RU2809468C1 - Laser location system - Google Patents
Laser location system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809468C1 RU2809468C1 RU2023113485A RU2023113485A RU2809468C1 RU 2809468 C1 RU2809468 C1 RU 2809468C1 RU 2023113485 A RU2023113485 A RU 2023113485A RU 2023113485 A RU2023113485 A RU 2023113485A RU 2809468 C1 RU2809468 C1 RU 2809468C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- optical
- computing device
- transmitting
- laser ranging
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 19
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптической локации - системам, обеспечивающим обнаружение объекта в пространстве, окружающем место установки лазерной локационной системы, получение информации о форме его поверхности, при необходимости - ее визуализации и распознавание объекта.The invention relates to optical ranging - systems that provide detection of an object in the space surrounding the installation site of a laser ranging system, obtaining information about the shape of its surface, if necessary, its visualization and object recognition.
Известна локационная система (патент RU 2612874 [1]), предназначенная для сканирования окружающего пространства, обнаружения объектов и определения их положения в пространстве. Его недостатком является использование одной и той же оптической системы для формирования пучка зондирующего лазерного излучения и формирования поля зрения приемника излучения, что неизбежно приводит к частичной засветке приемника зондирующим излучением, вследствие которой чувствительность приемника в течение некоторого интервала времени уменьшается и на соответствующих этому времени дистанциях ухудшаются характеристики обнаружения объекта. Наиболее близким к заявленному техническому решению является локационная система (патент RU 2660390 [2]), содержащая импульсный лазер, выходную оптическую систему передающего канала, фотоприемное устройство, однокоординатное сканирующее устройство, оптический объектив фотоприемного устройства, массив фотоприемников, волоконно-оптический жгут и вычислительное устройство, соединенное с ними через волоконно-оптический жгут).A location system is known (patent RU 2612874 [1]), designed to scan the surrounding space, detect objects and determine their position in space. Its disadvantage is the use of the same optical system to form a beam of probing laser radiation and form the field of view of the radiation receiver, which inevitably leads to partial illumination of the receiver by probing radiation, as a result of which the sensitivity of the receiver decreases over a certain time interval and deteriorates at distances corresponding to this time object detection characteristics. The closest to the claimed technical solution is a location system (patent RU 2660390 [2]), containing a pulsed laser, an output optical system of a transmitting channel, a photodetector device, a single-axis scanning device, an optical lens of a photodetector device, an array of photodetectors, a fiber-optic bundle and a computing device , connected to them via a fiber optic harness).
Недостатком данного технического решения является ограниченное разрешение по дальности, что не позволяет определять характерные черты поверхности объекта - известно, что огибающая регистрируемого импульса излучения связана с его формой лоцируемого объекта и его ориентацией в пространстве, поэтому ее анализ позволяет осуществлять распознавание лоцируемого объекта [3].The disadvantage of this technical solution is the limited range resolution, which does not allow determining the characteristic features of the object’s surface - it is known that the envelope of the recorded radiation pulse is related to its shape of the located object and its orientation in space, so its analysis allows for recognition of the located object [3].
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются: уменьшение размеров области пространства, в которой ухудшаются характеристики обнаружения объекта; реконструкция поверхности обнаруженного объекта; обеспечение обнаружения объекта в трехмерном (3D) пространстве вокруг лазерной локационной системы.The tasks to be solved by the claimed invention are: reducing the size of the region of space in which the characteristics of object detection deteriorate; reconstruction of the surface of the detected object; providing object detection in three-dimensional (3D) space around the laser ranging system.
