RU2788943C1 - Method for pointing a laser beam at an object - Google Patents

Method for pointing a laser beam at an object Download PDF

Info

Publication number
RU2788943C1
RU2788943C1 RU2022116042A RU2022116042A RU2788943C1 RU 2788943 C1 RU2788943 C1 RU 2788943C1 RU 2022116042 A RU2022116042 A RU 2022116042A RU 2022116042 A RU2022116042 A RU 2022116042A RU 2788943 C1 RU2788943 C1 RU 2788943C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polar
optical
wedges
coordinates
coordinate system
Prior art date
Application number
RU2022116042A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Валерьевич Горобинский
Игорь Платонович Жиган
Евгений Викторович Кузнецов
Александр Вячеславович Шацкий
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Application granted granted Critical
Publication of RU2788943C1 publication Critical patent/RU2788943C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: laser technology.
SUBSTANCE: invention relates to optical-mechanical instrumentation, to devices for pointing a laser beam at objects in space. The method for pointing a laser beam at an object includes rotating two optical wedges installed along the beam, determining the angle of rotation of each optical wedge according to the specified ratios for the necessary increment of the beam coordinate in a rectangular coordinate system. The value of the required increment of the beam coordinates is determined as a guidance error, while the coordinates of the object and the beam in the polar coordinate system are determined by the coordinates in the rectangular coordinate system, the necessary increment of the coordinate is worked out automatically by turning the two optical wedges together, simultaneously controlling the polar radius, turning the wedges at the same angles in different directions, and the polar angle by turning the same wedges at the same angles in one direction.
EFFECT: increase in operational characteristics due to an increase in speed, accuracy and the ability to automatically track and guide the beam to moving spatial objects.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к устройствам для наведения лазерного луча на объекты в пространстве, и может быть использовано для работы в ограниченных углах точных контуров наведения двухконтурных систем наведения лазерных комплексов.The invention relates to optical-mechanical instrumentation, in particular to devices for pointing a laser beam at objects in space, and can be used to work in limited angles of precise guidance loops of double-loop guidance systems for laser complexes.

Известен способ управления оптическим лучом в пространстве, основанный на применении оптического клина с переменным преломляющим углом, образующимся в результате поворота одной из линз двухлинзовой системы вокруг точки, находящейся на оптической оси. Этот способ позволяет развертывать оптический луч по любой траектории, однако его применение ограничено сложной оптико-механической конструкцией, и уже при малых величинах угла поворота подвижной линзы происходит ухудшение качества оптического изображения из-за возникновения в линзах нецентрированных аберраций [1].A known method of controlling an optical beam in space, based on the use of an optical wedge with a variable refractive angle, resulting from the rotation of one of the lenses of the two-lens system around a point located on the optical axis. This method makes it possible to deploy an optical beam along any trajectory, however, its use is limited by a complex optical-mechanical design, and even at small values of the angle of rotation of the movable lens, the quality of the optical image deteriorates due to the appearance of non-centered aberrations in the lenses [1].

