RU2575318C1 - Method to measure distance to objects, their angular coordinates and mutual location and device for its realisation - Google Patents
Method to measure distance to objects, their angular coordinates and mutual location and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575318C1 RU2575318C1 RU2014133458/28A RU2014133458A RU2575318C1 RU 2575318 C1 RU2575318 C1 RU 2575318C1 RU 2014133458/28 A RU2014133458/28 A RU 2014133458/28A RU 2014133458 A RU2014133458 A RU 2014133458A RU 2575318 C1 RU2575318 C1 RU 2575318C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- laser
- objects
- angular
- distance
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 206010036618 Premenstrual syndrome Diseases 0.000 description 1
- 108060007885 SSGA Proteins 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения расстояния до объектов, находящихся в поле обзора, их угловых координат и взаимного расположения.The invention relates to measuring technique and can be used to simultaneously measure the distance to objects in the field of view, their angular coordinates and relative position.
Известен способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат, состоящий в излучении в направление зоны обзора импульса света, например, с помощью инфракрасных светодиодов и детектировании отраженных импульсов света, например, с помощью фоточувствительных элементов [1]. При излучении одного импульса света от объектов в зоне обзора, находящихся на разных угловых координатах и разных расстояниях, отражаются множество импульсов света, которые фокусируются и детектируются фоточувствительными элементами. Положение фоточувствительного элемента, на который поступает отраженный импульс света, определяет угловые координаты объекта в зоне обзора, от которого поступил сигнал, соответствующий детектированному импульсу света. Импульс света, в силу Эффекта Доплера, при отражении от движущегося объекта изменяет свою длительность - увеличивается, если объект удаляется, и уменьшается, если объект приближается, при этом изменяются несущая частота и частота модуляции сигнала. Изменение несущей частоты при отражении от движущегося объекта приводит к изменению длительности отраженного импульса света. Сигналы от отраженных импульсов света, детектированные на фоточувствительных элементах, оцифровывают. Недостатком этого способа является ограниченное поле обзора из-за узкой диаграммы направленности излучения.A known method of detecting objects, measuring speed, range and angular coordinates, consisting in radiation in the direction of the field of view of the light pulse, for example, using infrared LEDs and detecting reflected light pulses, for example, using photosensitive elements [1]. When a single light pulse is emitted from objects in the field of view located at different angular coordinates and different distances, many light pulses are reflected, which are focused and detected by photosensitive elements. The position of the photosensitive element to which the reflected light pulse arrives determines the angular coordinates of the object in the field of view, from which the signal corresponding to the detected light pulse is received. The light pulse, due to the Doppler effect, when reflected from a moving object, changes its duration - increases if the object moves away, and decreases if the object approaches, while the carrier frequency and the modulation frequency of the signal change. A change in the carrier frequency upon reflection from a moving object leads to a change in the duration of the reflected light pulse. The signals from the reflected light pulses detected on the photosensitive elements are digitized. The disadvantage of this method is the limited field of view due to the narrow radiation pattern.
Известны фасеточные оптико-электронные системы, поле обзора которых перекрывается множеством оптических каналов, состоящих из объектива и приемника излучения [2]. Такие системы обладают высоким быстродействием, но не обеспечивают измерение дальности до объекта.Known faceted optoelectronic systems, the field of view of which is blocked by many optical channels, consisting of a lens and a radiation receiver [2]. Such systems have high speed, but do not provide a measurement of the distance to the object.
Известен способ-прототип наземного лазерного сканирования, заключающийся в направлении лазерного импульсного излучения с малым углом расходимости на объекты, сканировании лазерным излучением поля обзора с помощью оптико-механической системы с одновременным измерением угловых координат направленного излучения, приеме (детектировании) отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, вычислении дальности до объекта по времени прихода импульсов для каждого углового направления и формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки (точки) объекта. Способ реализуется в устройствах наземных лазерных сканеров [3]. Недостатком способа является низкое быстродействие в связи с оптико-механическим сканированием.The known prototype method of ground-based laser scanning, which consists in the direction of laser pulsed radiation with a small angle of divergence to objects, scanning with laser radiation a field of view using an optical-mechanical system with simultaneous measurement of the angular coordinates of directed radiation, receiving (detecting) reflected pulses, digitizing the received signals , calculating the distance to the object from the time of arrival of pulses for each angular direction and the formation of a cloud of points that determine the angular coordinates and range of each reflecting area (point) of the object. The method is implemented in devices of ground-based laser scanners [3]. The disadvantage of this method is the low speed due to optical-mechanical scanning.