Введение в состав системы (фиг. 1) узлов регистрации отсчетов огибающих регистрируемых импульсов - дальностных портретов с высоким пространственным разрешением - позволяет синтезировать 3D-oбpaз лоцируемого объема [3], и если в его пределах находится объект - реконструировать его поверхность. Результат такой реконструкции представлен на фиг. 2. Введение в состав локационной системы оптических элементов, изменяющих величины фокусов оптических систем передающего и приемного каналов, позволяет изменять ее пространственное разрешение, что обеспечивает возможность реконструкции с высоким разрешением поверхности лоцируемого объекта, находящегося на произвольном расстоянии от локационной системы. При этом расстояние до объекта определяется вычислительным устройством, которое в соответствии с ним обеспечивает изменение фокусных расстояний оптических систем приемного и передающего канала, одновременно обеспечивая сопряжение размеров сечения лазерного пучка передающего канала и совокупности полей зрения, регистрирующих рассеянное объектом излучение фотодетекторов.The introduction into the system (Fig. 1) of units for recording samples of the envelopes of recorded pulses - long-range portraits with high spatial resolution - makes it possible to synthesize a 3D image of the located volume [3], and if there is an object within its limits, to reconstruct its surface. The result of such reconstruction is presented in Fig. 2. The introduction of optical elements into the location system that change the focal values of the optical systems of the transmitting and receiving channels makes it possible to change its spatial resolution, which makes it possible to reconstruct with high resolution the surface of the located object located at an arbitrary distance from the location system. In this case, the distance to the object is determined by a computing device, which, in accordance with it, ensures a change in the focal lengths of the optical systems of the receiving and transmitting channels, while simultaneously ensuring the matching of the cross-sectional dimensions of the laser beam of the transmitting channel and the set of fields of view that record the radiation of photodetectors scattered by the object.
Введение системы плоских зеркал, изменяющих положение лазерного пучка и полей зрения излучение фотодетекторов, регистрирующих рассеянное объектом излучение, позволяет сканировать пространство и регистрировать дальностные портреты с высоким пространственным разрешением в вертикальной плоскости, а за счет синхронизированных поворотов всей лазерной локационной системы - обеспечить сканирование части всего окружающего пространства или его выбранной области.The introduction of a system of flat mirrors that change the position of the laser beam and the fields of view of the radiation of photodetectors that register the radiation scattered by an object makes it possible to scan space and register long-range portraits with high spatial resolution in the vertical plane, and due to synchronized rotations of the entire laser ranging system, to ensure scanning of part of the entire surrounding space or its selected area.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высокого временного разрешения синхронизированных отсчетов огибающих регистрируемых импульсов излучения в каждом канале фотоприемного устройства.The achieved technical result consists in providing high temporal resolution of synchronized samples of the envelopes of the recorded radiation pulses in each channel of the photodetector.
Дальность действия лазерной локационной системы может быть увеличена за счет применения в составе передающего канала усилителя лазерного излучения на основе активных лазерных зеркал [4].The range of a laser location system can be increased by using a laser radiation amplifier based on active laser mirrors as part of the transmitting channel [4].
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна".The set of essential features characterizing the essence of the claimed invention is not known from the prior art, which allows us to conclude that the invention meets the “Novelty” criterion.
Сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень".The essence of the claimed invention is not obvious to a specialist from the known level of technology, because it does not reveal the above influence on the resulting technical result - a new property of an object - a set of features that distinguish the claimed invention from the prototype, which allows us to conclude that it meets the criterion of "Inventive Step".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована для реализации лазерной локационной системы с получением технического результата, заключающегося в обеспечении уменьшения размеров области пространства, в которой ухудшаются характеристики обнаружения объекта; реконструкции поверхности обнаруженного объекта; и обнаружении объекта в пространстве вокруг лазерной локационной системы, обусловливающего достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Промышленная применимость".The set of essential features that characterize the essence of the invention, in principle, can be repeatedly used to implement a laser ranging system to obtain a technical result consisting in reducing the size of the area of space in which the characteristics of object detection deteriorate; reconstruction of the surface of the detected object; and detection of an object in the space around the laser location system, which determines the achievement of the task, which allows us to conclude that the invention meets the criterion of “Industrial applicability”.
