CC BY
41
УДК 621.396.96+681.586.5
ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК С СЕКТОРНОЙ ЗОНОЙ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА
Юрий Анатольевич Печенкин
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (913)462-18-73, e-mail: [email protected]
Валерий Анатольевич Колесников
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (913)945-42-83, e-mail: [email protected]
Степан Александрович Буднов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, r. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Валерий Григорьевич Эдвабник
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, заместитель генерального директора по развитию, чл.-корр. РАРАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-63, e-mail: [email protected]; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор кафедры АИУС, тел. (383)346-26-23
В работе решается задача повышения достоверности обнаружения малоразмерных объектов в широком угловом секторе. Предложена оптическая схема датчика с секторной зоной чувствительности. Анализируются конструктивные и энергетические требования к датчику.
Ключевые слова: оптическая локационная система, обнаружение малоразмерных объектов, оптическая схема, дистанционная характеристика, приемный модуль.
OPTICAL SENSOR WITH SECTORIAL DETECTION AREA
Yuriy A. Pechenkin
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Head of Laboratory, tel. (913)462-18-73, e-mail: [email protected]
Valeriy A. Kolesnikov
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Head of Laboratory, tel. (913)945-42-83, e-mail: [email protected]
Stepan A. Budnov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, graduate student, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Valery G. Edvabnik
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Deputy General Director for development, Corresponding member of Russian Academy of Missile and Ammunition Sciences, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)216-05-63, e-mail: [email protected]; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, Professor at the Department of AICS, tel. (383)346-26-23
In this paper we consider the problem of increasing the reliability of small-target detection in a wide angular sector. The optical scheme of a sensor with a sector sensitivity zone is proposed. Constructive and energy requirements to the sensor are analyzed.
Key words: optical radar system, small-target detection, optical scheme, remote characteristic, receiving module.
Лазерные датчики (ЛД) обнаружения приближающихся объектов, датчики предотвращения столкновений с препятствиями применяются на защищаемых объектах, в робототехнике, на транспорте, в аппаратуре скоростных измерений.
Традиционные оптоэлектронные передающие и приемные устройства имеют узкие диаграммы направленности (ДН): единицы градусов [1-6]. Рассмотрим влияние коэффициента перекрытия сечения ДН датчика и малогабаритного в одной плоскости объекта при достаточном энергетическом потенциале ЛД [4]. Вероятность обнаружения объекта (усредненная по равновероятным траекториям приближения датчика) в зависимости от углового сектора обзора при дальности обнаружения 2м показана в табл. 1. Здесь рассматриваются ЛД с квадратным сечением ДН и прямоугольный объект, пересекающий ДН полностью в продольной плоскости и частично (стороной минимального поперечного размера) в другой. Вероятность обнаружения изменяется обратно пропорционально расстояния до объекта.
Таблица 1
Диаметр (ширина) объекта, м Ширина углового сектора контроля, град
60 45 36 30
0,5 0,24 0,30 0,38 0,45
0,4 0,20 0,24 0,31 0,36
0,3 0,15 0,18 0,23 0,27
Повышение вероятности обнаружения возможно путем увеличения ширины ДН приемного и передающего устройств, т.е. создание ЛД с непрерывной зоной чувствительности. При этом вероятность обнаружения может приближаться к 1 для всех потенциальных объектов обнаружения.
Разработанный датчик с секторной ДН (60°), обеспечивает обнаружение объекта с коэффициентом диффузного отражения р=0,15 и минимальным размером 250 мм в широкой плоскости ДН на дальности не менее 3,5 м. Ограничение зоны обнаружения по дальности составляет 6 м. Габаритные размеры: 40х50х80 мм.
В ЛД применен полупроводниковый лазерный излучатель ИЛПИ-135 с импульсной мощностью излучения 100 Вт и многоплощадочный фотоприемный модуль. Фотоприемный модуль (ФПМ) имеет протяженную светочувствительную область, состоящую из двух рядов площадок (по 4 в каждом ряду) с инди-видульными каналами усиления. За счет цилиндрических оптических систем ряд
площадок модуля и излучатель формируют широкие ДН в горизонтальной плоскости с возможностью определения углового направления на объект (3 или 4 «подсектора»).