Целью заявляемого способа измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения и устройства для его осуществления, является повышение быстродействия при формировании облака точек, определяющих угловые координаты и дальность каждой отражающей площадки объекта.The purpose of the proposed method for measuring the distance to objects, their angular coordinates and relative position and device for its implementation, is to improve performance when forming a cloud of points that determine the angular coordinates and the distance of each reflecting area of the object.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, заключающемся в излучении импульсов излучения лазера в направлении поля обзора, детектировании отраженных импульсов, оцифровывании принятых сигналов, расчете дальностей до точек объектов в зоне обзора при одновременном измерении углового направления на эти точки и передаче результатов измерений и вычислений к внешним устройствам контроля объект поле обзора облучают во множестве направлений, перекрывающих в совокупности поле обзора и образующих матрицу смежных оптических каналов, при этом каждому оптическому каналу ставится в соответствие определенное угловое направление, а дальность до точки объекта вычисляется в оптических каналах поочередно в соответствии с заданной последовательностью.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the distance to objects, their angular coordinates and relative position, which consists in emitting laser radiation pulses in the direction of the field of view, detecting reflected pulses, digitizing the received signals, calculating the distances to the points of objects in the field of view while measuring angular direction to these points and transmitting the results of measurements and calculations to external control devices, the object field of view is irradiated in many directions, overlapping a plurality of field of view and forming a matrix of adjacent optical channels, wherein each optical channel is assigned a specific angular direction and the distance to the object point calculated in optical channels alternately in accordance with a predetermined sequence.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, реализующем способ измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, содержащем лазерный излучатель, приемную оптическую систему, приемник излучения, устройство управления излучением лазера, аналого-цифровой преобразователь, процессор, внешнее устройство контроля, лазерный излучатель выполнен в виде матрицы лазеров, оси излучения лазеров последовательно развернуты по азимуту в угловом поле Wα и высоте в угловом поле Wh на угол расходимости лазерного излучения θ, число элементов в матрице по азимуту равно nα=Wα/θ, по высоте nh=Wh/θ, а к устройству управления излучением лазера и процессора одновременно подключен генератор синхронизирующих импульсов.This goal is achieved by the fact that in a device that implements a method of measuring the distance to objects, their angular coordinates and relative position, containing a laser emitter, a receiving optical system, a radiation receiver, a laser radiation control device, an analog-to-digital converter, a processor, an external control device, a laser emitter formed as a matrix of lasers, lasers sequentially deployed axis azimuth in the angular field W α and adjustment in the angular field W h on the divergence angle of the laser and radiation θ, the number of elements in the array in azimuth equal to n α = W α / θ, height n h = W h / θ, and a radiation control apparatus and a laser processing simultaneously connected clock generator.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где обозначены: 1 - матрица лазеров, 2 - сечения пучков лазерного излучения в пространстве объектов, 3 - приемная оптическая система, 4 - приемник излучения, 5 - устройство управления излучением лазеров, 6 - генератор синхронизирующих импульсов, 7 - аналого-цифровой преобразователь.The essence of the invention is illustrated in the drawing, where: 1 - laser array, 2 - section of laser beams in the space of objects, 3 - receiving optical system, 4 - radiation receiver, 5 - laser radiation control device, 6 - clock generator, 7 - analog-to-digital converter.