На фиг. 1 представлена функциональная схема лазерной локационной системы:In fig. Figure 1 shows a functional diagram of the laser ranging system:
1 - импульсный лазер;1 - pulse laser;
2 - оптическая система передающего канала;2 - optical system of the transmitting channel;
3 - фотоприемное устройство регистрации импульса излучения лазера;3 - photodetector device for recording a laser radiation pulse;
4 - оптическая система приемного канала;4 - optical system of the receiving channel;
5 - оптоволоконный жгут;5 - fiber optic bundle;
6 - массив фотодетекторов;6 - array of photodetectors;
7 - вычислительное устройство;7 - computing device;
8 - привод перемещения передающего и приемного каналов в горизонтальной плоскости;8 - drive for moving the transmitting and receiving channels in the horizontal plane;
9 - привод сканирующей системы, функционирующей в вертикальной плоскости;9 - drive of the scanning system operating in the vertical plane;
10 - оптические элементы, обеспечивающие изменение фокусного расстояния оптической системы передающего канала;10 - optical elements that provide a change in the focal length of the optical system of the transmitting channel;
11 - оптические элементы, обеспечивающие изменение фокусного расстояния оптической системы приемного канала;11 - optical elements that provide a change in the focal length of the optical system of the receiving channel;
12 - привод фокусирующих элементов оптической системы передающего канала;12 - drive of the focusing elements of the optical system of the transmitting channel;
13 - привод фокусирующих элементов оптической системы приемного канала;13 - drive of the focusing elements of the optical system of the receiving channel;
14 - массив фотоприемных устройств с аналого-цифровыми преобразователями;14 - array of photodetectors with analog-to-digital converters;
15 - сканирующая система, функционирующая в вертикальной плоскости;15 - scanning system operating in a vertical plane;
16 - многопроходный усилитель лазерного излучения с зеркальной активной оптической системой.16 - multi-pass laser amplifier with a mirror active optical system.
Сечение зондирующего лазерного пучка обозначено штрихпунктирной линией, а поля зрения фотодиодов - непрерывными линиями.The cross section of the probing laser beam is indicated by a dash-dotted line, and the fields of view of the photodiodes are indicated by continuous lines.
На фиг. 2 изображен результат реконструкции поверхности обнаруженного объекта.In fig. Figure 2 shows the result of reconstructing the surface of a detected object.
Излучение импульсного лазера (1) поступает на вход оптической системы передающего канала (2), подвижные элементы (10) которой, перемещаемые приводом (12), обеспечивают изменение ее фокусного расстояния и тем самым обеспечивают изменение размеров сечения лазерного пучка в окрестности, где может находиться объект. Направление распространения импульсов лазерного излучения и положение в пространстве поля зрения оптической системы приемного канала (4) задается положением плоских зеркал (15) - исполнительного элемента сканирующей системы, функционирующей в вертикальной плоскости. Оптические элементы, обеспечивающие изменение фокусного расстояния оптической системы приемного канала (11), перемещаются приводом (13). Положение этого привода, определяющее величину фокуса оптической системы приемного канала (4), как и согласованное с ним по величине фокуса оптической системы передающего канала (2) положение привода (12), задаются вычислительным устройством (7). На его входы поступают сигналы с выходов массива фотоприемных устройств с аналого-цифровыми преобразователями (14), вход каждого из которых подключен к соответствующему выходу массива фотодетекторов (6). На каждый фотодетектор этого массива поступает часть излучения, пространственное распределение которого в фокальной плоскости оптической системы приемного канала (11) образует изображение лоцируемой части пространства, а если в нем находится объект - его изображение. Для передачи излучения от каждого участка изображения к соответствующему фотодетектору используется оптоволоконный жгут (5). Вычислительное устройство выполняет анализ совокупности зарегистрированных сигналов, по результатам которого принимает решение об обнаружении или не обнаружении объекта, и в случае, если объект обнаружен, определяет расстояние до него, в соответствии с полученной величиной расстояния (или по командам оператора) корректирует положение приводов (12) и (13), а также выполняет 3D-реконструкцию лоцируемой части пространства и/или распознавание обнаруженного в этой части объекта. Информационные данные могут передаваться оператору, например, по встроенному в вычислительное устройство радиоканалу. Этот же канал связи может использоваться для передачи в вычислительное устройство команд оператора. Привод перемещения передающего и приемного каналов в горизонтальной плоскости (8) обеспечивает вращение несущей платформы локационной системы относительно носителя. Фотоприемное устройство регистрации импульса излучения лазера (3), связанное с вычислительным устройством (7), обеспечивает синхронизацию момента времени излучения импульса лазера и момента начала регистрации отсчетов рассеянного