Известен способ отклонения оптического луча раздельным поворотом двух оптических клиньев вокруг оптической оси оптического прибора, параллельной развертываемому лучу [2]. Этот способ позволяет развертывать оптический луч по любой траектории и, в частности, по одной из следующих: розеточной, спиральной, циклоидальной, круговой и строчной, каждая из которых может быть получена только при определенном отношении скоростей вращения оптических клиньев. Такой способ развертывания оптического луча требует больших углов поворота оптических клиньев для обеспечения развертывания оптического луча по любой траектории, в том числе и для малых амплитуд развертки. Кроме того, недостатком способа является отсутствие возможности осуществлять в автоматическом режиме сопровождение и наведение луча на подвижные пространственные объекты.A known method of deflection of the optical beam separate rotation of the two optical wedges around the optical axis of the optical device, parallel to the deployable beam [2]. This method allows the optical beam to be deployed along any trajectory and, in particular, along one of the following: rosette, helical, cycloidal, circular and horizontal, each of which can be obtained only at a certain ratio of optical wedge rotation speeds. This method of deploying an optical beam requires large angles of rotation of the optical wedges to ensure the deployment of the optical beam along any trajectory, including for small sweep amplitudes. In addition, the disadvantage of this method is the inability to automatically track and point the beam at moving spatial objects.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ развертывания оптического луча [3] путем раздельного поворота двух оптических клиньев, установленных по ходу луча, ребра оптических клиньев предварительно ориентируют непараллельно друг другу, и угол поворота одного из оптических клиньев определяют из соотношения: F1=K1A 2 х-Ax(K2+K3A 2 х)+K4AyA 2 х, а угол поворота другого оптического клина определяют из соотношения: F2=K5A 2 у-Ay(K6+Y7A 2 у)+K8AxA 2 у, где F1, F2 - углы поворота оптических клиньев относительно исходного состояния; K1 …. K8 - коэффициенты, определяемые оптическими характеристиками каждого из клиньев; Ах, Ау - приращения угловых координат луча на траектории развертывания, х, у - угловые координаты точки на траектории развертывания.The closest in technical essence to the proposed method is the method of deploying an optical beam [3] by separately rotating two optical wedges installed along the beam, the edges of the optical wedges are preliminarily oriented non-parallel to each other, and the angle of rotation of one of the optical wedges is determined from the ratio: F 1 \u003d K 1 A 2 x-A x (K 2 +K 3 A 2 x) + K 4 A y A 2 x, and the angle of rotation of the other optical wedge is determined from the relationship: F 2 \u003d K 5 A 2 y-A y ( K 6 +Y 7 A 2 y)+K 8 A x A 2 y, where F 1 , F 2 - angles of rotation of the optical wedges relative to the initial state; K 1 .... K 8 - coefficients determined by the optical characteristics of each of the wedges; A x , A y - increments of the angular coordinates of the beam on the deployment trajectory, x, y - angular coordinates of a point on the deployment trajectory.

Недостатками способа являются низкое быстродействие и точность ввиду громоздкости необходимых вычислительных процедур для углов поворота клиньев и сложности предварительных процедур по ориентировке ребер оптических клиньев. Кроме того, недостатком способа является отсутствие возможности осуществлять в автоматическом режиме сопровождение и наведение луча на подвижные пространственные объекты с высокой точностью.The disadvantages of this method are low speed and accuracy due to the cumbersomeness of the necessary computational procedures for the angles of rotation of the wedges and the complexity of the preliminary procedures for orienting the edges of the optical wedges. In addition, the disadvantage of this method is the inability to automatically track and point the beam at moving spatial objects with high accuracy.

Задачей изобретения является создание способа наведения лазерного луча на объект с повышенными эксплуатационными характеристиками за счет увеличения его быстродействия, точности и возможности осуществлять в автоматическом режиме сопровождение и наведение луча на подвижные пространственные объекты.The objective of the invention is to create a method for pointing a laser beam at an object with improved performance by increasing its speed, accuracy and the ability to automatically track and point the beam at moving spatial objects.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе наведения лазерного луча, включающем поворот двух оптических клиньев, установленных по ходу луча, определение угла поворота каждого оптического клина по заданным соотношениям для необходимого приращения координаты луча в прямоугольной системе координат, значение необходимого приращения координаты луча определяют как ошибку наведения луча из соотношений:The problem is solved by the fact that in the known method of pointing a laser beam, including the rotation of two optical wedges installed along the beam, determining the angle of rotation of each optical wedge according to the given ratios for the required increment of the beam coordinate in a rectangular coordinate system, the value of the required increment of the beam coordinate is determined as beam pointing error from the relations:

