприемника 7, пропорциональные внешней освещенности Е, осуществляют регулирование средней мощности излучения лазера 1 в микроблоке 8 изменением длительности импульсов управления Т_ли (Е) таким образом, чтобы не допустить появления на экране ТВ-видоискателя 6 изображения помехи обратного рассеяния.Microprocessor control unit 8 provides automatic control of the backlight process. Upon receipt of synchronization signals from the FPSC camera 5, block 8 generates pulses for turning on the laser 1, which follow to the power supply and control unit laser 2 (laser driver) and provide backlight synchronized with the operation of the FPSC camera. In this case, the duration of the laser pulses T _li (E) of illumination does not exceed the accumulation time of the FPGA camera T _n (E), which provides significant savings in the consumption of electric energy (about 100 - 1000 times) compared with the continuous mode. At the same time, signals from the photodetector 7, proportional to the external illumination E, control the average radiation power of the laser 1 in the microblock 8 by changing the duration of the control pulses T _Li (E) in such a way as to prevent backscattering interference on the screen of the TV viewfinder 6.

В системе используется полупроводниковый лазер, работающий в непрерывном режиме. Система управления обеспечивает его включение и выключение на время Т_ли (Е) в зависимости от времени накопления ФПЗС-матрицы и внешней освещенности. Для современных ПЗС-матриц Т_н (Е) составляет от 10 мкс до 20 мс. При этом длительность лазерных импульсов Т_ли (Е) подсвета не превышает времени накопления ПЗС-матрицы Т_н (Е). Отметим, что в отличие от этого, полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме, формирует более короткие импульсы - порядка 200 нc.The system uses a semiconductor laser operating in a continuous mode. The control system provides its on and off for the time T _whether (E), depending on the time of accumulation of the FPGA matrix and the ambient light. For modern CCDs, T _n (E) is between 10 μs and 20 ms. In this case, the duration of the laser pulses T _li (E) of illumination does not exceed the accumulation time of the CCD matrix T _n (E). Note that, in contrast, a pulsed semiconductor laser generates shorter pulses of the order of 200 ns.

Вид зависимости длительности импульсов лазера от внешней освещенности устанавливается экспериментально. Один из вариантов реализации этой зависимости приведен на фиг.3. В диапазоне освещенностей, соответствующем сумеркам и ночным условиям наблюдения, т.е. от 0 до значения Е', при котором величина помехи обратного рассеяния уже не превышает порога чувствительности ПЗС-матрицы, время накопления матрицы максимально и максимальна вероятность появления ПОР. При этом средняя мощность лазера и, соответственно, длительность импульсов лазера нелинейно возрастает с ростом освещенности. На фиг.3 величина Е' приблизительно равна 10 лк, однако в зависимости от мощности лазера, конкретного типа используемой ПЗС-матрицы и дальности до световозвращающей системы значение Е' может изменяться. После достижения внешней освещенности величины, превышающей Е', длительность импульсов лазера линейно снижается в соответствии со снижением времени накопления матрицы и при дальнейшем увеличении Е (свыше 10⁴ лк) остается постоянной.The dependence of the laser pulse duration on the external illumination is established experimentally. One of the options for implementing this dependence is shown in figure 3. In the illumination range corresponding to twilight and night observation conditions, i.e. from 0 to the value of E ', at which the magnitude of the backscatter interference no longer exceeds the sensitivity threshold of the CCD matrix, the accumulation time of the matrix is the maximum and maximum probability of the appearance of POR. In this case, the average laser power and, accordingly, the laser pulse duration nonlinearly increases with increasing illumination. In figure 3, the value of E 'is approximately equal to 10 lux, however, depending on the laser power, the specific type of CCD used and the distance to the retroreflective system, the value of E' may vary. After the external illumination reaches a value exceeding E ', the laser pulse duration decreases linearly in accordance with the reduction of the matrix accumulation time and with a further increase in E (over 10 ⁴ lux) remains constant.

