RU2562391C1

RU2562391C1 - Method and apparatus for optical location

Info

Publication number: RU2562391C1
Application number: RU2014107053/28A
Authority: RU
Inventors: Федор Моисеевич Броун; Ринад Исмагилович Волков; Михаил Иванович Филатов; Александр Владиславович Богородский; Андрей Владимирович Лучников; Рустам Каримович Сафин
Original assignee: Акционерное общество "Швабе Технологическая лаборатория" (АО "Швабе - Технологическая лаборатория")
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU2014107053A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: surrounding space is scanned in the horizontal plane and a video frame with an object is selected the distance to which is to be measured . The vertical and horizontal coordinates of the image of the object are measured relative to the coordinates of the beginning of the video frame. The horizontal coordinate of the object is calculated by summing the coordinate of the beginning of the selected video frame with the value of the horizontal coordinate in the video frame. The sight axis of the laser range-finder is set based on the measured vertical coordinate of the object. During the next scanning cycle, the range to the object is measured at the moment when the sight axis of the laser-range finder passes through the horizontal coordinate of the object calculated during the previous scanning cycle. An apparatus which realises the method includes an optical-electronic module on a scanning platform which rotates about a vertical axis and is equipped with a drive and an angular position sensor. The laser-range finder is placed on its single-axis platform capable of rotating in the vertical plane and equipped with a drive and an angular position sensor.

EFFECT: enabling measurement of range to an object with a laser-range finder with continuous high-speed scanning of the surrounding space, including circular scanning.

2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к способам и устройствам измерения угловых координат и дальности до объектов при непрерывном сканировании окружающего пространства, и может быть использовано при создании сканирующих систем непрерывного обзора, как стационарных, например, для обзора акватории морского порта, так и передвижных - в интересах разведки, точного наведения оружия, охраны границ.The present invention relates to optical electronic instrumentation, in particular to methods and devices for measuring angular coordinates and range to objects during continuous scanning of the surrounding space, and can be used to create scanning systems for continuous viewing, as stationary, for example, for viewing the seaport water area, and mobile ones - in the interests of reconnaissance, precise guidance of weapons, and border protection.

При круговом или секторном сканировании окружающего пространства проблемными являются как вопрос эффективного формирования последовательности видеокадров, обеспечивающей панорамный обзор окружающего пространства, так и измерение дальности до объектов лазерными дальномерами (ЛД), имеющими очень малое поле зрения - единицы угловых минут, в то время как поля зрения устройств технического зрения, например теле- или тепловизионных камер, составляет единицы или даже десятки градусов. Эта проблема усугубляется при непрерывном сканировании окружающего пространства с большими угловыми скоростями: в десятки и сотни градусов в секунду. При этом объект, имеющий малые угловые размеры, проходит через поле зрения ЛД за единицы и даже десятые доли миллисекунды.In circular or sectorial scanning of the surrounding space, both the issue of effective formation of a sequence of video frames providing a panoramic view of the surrounding space and the measurement of the distance to objects by laser range finders (LD) having a very small field of view - units of angular minutes, while the field of view are problematic Vision devices, such as television or thermal imaging cameras, are units or even tens of degrees. This problem is exacerbated by continuous scanning of the surrounding space with high angular velocities: tens and hundreds of degrees per second. Moreover, an object having small angular dimensions passes through the field of view of the LD in units and even tenths of a millisecond.