Δρ=ρ12, где: Δρ - ошибка наведения полярного радиуса отметки луча; ρ1 - полярный радиус отметки объекта; ρ2 - полярный радиус отметки луча; Δϕ=ϕ12, где: Δϕ - ошибка наведения полярного угла отметки луча; ϕ1 - полярный угол отметки объекта; ϕ2 - полярный угол отметки луча; при этом координаты объекта и луча в полярной системе координат определяют по координатам в прямоугольной системе координат из соотношений:Δρ=ρ 12 , where: Δρ - pointing error of the polar radius of the beam mark; ρ 1 - polar radius of the mark of the object; ρ 2 - polar radius of the mark of the beam; Δϕ=ϕ 12 , where: Δϕ - pointing error of the polar angle of the beam mark; ϕ 1 - polar angle mark of the object; ϕ 2 - polar angle mark of the beam; in this case, the coordinates of the object and the beam in the polar coordinate system are determined by the coordinates in the rectangular coordinate system from the relations:

Figure 00000001
ϕ1=arctg Y1/X1; ϕ2=arctg Y2/X2,
Figure 00000001
ϕ 1 =arctg Y 1 /X 1 ; ϕ 2 \u003d arctg Y 2 /X 2 ,

где: X1, Y1 и X2, Y2 - координаты соответственно объекта и луча в прямоугольной системе координат, отработку необходимого приращения координаты осуществляют в автоматическом режиме, связанно поворачивая два оптических клина, одновременно управляя полярным радиусом, поворачивая клинья на одинаковые углы в разные стороны, и полярным углом, поворачивая те же клинья на одинаковые углы в одну сторону.where: X 1 , Y 1 and X 2 , Y 2 are the coordinates of the object and the beam, respectively, in a rectangular coordinate system; different sides, and a polar angle, turning the same wedges at the same angles in one direction.

Предлагаемый способ наведения лазерного луча на объект осуществляется в соответствии со структурной схемой системы наведения лазерного луча следующим образом (фиг. 1). Для поворота клиньев 1 и 2 используются два безредукторных привода 3 и 4 на базе кольцевых электродвигателей (для каждого клина свой двигатель). Для управления приводами используется информация с телевизионного приемного устройства 5 о координатах объекта и отметки луча, полученная в прямоугольной системе координат (координаты X и Y), эти значения в преобразователе координат 6 преобразуют в значения полярных радиусов ρ1 и полярных углов ϕ1 отметок объекта и полярных радиусов ρ2 и полярных углов ϕ2 отметок луча, используя соотношения:The proposed method of aiming a laser beam at an object is carried out in accordance with the block diagram of the laser beam guidance system as follows (Fig. 1). To rotate wedges 1 and 2, two gearless drives 3 and 4 are used based on ring electric motors (each wedge has its own motor). To control the drives, information is used from the television receiver 5 about the coordinates of the object and the beam mark, obtained in a rectangular coordinate system (X and Y coordinates), these values are converted in the coordinate converter 6 into the values of polar radii ρ 1 and polar angles ϕ 1 of object marks and polar radii ρ 2 and polar angles ϕ 2 beam marks, using the relationship:

Figure 00000002
ϕ1=arctg Y1/X1; ϕ2=arctg Y22,
Figure 00000002
ϕ 1 =arctg Y 1 /X 1 ; ϕ 2 \u003d arctg Y 2 /X 2 ,