На фиг.3 показан вид зависимости, обеспечивающий оптимальный режим работы устройства, когда при увеличении значений внешней освещенности Е от 0 до значения Е' длительность импульсов излучения лазера увеличивается до величины, не превышающей значение времени накопления ПЗС-матрицы при внешней освещенности, равной Е', а при увеличении значений внешней освещенности более величины Е' длительность импульсов излучения лазера уменьшается до величины, соответствующей минимальному времени накопления ПЗС-матрицы. На графике показан один из возможных видов зависимости, согласно которой длительность импульсов излучения лазера уменьшается до величины, соответствующей минимальному времени накопления ПЗС-матрицы при внешней освещенности, равной Е_mах, и эта величина в каждом конкретном случае может иметь разные значения в зависимости от типа ПЗС-матрицы, вида обнаруживаемой световозвращающей системы и т.п.Figure 3 shows a view of the dependence that provides the optimal mode of operation of the device when, when the values of the external illumination E are increased from 0 to the value E ', the laser pulse duration increases to a value not exceeding the accumulation time of the CCD matrix under external illumination equal to E' , and with increasing values of external illumination more than E ', the duration of the laser radiation pulses decreases to a value corresponding to the minimum accumulation time of the CCD matrix. The graph shows one of the possible types of dependence, according to which the duration of the laser radiation pulses decreases to a value corresponding to the minimum accumulation time of the CCD matrix with external illumination equal to E _max , and this value in each case can have different values depending on the type of CCD -matrix, type of detectable retroreflective system, etc.

Как уже указывалось, конкретный вид зависимости длительности импульсов лазера от внешней освещенности может быть получен экспериментально, например, путем исследования качества изображения на экране видеомонитора при изменении средней мощности лазера. При этом устанавливается такая средняя мощность лазерного излучения и, следовательно, длительность импульсов лазера, при которой изображение ПОР на экране практически не обнаруживается пятью наблюдателями из шести. После этого производится измерение внешней освещенности с помощью фотоприемника, например, люксметра, и средней мощности лазера с помощью аттестованного измерителя (например, типа ИМО-2). Измеренные значения в дальнейшем заносятся в память встроенного компьютера для обеспечения работы прибора в автоматическом режиме. Описанные измерения повторяются для других значений внешней освещенности в рабочем диапазоне.As already indicated, a specific form of the dependence of the laser pulse duration on external illumination can be obtained experimentally, for example, by studying the image quality on the screen of a video monitor when the average laser power changes. In this case, such an average laser radiation power and, consequently, the laser pulse duration is established at which five out of six observers practically do not detect the POR image on the screen. After that, the ambient light is measured using a photodetector, for example, a light meter, and the average laser power using a certified meter (for example, IMO-2 type). The measured values are subsequently recorded in the memory of the built-in computer to ensure the operation of the device in automatic mode. The described measurements are repeated for other values of ambient light in the operating range.

Питание всех элементов устройства осуществляется с помощью блока питания (на чертежах не показан) от малогабаритного аккумулятора. В результате динамический диапазон работы устройства увеличивается более чем в 1000 раз в область малых уровней внешней освещенности, так что реализуется возможность круглосуточной работы, а энергопотребление снижается по сравнению с непрерывным режимом подсвета не менее чем в 100 раз.The power of all elements of the device is carried out using a power supply (not shown in the drawings) from a small battery. As a result, the dynamic range of the device’s operation increases by more than 1000 times to the area of low levels of external illumination, so that the possibility of round-the-clock operation is realized, and power consumption is reduced by at least 100 times compared with the continuous mode of illumination.

Claims

1. A device for the remote detection of reflective systems, containing a laser in the transmitting channel connected to the output of the power supply and laser control unit and optically coupled to the forming optical system, and in the receiving channel, a receiving lens and a CCD array mounted in its focal plane, the first output which is a video output and is connected to the input of a television monitor, characterized in that the device further includes a photodetector and a microprocessor control unit, the output of the photodetector connected to the first input of the microprocessor control unit with the possibility of transmitting a signal proportional to the ambient light to it, the second output of the CCD matrix is connected to the second input of the microprocessor control unit with the ability to transmit signals corresponding to the beginning of accumulation and accumulation time of the CCD matrix, the output of the microprocessor unit the control is connected to the input of the power supply and laser control, configured to automatically adjust the average laser power by measuring the duration of the laser radiation pulses in accordance with the dependence according to which the laser pulse duration increases with increasing ambient illumination E from 0 to E ', at which the backscattering noise does not exceed the sensitivity threshold of the CCD matrix, and decreases with a further increase in the values ambient light.

2. The device according to claim 1, characterized in that according to the indicated dependence, when the values of the external illumination E are increased from 0 to the value E ', the duration of the laser radiation pulses increases to a value not exceeding the accumulation time of the CCD matrix with external illumination equal to E' .

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that according to the indicated dependence, when the values of external illumination increase more than E ', the laser pulse duration decreases to a value corresponding to the minimum accumulation time of the CCD matrix.