Матрица лазеров представляет собой сборку полупроводниковых лазеров (лазерных диодов), работающих в импульсном режиме. Приемная оптическая система состоит из широкоугольного объектива, угловое поле которого охватывает поле обзора, и конденсора, переносящего поток излучения на приемник излучения. В качестве приемника излучения могут использоваться малоинерционные детекторы - ФЭУ или лавинные фотодиоды. Устройство управления излучением лазера включает типовые драйверы, обеспечивающие создание серий (пачек) из определенного числа импульсов лазерного излучения, генератор синхронизирующих импульсов создает начало отсчета времени при излучении лазерных импульсов и сигнал тактовой частоты, используемый для генерации импульсов излучения, синхронных с последовательностью подключения лазерных диодов.The matrix of lasers is an assembly of semiconductor lasers (laser diodes) operating in a pulsed mode. The receiving optical system consists of a wide-angle lens, the angular field of which covers the field of view, and a condenser that transfers the radiation flux to the radiation receiver. Low-inertia detectors — PMTs or avalanche photodiodes — can be used as a radiation receiver. The laser radiation control device includes standard drivers that provide the creation of series (packs) of a certain number of laser pulses, the synchronizing pulse generator creates a time reference for the emission of laser pulses and a clock signal used to generate radiation pulses synchronous with the connection sequence of the laser diodes.
Устройство работает следующим образом. С помощью устройства управления излучением лазеров создается режим излучения, при котором лазеры последовательно (строка за строкой матрицы) создают пачки импульсов короткой длительности. Каждая пачка импульсов посылается в определенном направлении в соответствии с шагом по азимуту (по строке) и по высоте (по кадру). Интервал между импульсами в пачке должен быть не меньше времени прохождения излучения до объекта и обратно. Отраженные от объекта лазерные импульсы принимаются оптической системой, преобразуются приемником излучения в электрический сигнал, который оцифровывается и поступает в процессор. Пачки импульсов разнесены во времени, за счет чего осуществляется их раздельный прием в каждом направлении излучения. По времени прихода каждого отраженного импульса в пачке (интервалу времени между излученным и принятым импульсами) в процессоре вычисляется дальность до объекта, результаты вычислений усредняются, и определяется дальность до объекта в заданном направлении, которое задается конкретным лазером (номером лазера в матрице). Для каждой точки сканирования, таким образом, определяются пространственные координаты (дальность, азимутальный и высотный углы), механическое сканирование при этом не осуществляется, но реализуется просмотр широкого поля обзора. Предлагаемое техническое решение может быть определено как «фасеточный лазерный сканер» в связи с совмещением фасеточного принципа построения оптической системы и принципа построения лазерного сканера.The device operates as follows. Using the laser radiation control device, a radiation mode is created in which the lasers sequentially (row by row of the matrix) create bursts of pulses of short duration. Each burst of pulses is sent in a certain direction in accordance with the step in azimuth (along the line) and in height (along the frame). The interval between pulses in a packet should be no less than the time that radiation passes to the object and back. The laser pulses reflected from the object are received by the optical system, converted by the radiation receiver into an electrical signal, which is digitized and fed to the processor. The bursts of pulses are spaced in time, due to which they are separately received in each direction of radiation. Based on the arrival time of each reflected pulse in the packet (the time interval between the emitted and received pulses), the processor calculates the distance to the object, the calculation results are averaged, and the distance to the object in the given direction is determined, which is specified by a specific laser (laser number in the matrix). Thus, for each scanning point, spatial coordinates (range, azimuth and elevation angles) are determined, mechanical scanning is not performed, but a wide field of view is viewed. The proposed technical solution can be defined as a “facet laser scanner” in connection with combining the facet principle of constructing an optical system and the principle of constructing a laser scanner.
Источники информацииInformation sources
1. Способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления (RU 2521203, авт. Бардин Антон Владимирович, Озеров Вениамин Петрович, Меткин Николай Павлович, Филонов Олег Михайлович, Киршина Ирина Анатольевна.1. A method for detecting objects, measuring speed, range and angular coordinates and a device for its implementation (RU 2521203, auth. Bardin Anton Vladimirovich, Ozerov Veniamin Petrovich, Metkin Nikolai Pavlovich, Filonov Oleg Mikhailovich, Kirshina Irina Anatolevna.