импульса. Вычислительное устройство (7) также обеспечивает синхронизацию работы приводов (8) и (9) для обеспечения сканирования в пространстве лазерной локационной системы. Применение в составе лазерной локационной системы многопроходного усилителя лазерного излучения с зеркальной активной оптической системой (16), включаемого в оптическую схему между импульсным лазером (1) и входом оптической системы передающего канала (2) позволит увеличить ее дальность действия, не увеличивая существенно расходимость излучения лазерного пучка.The radiation of a pulsed laser (1) enters the input of the optical system of the transmitting channel (2), the moving elements (10) of which, moved by the drive (12), provide a change in its focal length and thereby ensure a change in the cross-sectional dimensions of the laser beam in the vicinity where there may be an object. The direction of propagation of laser radiation pulses and the position in space of the field of view of the optical system of the receiving channel (4) is set by the position of flat mirrors (15) - the executive element of the scanning system operating in the vertical plane. Optical elements that provide a change in the focal length of the optical system of the receiving channel (11) are moved by a drive (13). The position of this drive, which determines the focus size of the optical system of the receiving channel (4), as well as the position of the drive (12) matched with it in terms of the focus size of the optical system of the transmitting channel (2), are set by the computing device (7). Its inputs receive signals from the outputs of an array of photodetectors with analog-to-digital converters (14), the input of each of which is connected to the corresponding output of the array of photodetectors (6). Each photodetector of this array receives part of the radiation, the spatial distribution of which in the focal plane of the optical system of the receiving channel (11) forms an image of the located part of space, and if an object is located in it, its image. A fiber optic bundle (5) is used to transmit radiation from each image area to the corresponding photodetector. The computing device analyzes the set of registered signals, based on the results of which it makes a decision about detecting or not detecting an object, and if the object is detected, determines the distance to it, in accordance with the obtained distance value (or according to operator commands) adjusts the position of the drives (12 ) and (13), and also performs 3D reconstruction of the located part of the space and/or recognition of an object detected in this part. Information data can be transmitted to the operator, for example, via a radio channel built into the computing device. The same communication channel can be used to transmit operator commands to the computing device. The drive for moving the transmitting and receiving channels in the horizontal plane (8) ensures rotation of the carrier platform of the location system relative to the carrier. The photodetector device for recording the laser radiation pulse (3), connected to the computing device (7), ensures synchronization of the time of radiation of the laser pulse and the moment of the start of recording the scattered pulse counts. The computing device (7) also ensures synchronization of the operation of the drives (8) and (9) to ensure scanning in the space of the laser ranging system. The use of a multi-pass laser radiation amplifier with a mirror active optical system (16) included in the optical circuit between the pulse laser (1) and the input of the optical system of the transmitting channel (2) as part of the laser ranging system will increase its range without significantly increasing the divergence of the laser radiation beam.
В отношении длительности импульса лазерного излучения установлено [5, 6], что уверенное распознавание объекта оказывается возможным, если эта величина не превышает 10% интервала времени распространения импульса излучения вдоль поверхности объекта в направлении, в котором это время минимально.With regard to the duration of the laser pulse, it has been established [5, 6] that reliable recognition of an object is possible if this value does not exceed 10% of the time interval of propagation of the radiation pulse along the surface of the object in the direction in which this time is minimal.
Лист литературы:References:
1. Патент РФ № 2612874. Система импульсной лазерной локации. Выдан 12.11.2015. Опубл. 13.03.2017, бюл. №8.1. RF Patent No. 2612874. Pulse laser ranging system. Issued on November 12, 2015. Publ. 03/13/2017, bulletin. No. 8.
2. Патент РФ №2660390. Система импульсной лазерной локации. Выдан 15.06.2017. Опубл. 06.07.2018, бюл. №19.2. RF patent No. 2660390. Pulse laser ranging system. Issued 06/15/2017. Publ. 07/06/2018, bulletin. No. 19.
3. Бурый Е.В. Синтез системы распознавания объектов по форме огибающей лазерного импульса при импульсно-периодической локации // Квантовая электроника, 1988. - Т. 25, №5. С. 471-475.3. Bury E.V. Synthesis of an object recognition system based on the shape of the laser pulse envelope during pulse-periodic location // Quantum Electronics, 1988. - T. 25, No. 5. pp. 471-475.