Известны оптико-локационные системы и системы кругового обзора [В.Я. Ширнин и др. Широкопольная инфракрасная система кругового обзора, патент РФ №2189049 от 03.10.2001; А.Я. Прилипко и др. Многофункциональная оптико-локационная система, патент РФ №2292566 от 15.09.2005; В.Г. Архипов, Ю.В. Чжан. Оптический локатор кругового обзора, патент РФ №2352957 от 22.01.2007], в которых применены оптико-электронные модули технического зрения. Основным недостатком этих систем является невозможность получения панорамной картины окружающего пространства и измерения дальности ЛД в процессе непрерывного сканирования окружающего пространства.Known optical location systems and systems of all-round visibility [V.Ya. Shirnin et al. Wide-field infrared circular viewing system, RF patent No. 2189049 from 03.10.2001; AND I. Prilipko et al. Multifunctional optical-location system, RF patent No. 2292566 from 09.15.2005; V.G. Arkhipov, Yu.V. Zhang. Optical radar circular scan, RF patent No. 2352957 from 01/22/2007], in which optical-electronic modules of technical vision are used. The main disadvantage of these systems is the impossibility of obtaining a panoramic picture of the surrounding space and measuring the LD range in the process of continuous scanning of the surrounding space.

Известны способ и устройства кругового обзора [Ф.М Броун и др. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления, патент РФ №2445644 от 19.04.2010; А.Я. Прилипко, Н.И. Павлов. Теплопеленгатор, патент РФ №2458356 от 15.04.2011], в которых формирование массива видеокадров осуществляют при непрерывном горизонтальном сканировании окружающего пространства оптико-электронным модулем с матричным фотоприемным устройством (МФПУ), а фиксацию оптического изображения на МФПУ на время экспонирования видеокадра обеспечивают оптическим компенсатором, выполненным либо в виде вращающейся оптической призмы, либо в виде вращающихся оптических клиньев.The known method and device of the circular review [F.M. Brown and others. The method of circular viewing by a matrix photodetector and a device for its implementation, RF patent No. 2445644 from 04/19/2010; AND I. Prilipko, N.I. Pavlov. Heat locator, RF patent No. 2458356 dated 04/15/2011], in which the formation of an array of video frames is carried out with continuous horizontal scanning of the surrounding area by an optical-electronic module with a photodetector array (MFP), and the optical image is fixed on the MFP for the exposure time of the video frame by an optical compensator, made either in the form of a rotating optical prism, or in the form of rotating optical wedges.

Недостаток указанных способа и устройств состоит в невозможности измерения с помощью ЛД расстояния до объектов в процессе сканирования из-за его малого поля зрения, составляющего единицы угловых минут, и большой угловой скорости сканирования.The disadvantage of these methods and devices is the inability to measure the distance to objects with the help of an LD during the scanning process due to its small field of view, which is units of angular minutes, and the large angular scanning speed.

Частично этот недостаток преодолен в оптико-пеленгационной системе кругового обзора [В.В. Тарасов и др. Оптико-пеленгационная система кругового обзора, патент РФ №2356063 от 27.11.2007]. Указанная система содержит оптико-электронный блок электронного сканирования пространства, имеющий несколько оптико-электронных каналов электронного сканирования (ОЭКЭС), объективы которых равномерно расположены в азимутальной плоскости на окружности с радиальным расположением их оптических осей, в фокальной плоскости каждого объектива расположена фоточувствительная поверхность МФПУ. Поля обзора этих объективов перекрывают сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков, что позволяет получить соответствующий массив видеокадров.Partially, this drawback is overcome in the optical direction finding system of the circular review [V.V. Tarasov et al. Optical-direction finding system of the circular review, RF patent No. 2356063 from 11.27.2007]. The indicated system contains an optical-electronic block for electronic scanning of space, which has several optical-electronic channels for electronic scanning (OECS), the lenses of which are uniformly located in the azimuthal plane on a circle with a radial arrangement of their optical axes, in the focal plane of each lens there is a photosensitive surface of the MFP. The fields of view of these lenses cover the scanned space in the azimuthal plane without gaps, which allows you to get the corresponding array of video frames.

Система дополнительно включает оптико-электронный канал механического сканирования пространства, оптическая ось объектива которого проходит перпендикулярно азимутальной плоскости через центр окружности, на которой расположены объективы ОЭКЭС. Оптико-электронный канал механического сканирования включает поворотное зеркало, расположенное на оптической оси его объектива под углом к ней и выполненное с возможностью поворота как по азимуту, так и по углу места.The system additionally includes an optical-electronic channel for mechanical scanning of space, the optical axis of the lens of which passes perpendicular to the azimuthal plane through the center of the circle on which the lenses are located. The optical-electronic channel of mechanical scanning includes a rotary mirror located on the optical axis of its lens at an angle to it and made with the possibility of rotation both in azimuth and elevation.