2. Устройство для обнаружения и измерения азимутального угла светоизлучающих импульсных объектов (патент РФ №2494343 от 10.04.2012, авт. Соломатин В.А.).2. A device for detecting and measuring the azimuthal angle of light-emitting pulsed objects (RF patent No. 2494343 from 04/10/2012, auth. Solomatin VA).
3. Середович В.А. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с., стр. 9.3. Seredovich V.A. Ground Laser Scanning: Monograph / V.A. Seredovich, A.V. Komissarov, D.V. Komissarov, T.A. Shirokova. - Novosibirsk: SSGA, 2009 .-- 261 p., P. 9.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2575318C1 true RU2575318C1 (en) | 2016-02-20 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3953131A (en) * | 1973-03-02 | 1976-04-27 | Hans Ernst Britz | Opto-electronic antenna system for lasers |
JPS6480893A (en) * | 1987-09-24 | 1989-03-27 | Nec Corp | Laser distance measuring machine |
US6396577B1 (en) * | 2001-03-19 | 2002-05-28 | Thomas P. Ramstack | Lidar-based air defense system |
EP1209486A2 (en) * | 2000-10-20 | 2002-05-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Range finder, three-dimensional measuring method and light source apparatus |
RU2521203C1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-06-27 | Антон Владимирович Бардин | Method of detecting objects, measuring velocity, range and angular coordinates and apparatus for realising said method |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3953131A (en) * | 1973-03-02 | 1976-04-27 | Hans Ernst Britz | Opto-electronic antenna system for lasers |
JPS6480893A (en) * | 1987-09-24 | 1989-03-27 | Nec Corp | Laser distance measuring machine |
EP1209486A2 (en) * | 2000-10-20 | 2002-05-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Range finder, three-dimensional measuring method and light source apparatus |
US6396577B1 (en) * | 2001-03-19 | 2002-05-28 | Thomas P. Ramstack | Lidar-based air defense system |
RU2521203C1 (en) * | 2012-12-27 | 2014-06-27 | Антон Владимирович Бардин | Method of detecting objects, measuring velocity, range and angular coordinates and apparatus for realising said method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11789127B2 (en) | Multi-beam laser scanner | |
US10215847B2 (en) | Pseudo random sequences in array lidar systems | |
US10502815B2 (en) | Real time position sensing of objects | |
US20210255287A1 (en) | Lidar system | |
CN108463739B (en) | Method and device for optical distance measurement | |
CN108885264B (en) | Real-time position sensing of objects | |
US20190094345A1 (en) | Laser scanner | |
US11448733B2 (en) | Measuring apparatus for geometric 3D scanning of surroundings with a multiplicity of transmission channels and semiconductor photomultiplier sensors | |
US11796642B2 (en) | Oversamplng and transmitter shooting pattern for light detection and ranging (LIDAR) system | |
US11662463B2 (en) | Lidar apparatus and method | |
JP2023110085A (en) | Adaptive multiple-pulse lidar system | |
CN207557477U (en) | Underwater laser radar system based on single-photon detecting survey technology | |
KR20190066220A (en) | 3-dimensional lidar device and distance measuring method | |
US20210293936A1 (en) | Lidar system | |
US20210011166A1 (en) | System, apparatus, and method for improving performance of imaging lidar systems | |
US11448756B2 (en) | Application specific integrated circuits for LIDAR sensor and multi-type sensor systems | |
RU2575318C1 (en) | Method to measure distance to objects, their angular coordinates and mutual location and device for its realisation | |
RU2674563C1 (en) | Air targets coordinates optoelectronic measuring instrument | |
CN111751842B (en) | Oversampling and transmitter photographing modes for light detection and ranging (LIDAR) systems | |
US20210302588A1 (en) | Time of flight ranging system using multi-valued signals | |
US20230042957A1 (en) | Lidar device | |
US20220350000A1 (en) | Lidar systems for near-field and far-field detection, and related methods and apparatus |