где: X1, Y1 и X2, Y2 - координаты соответственно объекта и луча в прямоугольной системе координат. Значения полярных координат объекта и отметки луча подаются на дискриминаторы 7 и 8, в которых вычисляются ошибки наведения луча на объект в поле зрения приемника как рассогласование между отметкой объекта (в приемном устройстве полярные координаты ρ1 ϕ1) и отметкой луча (в приемном устройстве полярные координаты ρ2 ϕ2) (фиг. 2). Причем дискриминатор 7 определяет рассогласование (ошибку наведения) полярных радиусов Δρ, а дискриминатор 8 - рассогласование (ошибку наведения) полярных углов Δϕ. Сигналы с выхода дискриминаторов поступают в сумматоры 9 и 10, причем в сумматоре 9 суммируются сигналы Δρ и Δϕ с одинаковыми знаками, а в сумматоре 10 суммируются сигналы Δρ и Δϕ с противоположными знаками. То есть вычисляются и подаются для управления приводами просуммированные ошибки наведения Δρ и Δϕ. На фиг. 2 показано нахождение отметки объекта и отметки луча в первом квадранте координатной плоскости, когда координаты X и Y положительны, в противном случае при определении величины полярного угла необходимо учитывать, в каких квадрантах эти отметки находятся.where: X 1 , Y 1 and X 2 , Y 2 - coordinates respectively of the object and the beam in a rectangular coordinate system. The values of the polar coordinates of the object and the marks of the beam are fed to the discriminators 7 and 8, in which the errors of aiming the beam at the object in the field of view of the receiver are calculated as a mismatch between the mark of the object (in the receiver, polar coordinates ρ 1 ϕ 1 ) and the mark of the beam (in the receiver, polar coordinates ρ 2 ϕ 2 ) (Fig. 2). Moreover, the discriminator 7 determines the mismatch (pointing error) of the polar radii Δρ, and the discriminator 8 determines the mismatch (pointing error) of the polar angles Δϕ. The signals from the output of the discriminators enter the adders 9 and 10, and in the adder 9 the signals Δρ and Δϕ with the same signs are added, and in the adder 10 the signals Δρ and Δϕ with opposite signs are summed. That is, the summed pointing errors Δρ and Δϕ are calculated and fed to drive control. In FIG. Figure 2 shows the location of the object mark and the ray mark in the first quadrant of the coordinate plane, when the X and Y coordinates are positive, otherwise, when determining the value of the polar angle, it is necessary to take into account in which quadrants these marks are located.

Система наведения лазерного луча в соответствии со структурной схемой работает по предлагаемому способу следующим образом. Верхняя ветвь схемы будет управлять величиной полярного радиуса отметки луча путем синхронного разворота клиньев в разные стороны, для чего на один привод подается «+Δρ», а на другой «-Δϕ». Одновременно с этим нижняя ветвь схемы, формируя дополнительный сигнал для тех же двигателей, будет управлять синхронным поворотом тех же клиньев на величину Δϕ в одну и ту же сторону, тем самым осуществляя управление полярным углом отметки луча. Здесь в сумматорах 9 и 10 алгебраически суммируются сигналы управления, приводы (каждый!) отрабатывают итоговый суммарный (Δϕ+/-Δρ) сигнал своего канала, реализуя слежение по ошибкам, пересчитанным в полярные координаты. Таким образом осуществляется автоматический режим наведения. Существенно, что для работы в автоматическом режиме по предлагаемому способу достаточно одной пары оптических клиньев, в то время как независимое отклонение луча в автоматическом режиме в прямоугольнных координатах X и Y требует двух пар клиньев, что может вызывать взаимное влияние приводов по координатам X и Y и привести к дополнительным ошибкам наведения.The laser beam guidance system in accordance with the block diagram works according to the proposed method as follows. The upper branch of the circuit will control the value of the polar radius of the beam mark by synchronously turning the wedges in different directions, for which “+Δρ” is applied to one drive, and “-Δϕ” to the other. At the same time, the lower branch of the circuit, generating an additional signal for the same engines, will control the synchronous rotation of the same wedges by Δϕ in the same direction, thereby controlling the polar angle of the beam mark. Here, in the adders 9 and 10, the control signals are algebraically summed, the drives (each!) work out the final total (Δϕ+/-Δρ) signal of their channel, realizing tracking by errors converted into polar coordinates. Thus, the automatic guidance mode is carried out. It is essential that one pair of optical wedges is sufficient for automatic operation according to the proposed method, while independent beam deflection in automatic mode in rectangular X and Y coordinates requires two pairs of wedges, which can cause mutual influence of drives along X and Y coordinates and lead to additional pointing errors.