Система также содержит ЛД, визирная ось которого сопряжена с визирной осью оптико-электронного канала механического сканирования и управляется приводами поворотного зеркала.The system also contains an LD, the sight axis of which is coupled to the sight axis of the optoelectronic channel for mechanical scanning and is controlled by rotary mirror drives.

Недостатки указанной системы состоят: во-первых, в большом количестве ОЭКЭС, необходимых для обзора, уменьшение числа которых автоматически ведет к увеличению их полей зрения, а следовательно, к уменьшению масштаба видеоизображений, и, как результат, к уменьшению дальности обнаружения и распознавания объектов, вплоть до их пропуска; во-вторых, в конструктивной сложности системы в целом; в-третьих, в потере времени, необходимого для наведения на объект по двум осям светодальномерного канала.The disadvantages of this system are: firstly, in a large number of ECEs necessary for review, a decrease in the number of which automatically leads to an increase in their fields of view, and consequently, to a reduction in the scale of video images, and, as a result, to a decrease in the range of detection and recognition of objects, up to their admission; secondly, in the constructive complexity of the system as a whole; thirdly, in the loss of time necessary for pointing at an object along two axes of the light-range-measuring channel.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что вначале известными средствами непрерывно получают последовательность видеокадров сканируемого пространства, в полученной последовательности выбирают видеокадр с объектом, до которого требуется измерить дальность, вычисляют вертикальную и горизонтальную координаты выбранного объекта, выставляют визирную ось ЛД по вычисленной вертикальной координате объекта, а замер дальности производят в следующем цикле сканирования в момент прохождения сканирующей платформой вычисленной горизонтальной координаты объекта. Горизонтальную координату объекта вычисляют как сумму координаты начала выбранного кадра и горизонтальной координаты объекта в кадре.The essence of the proposed method consists in the fact that first, by known means, a sequence of video frames of the scanned space is continuously obtained, a video frame with an object to which a range is to be measured is selected in the resulting sequence, the vertical and horizontal coordinates of the selected object are calculated, the line of sight of the LD is calculated using the calculated vertical coordinate of the object, and the range is measured in the next scanning cycle at the moment the scanning platform passes the calculated horizon total coordinates of the object. The horizontal coordinate of the object is calculated as the sum of the coordinates of the beginning of the selected frame and the horizontal coordinate of the object in the frame.

Аппаратно предлагаемый способ реализуется установкой оптико-электронного модуля (ОЭМ) на сканирующую в горизонтальной плоскости платформу, снабженную приводом и датчиком углового положения. На этой же платформе жестко закреплен одноосный вертикальный подвес, на платформе которого установлен лазерный дальномер. Вертикальный подвес снабжен приводом и датчиком углового положения. Все входы приводов и выходы датчиков углового положения, а также выход устройства выбора объекта через шину последовательного обмена соединены с вычислительным устройством, к выходу которого подключен монитор.The hardware-based proposed method is implemented by installing an optical-electronic module (OEM) on a scanning platform in the horizontal plane, equipped with a drive and an angle sensor. A single-axis vertical suspension is rigidly fixed on the same platform, on the platform of which a laser rangefinder is installed. The vertical suspension is equipped with a drive and an angle sensor. All inputs of the drives and the outputs of the sensors of the angular position, as well as the output of the device for selecting an object via the serial bus, are connected to a computing device to the output of which a monitor is connected.

Техническим результатом изобретения является возможность измерения дальности до объекта с помощью ЛД при непрерывном, в том числе круговом, сканировании окружающего пространства.The technical result of the invention is the ability to measure the distance to the object using the LD during continuous, including circular, scanning of the surrounding space.

