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 PDF

Info

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
Application number
RU2014133458/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Алексеевич Соломатин
Original Assignee
Владимир Алексеевич Соломатин
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Алексеевич Соломатин filed Critical Владимир Алексеевич Соломатин
Application granted granted Critical
Publication of RU2575318C1 publication Critical patent/RU2575318C1/en

Links

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: method to measure the distance to objects, their angular coordinates and mutual location includes radiation in multiple directions, covering in conjunction the field of view and forming a matrix of adjacent optical channels, a certain angular direction is put in accordance with the optical channel, and the distance to the point of the object is calculated in the optical channels in turns in accordance with the specified sequence. At the same time in the device, which realises the method, axes of radiation of laser radiators that generate the matrix of the lasers, are serially turned in azimuth and height by the laser beam intensity divergence angle.
EFFECT: increased efficiency of laser scanners due to the exclusion of optic-mechanical scanning.
2 cl, 1 dwg

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)

1. Способ измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, заключающийся 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, отличающийся тем, что объект в 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.1. The method of measuring the distance to objects, their angular coordinates and relative positions, 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 the angular direction to these points and transmitting the results of measurements and calculations to external control devices, characterized in that the object in the field of view is irradiated in a variety of directions, overlapping in aggregate field of view and adjacent optical channels forming a matrix, and each optical channel is associated with a certain angular direction, and the distance to the point of the object is calculated in the optical channels in turn in accordance with a given sequence. 2. Устройство измерения расстояния до объектов, их угловых координат и взаимного расположения, содержащее лазерный излучатель, приемную оптическую систему, приемник излучения, устройство управления излучением лазера, аналого-цифровой преобразователь, процессор, внешнее устройство контроля, отличающееся тем, что 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 процессору одновременно подключен генератор синхронизирующих импульсов. 2. A device for 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, characterized in that the laser emitter is made an array of lasers, lasers sequentially deployed axis azimuth in the angular field W α and adjustment in the angular field W h at an angle laser divergence θ, the number of elements in the matrix azimuth equal to n α = W α / θ, height n h = W h / θ, and a laser emission control apparatus and a processor connected simultaneously generator clock pulses.
RU2014133458/28A 2014-08-14 Method to measure distance to objects, their angular coordinates and mutual location and device for its realisation RU2575318C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2575318C1 true RU2575318C1 (en) 2016-02-20

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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