Возможность работы устройства в автомагическом режиме по ошибке, замеряемой непосредственно в приемном устройстве, позволяет обеспечить высокое быстродействие и точность наведения луча. Благодаря исключению сложных процедур по предварительной юстировке ребер клиньев, наличию жестких кинематических связей между вращающимися частями устройства, исключающих люфты и упругие деформации в элементах конструкции, передающих вращающий момент, обеспечивается высокая точность конструкции, что повышает точность наведения.The ability of the device to operate in auto-magic mode by an error measured directly in the receiving device makes it possible to ensure high speed and accuracy of beam guidance. Due to the exclusion of complex procedures for preliminary adjustment of the edges of the wedges, the presence of rigid kinematic connections between the rotating parts of the device, which exclude backlash and elastic deformations in the structural elements that transmit torque, a high accuracy of the structure is ensured, which increases the accuracy of guidance.

Источники информацииSources of information

1. Еськов Д.Н. Автоматическая стабилизация оптического изображения. - Л.: Машиностроение, 1988, с. 54-58, рис. 3.2(a).1. Eskov D.N. Automatic optical image stabilization. - L .: Mashinostroenie, 1988, p. 54-58, fig. 3.2(a).

2. Катыс Г.П. Автоматическое сканирование. - М.: Машиностроение, 1969, с. 227-230.2. Katys G.P. Automatic scanning. - M.: Mashinostroenie, 1969, p. 227-230.

3. Патент RU 2097811 С1 опубл. 1997.11.27 - прототип.3. Patent RU 2097811 C1 publ. 1997.11.27 - prototype.

Claims (14)

Способ наведения лазерного луча на объект, включающий поворот двух оптических клиньев, установленных по ходу луча, определение угла поворота каждого оптического клина по заданным соотношениям для необходимого приращения координаты луча в прямоугольной системе координат, отличающийся тем, что значение необходимого приращения координаты луча определяют как ошибку наведения луча из соотношений:A method for pointing a laser beam at an object, which includes turning two optical wedges installed along the beam, determining the angle of rotation of each optical wedge according to given ratios for the required increment of the beam coordinate in a rectangular coordinate system, characterized in that the value of the required increment of the beam coordinate is determined as a pointing error beam from the ratios: Δρ=ρ12, где:Δρ=ρ 12 where: Δρ - ошибка наведения полярного радиуса отметки луча;Δρ - pointing error of the polar radius of the beam mark; ρ1 - полярный радиус отметки объекта;ρ 1 - polar radius of the mark of the object; ρ2 - полярный радиус отметки луча;ρ 2 - polar radius of the mark of the beam; Δϕ=ϕ12, где:Δϕ=ϕ 12 , where: Δϕ - ошибка наведения полярного угла отметки луча;Δϕ - pointing error of the polar angle of the beam mark; ϕ1 - полярный угол отметки объекта;ϕ 1 - polar angle mark of the object; ϕ2 - полярный угол отметки луча;ϕ 2 - polar angle mark of the beam; при этом координаты объекта и луча в полярной системе координат определяют по координатам в прямоугольной системе координат из соотношений:in this case, the coordinates of the object and the beam in the polar coordinate system are determined by the coordinates in the rectangular coordinate system from the relations:
Figure 00000003
Figure 00000003
ϕ1=arctg Y1/X1;ϕ 1 =arctg Y 1 /X 1 ; ϕ2=arctg Y22, где:ϕ 2 \u003d arctg Y 2 /X 2 , where: X1, Y1 и X2, Y2 - координаты соответственно объекта и луча в прямоугольной системе координат, отработку необходимого приращения координаты осуществляют в автоматическом режиме, связанно поворачивая два оптических клина, одновременно управляя полярным радиусом, поворачивая клинья на одинаковые углы в разные стороны, и полярным углом, поворачивая те же клинья на одинаковые углы в одну сторону.X 1 , Y 1 and X 2 , Y 2 are the coordinates of the object and the beam in a rectangular coordinate system, respectively, the required increment of the coordinate is worked out automatically, turning two optical wedges in connection, simultaneously controlling the polar radius, turning the wedges at the same angles in different directions , and polar angle, turning the same wedges at the same angles in one direction.
RU2022116042A 2022-06-15 Method for pointing a laser beam at an object RU2788943C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788943C1 true RU2788943C1 (en) 2023-01-26