На фиг.1 показана структурная схема устройства. На фиг.2 приведен пример положения объекта на экране монитора и соответствующие этому положению его координаты относительно начала видеокадра.Figure 1 shows the structural diagram of the device. Figure 2 shows an example of the position of the object on the monitor screen and the corresponding coordinates of this position relative to the beginning of the video frame.

Устройство локации с измерением дальности до объектов с помощью ЛД содержит сканирующую в горизонтальной плоскости платформу 1 (фиг.1), на которой размещены ОЭМ 2 и модуль лазерного дальномера 3 с лазерным дальномером 4, установленным на платформу вертикального наведения 5. Привод сканирования 6 соединен с осью вращения сканирующей платформы 1, к этой же оси подсоединен датчик угла сканирования 7, соединенный своим выходом через шину последовательного обмена 8 с вычислительным блоком 9. Вход привода сканирования 6 через шину последовательного обмена 8 соединен с вычислительным блоком 9.The location device with measuring the distance to objects using an LD contains a horizontal scanning platform 1 (Fig. 1), on which an OEM 2 and a laser range finder module 3 with a laser range finder 4 mounted on a vertical guidance platform 5 are placed. A scan drive 6 is connected to the axis of rotation of the scanning platform 1, the scan angle sensor 7 is connected to the same axis, connected by its output via the serial bus 8 to the computing unit 9. The input of the scan drive 6 through the serial bus exchange 8 is connected to the computing unit 9.

Оптико-электронный модуль 2 содержит оптический блок 10 с компенсатором, в фокальной плоскости которого расположено МФПУ цифровой телекамеры 11. Телекамера 11 соединена своим выходом с входом блока видеопамяти 12, вход/выход которого через шину последовательного обмена 8 соединен с вычислительным блоком 9.The optical-electronic module 2 contains an optical unit 10 with a compensator, in the focal plane of which is located the MFP of the digital camera 11. The camera 11 is connected by its output to the input of the video memory unit 12, the input / output of which is connected via the serial bus 8 to the computing unit 9.

Модуль лазерного дальномера 3 содержит ЛД 4, платформу вертикального наведения 5 с закрепленным на ней ЛД и снабженной приводом вертикального наведения 13 и датчиком угла вертикального наведения 14. Вход привода вертикального наведения 13 и выход датчика угла вертикального наведения 14 через шину последовательного обмена 8 соединены с вычислительным блоком 9.The laser rangefinder module 3 contains an LD 4, a vertical guidance platform 5 with an LD mounted on it and equipped with a vertical guidance drive 13 and a vertical guidance angle sensor 14. The input of the vertical guidance drive 13 and the output of the vertical guidance angle sensor 14 through a serial communication bus 8 are connected to the computing block 9.

Вычислительный блок 9 своим видеовыходом соединен с входом монитора 15 и через шину последовательного обмена 8 соединен с выходом устройства выбора объекта 16.The computing unit 9 is connected by its video output to the input of the monitor 15 and, through the serial communication bus 8, is connected to the output of the object selection device 16.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Вычислительный блок 9 задает скорость и углы сканирования приводу сканирования 6, который обеспечивает скорость вращения сканирующей платформы 1 с установленными на ней оптико-электронным модулем 2 и платформой 5 с лазерными дальномером 4. Оптический блок 10 формирует последовательность оптических изображений на МФПУ телекамеры 11, которая преобразует их в массив видеокадров. Этот массив видеокадров запоминают в блоке видеопамяти 12.The computing unit 9 sets the scanning speed and angles of the scanning drive 6, which provides the rotation speed of the scanning platform 1 with the optoelectronic module 2 installed on it and the platform 5 with the laser range finder 4. The optical unit 10 generates a sequence of optical images on the multifunction camera 11, which converts them into an array of video frames. This array of video frames is stored in the video memory unit 12.