4. Патент РФ № 2583105. Многопроходный усилитель лазерного излучения с зеркальной активной оптической системой. Выдан 17.02.2014. Опубл. 10.05.2016, бюл. №13.4. RF Patent No. 2583105. Multi-pass laser amplifier with a mirror active optical system. Issued 02/17/2014. Publ. 05/10/2016, bulletin. No. 13.
5. Баулин Ф.Б., Бурый Е.В. Методы формирования векторов признаков для распознавания объектов по дальностным портретам в импульсной лазерной локации // Компьютерная оптика, 2021. - Т. 45, №6. - С. 934 - 941.5. Baulin F.B., Bury E.V. Methods for generating feature vectors for recognizing objects from long-range portraits in pulsed laser ranging // Computer Optics, 2021. - T. 45, No. 6. - pp. 934 - 941.
6. Бурый Е.В. Импульсная лазерная локация: физические и информационные основы новых возможностей. М.: Наука, 2020. - 431 с.6. Bury E.V. Pulsed laser ranging: physical and information bases of new opportunities. M.: Nauka, 2020. - 431 p.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2809468C1 true RU2809468C1 (en) | 2023-12-12 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528109C1 (en) * | 2013-04-18 | 2014-09-10 | Виктор Прович Семенков | Pulsed laser location system |
RU2660390C1 (en) * | 2017-06-15 | 2018-07-06 | Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) | Pulse laser location system |
US10557940B2 (en) * | 2015-11-30 | 2020-02-11 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system |
RU2756783C1 (en) * | 2021-04-02 | 2021-10-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulse laser rangefinder |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2528109C1 (en) * | 2013-04-18 | 2014-09-10 | Виктор Прович Семенков | Pulsed laser location system |
US10557940B2 (en) * | 2015-11-30 | 2020-02-11 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system |
RU2660390C1 (en) * | 2017-06-15 | 2018-07-06 | Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) | Pulse laser location system |
RU2756783C1 (en) * | 2021-04-02 | 2021-10-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulse laser rangefinder |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11874377B2 (en) | Multiple pixel scanning LIDAR | |
US10739460B2 (en) | Time-of-flight detector with single-axis scan | |
KR102715478B1 (en) | LIDAR-based distance measurement using hierarchical power control | |
JP6570658B2 (en) | LADAR system and method | |
US8681344B2 (en) | Devices and methods for position determination and surface measurement | |
CN110221309B (en) | 3D imaging device and electronic equipment based on asynchronous ToF discrete point cloud | |
US7978312B2 (en) | Three-dimensional range imaging apparatus and method | |
CN104166142A (en) | Multielement photon counting laser ranging three-dimensional imaging system | |
CN106772315A (en) | Multi-beam scanning apparatus and multibeam scanning method | |
CN206411262U (en) | Multi-beam scanning apparatus | |
CN110244318B (en) | 3D imaging method based on asynchronous ToF discrete point cloud | |
CN109521435A (en) | Apart from measuring device | |
EP3465249B1 (en) | Multiple pixel scanning lidar | |
CN102359814B (en) | Three-dimensional laser motion attitude measuring system and method | |
US4857748A (en) | Apparatus for optically measuring the three-dimensional surface shape and inner structure of an object | |
CN116009017A (en) | Non-visual field imaging system and method based on spectrum space-time double coding | |
RU2809468C1 (en) | Laser location system | |
CN108885260B (en) | Time-of-flight detector with single axis scanning | |
Staffas et al. | 3D scanning quantum LIDAR | |
RU2540451C1 (en) | Laser location system | |
KR20150051131A (en) | Method and apparatus for excitation pulse scanning in photoacoustic tomography | |
RU2199709C2 (en) | Multi-channel guidance system | |
CN111492264B (en) | LIDAR signal acquisition | |
Krichel et al. | Scanning of low-signature targets using time-correlated single-photon counting | |
RU2776816C2 (en) | Distance measurements based on lidar system with multilevel power control |