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2807586C1 (en) * 2023-03-31 2023-11-16 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of aiming a laser beam at an object

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2097811C1 (en) * 1995-02-27 1997-11-27 Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) Optical ray developing method
RU2224270C2 (en) * 2001-11-06 2004-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" Laser beam guidance device
RU2428777C1 (en) * 2010-04-01 2011-09-10 Олег Леонидович Головков Laser radiation control system (versions)
US8415600B2 (en) * 2009-03-27 2013-04-09 Optical Physics Company Laser beam control system and method
RU2706292C2 (en) * 2015-04-30 2019-11-15 Таль Optical system and method for guiding laser beam through atmosphere
RU2706912C9 (en) * 2016-12-16 2020-01-16 Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем Method for adaptive scanning of underlying surface with laser locator beam in low-altitude flight information support mode

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2097811C1 (en) * 1995-02-27 1997-11-27 Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) Optical ray developing method
RU2224270C2 (en) * 2001-11-06 2004-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" Laser beam guidance device
US8415600B2 (en) * 2009-03-27 2013-04-09 Optical Physics Company Laser beam control system and method
RU2428777C1 (en) * 2010-04-01 2011-09-10 Олег Леонидович Головков Laser radiation control system (versions)
RU2706292C2 (en) * 2015-04-30 2019-11-15 Таль Optical system and method for guiding laser beam through atmosphere
RU2706912C9 (en) * 2016-12-16 2020-01-16 Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем Method for adaptive scanning of underlying surface with laser locator beam in low-altitude flight information support mode

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2807586C1 (en) * 2023-03-31 2023-11-16 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of aiming a laser beam at an object

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6559931B2 (en) Three-dimensional (3-D) coordinate measuring method, 3-D coordinate measuring apparatus, and large-structure building method
US11614524B2 (en) LiDAR system and method of operating the same
US3378687A (en) Scanning system which optically locks on object and mechanically scans surrounding field
CN112904766B (en) Rotating double-prism pointing control system and method based on pixel error feedback
US8098893B2 (en) Moving object image tracking apparatus and method
CN107272015A (en) High-precision vision guides laser tracking
JP2011191167A (en) Inclined pile installation management method
US20150268346A1 (en) Optical axis directing apparatus
US6449012B1 (en) Scanning type image pick-up apparatus and a scanning type laser beam receive apparatus
RU2788943C1 (en) Method for pointing a laser beam at an object
CN110243345A (en) It is a kind of that analysis calculation method is moved based on the picture for rotating big breadth optical imagery
CN111628823A (en) Carrier-borne laser communication scanning and capturing method
CN103885458A (en) Fast reflection mirror scanning tracking system for aerospace imaging field and method thereof
CN113721256A (en) Angle splicing laser radar system
JPS5857108A (en) Optical scanning system
CN111263898A (en) Light beam scanning system, distance detection device and electronic equipment
CN115793722B (en) High-precision tracking method and system for ground level type solar telescope storehouse de-focus surface
US20220082665A1 (en) Ranging apparatus and method for controlling scanning field of view thereof
US3002097A (en) Dispersion scanner
RU2807586C1 (en) Method of aiming a laser beam at an object
CN113237439B (en) Decoupling tracking method of periscopic laser communication terminal
CN108226952A (en) A kind of laser scanning imaging system
CN114157852A (en) Virtual camera array three-dimensional imaging method and system based on rotating double prisms
KR102014191B1 (en) Spatial image drawing system of aerial photograph
RU2794869C9 (en) Method for scanning space with a laser beam and determining the coordinates of detected objects