Оператор просматривает видеокадры на экране монитора 15 (фиг.2) и с помощью устройства выбора объекта 16 выбирает видеокадр (n) и объект в нем, координаты которого требуется измерить. Оператор с помощью устройства выбора объекта 16 (например, компьютерной «мыши») наводит курсор вычислительного блока 9 на изображение выбранного объекта на экране монитора 15 и дает команду на определение угловых координат и дальности до объекта. По этой команде вычислительный блок 9 вычисляет горизонтальную (α_n), и вертикальную (β_n) координаты объекта относительно начала видеокадра (α_no,β_no), a также суммарную горизонтальную координатуThe operator views the video frames on the monitor screen 15 (Fig.2) and using the device 16 selects the video frame (n) and the object in it, the coordinates of which you want to measure. The operator using the device to select the object 16 (for example, a computer "mouse") hovers the cursor of the computing unit 9 to the image of the selected object on the monitor screen 15 and gives a command to determine the angular coordinates and the distance to the object. By this command, the computing unit 9 calculates the horizontal (α _n ), and vertical (β _n ) coordinates of the object relative to the beginning of the video frame (α _no , β _no ), as well as the total horizontal coordinate

α_Σ=α_no+α_n.α _Σ = α _no + α _n .

Вычислительное устройство 9 (фиг.1) выдает значения вертикальной координаты объекта на привод вертикального наведения 13, который поворачивает платформу 5 с ЛД 4 на угол, равный вертикальной координате объекта. Контроль поворота осуществляет вычислительный блок 9 по информации с датчика угла вертикального наведения 14.The computing device 9 (Fig. 1) provides the values of the vertical coordinate of the object to the vertical guidance drive 13, which rotates the platform 5 from the LD 4 by an angle equal to the vertical coordinate of the object. The rotation control is performed by the computing unit 9 according to information from the vertical angle sensor 14.

После выполнения операции поворота платформы 5 с ЛД 4 на заданную вертикальную координату β_n вычислительный блок 9 выдает ЛД 4 команду на подготовку замера дальности.After the operation of turning the platform 5 from the LD 4 to the specified vertical coordinate β _{n, the} computing unit 9 issues the LD 4 a command to prepare a range measurement.

При повторном сканировании вычислительный блок 9 выдаст команду ЛД 4 на измерение дальности в момент совпадения вычисленного значения горизонтальной координаты объекта α_Σ с текущим значением датчика угла сканирования 7, т.е. в момент прохождения визирной оси ЛД 4 через объект.When re-scanning, the computing unit 9 will issue an LD 4 command to measure the range at the moment the calculated value of the horizontal coordinate of the object α _Σ coincides with the current value of the scanning angle sensor 7, i.e. at the time of passage of the sighting axis of the LD 4 through the object.

Claims

1. The method of optical location of objects, including scanning the surrounding space, the formation of the optical unit of its image on the photosensitive surface of the matrix photodetector device (MFP) and recording multi-frame panoramic video images in electronic memory, characterized in that the surrounding space is scanned in a horizontal plane, a video frame with an object is selected , to which you want to measure the distance, measure the vertical and horizontal coordinates of the image of the object relative to start date of the video frame, calculate the horizontal coordinate of the object by summing the coordinates of the start of the selected video frame with the horizontal coordinate value in the video frame, set the line of sight of the laser rangefinder according to the measured vertical coordinate of the object, during the next scan cycle, measure the distance to the object at the time of passing the line of sight of the laser rangefinder according to the calculated previous scan cycle the horizontal coordinate of the object.

2. An optical location device containing a horizontal scanning platform with a drive and an angular position sensor, an optical unit mounted on this platform and forming a sequence of optical images of the surrounding space on an MPU of a digital television camera connected by its output to the input of the video memory unit, a laser rangefinder and a computing the device to which the monitor is connected to the video output, and the inputs / outputs of the unit are connected to the information input / output via the serial bus and video memory, a laser range finder, a drive and a scanning angle sensor, characterized in that the laser range finder is mounted on a platform that is rotatable in a vertical plane, equipped with a drive and an angle position sensor, and an object selection device is introduced, the information inputs / outputs of a vertical guidance drive, a sensor the vertical guidance angle and the object selection device via the serial communication bus are connected to the computing unit.