Каждая пара площадок из верхнего и нижнего ряда формирует двойное узкое поле зрения в вертикальной плоскости (рис. 1), что позволяет реализовать алгоритм обработки сигнала по методу равносигнальной зоны. При этом возможно измерение текущего расстояния через соотношение амплитуд принятых импульсов, а также выбор зоны обнаружения по дальности.
Для ЛД спроектированы сферические, асферические и цилиндрические линзы, позволяющие построить необходимую оптическую схему, обеспечивающую требуемые диаграммы направленности на излучение и прием.
Рис. 1. Диаграммы направленности ЛД в вертикальной плоскости:
1, 2, 3 - излучатель с оптической системой; 4, 5 - зоны перекрытия диаграмм;
6, 7 - ФПМ с оптической системой
ЛД с секторной зоной обнаружения, в сравнении с узко -лучевыми ЛД, содержат ряд особенностей, а их применение имеет принципиальные ограничения:
а) Высокая импульсная мощность излучения.
В ЛД с широкой ДН с объектом взаимодействует только часть излучаемой мощности, поэтому для сохранения обнаружительной способности системы и при прочих одинаковых условиях, мощность излучения должна быть увеличена пропорционально расширению ДН. Для дальности действия 3-5 м импульсная мощность излучения составляет не менее 100 Вт при длительности импульса 100-300 нс.
б) Сложность формирования ДН.
Оптические системы должны формировать согласованные ДН приемного и передающего устройств с равномерным распределением интенсивности сигнала, обеспечивающей одинаковую чувствительность системы, как в центре, так и на краях сектора зрения.
в) Высокие требования к изображению, формируемому на фоточувствительных элементах, обеспечиваются относительно сложной и качественной оптикой.
Радиус кружка рассеяния на элементах ФПМ должен быть минимальным как в центре сектора обзора, так и на его краях. Малый радиус кружка рассеяния способствует быстрому увеличению разницы между сигналами с рядов элементов фотоприемника (крутизны дистанционной характеристики) при изменении положения изображения, обусловленного изменением расстояния до объекта, тем самым повышается точность измерения текущего расстояния до объекта и уменьшается разброс по дальности границы области обнаружения.
г) Большой динамический диапазон линейной части фотоприемного тракта.
Линейная часть амплитудной характеристики фотоприемного тракта
должна обеспечивать работоспособность системы в большем (по сравнению с узко-лучевыми ЛД) диапазоне входных сигналов и уровней фоновой засветки пропорционально расширению ДН.
д) Помехозащищенность при работе в аэрозольной среде.
Аэрозольные образования естественного и искусственного происхождения
(туман, дым, пыль, снег, дождь) являются неблагоприятной средой для прохождения оптического излучения, что снижает дальность действия ЛД, а отражение от аэрозольных помех (помеха обратного рассеяния), начиная с некоторой ее плотности, может привести к ложному решению об обнаружении при отсутствии объекта.
В ЛД с широкой ДН с аэрозольной помехой взаимодействует вся часть излучаемой мощности, согласованной со всеми элементами ряда фотоприемника. При этом амплитуда помехи обратного рассеяния будет превышать пороговый уровень, начиная с плотности, соответствующей метеорологической дальности видимости (МДВ) около 50 м. Для сравнения, узно-лучевые ЛД при прочих равных условиях сохраняют работоспособность в помехе с МДВ порядка 12-15 м.
Задача помехозащиты секторного ЛД от пассивных помех в значительной степени решается формированием дистанционной характеристики с «мертвой зоной», исключающей высокий потенциал ЛД в ближней области пространства.
Выводы
Опыт разработки показал возможность решения ряда технических проблем, возникающих при переходе от узко -лучевых ЛД к датчикам с секторной зоной обнаружения. При этом следует учитывать определенные ограничения, накладываемые на их применение в сложных метеоусловиях.
Основное преимущество ЛД с секторным зоной чувствительности - близкая к единице вероятность обнаружения малогабаритных объектов с измерением текущего расстояния расширяет области применения и повышает их конкурентоспособность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Печенкин Ю. А., Колесников В. А. Оценка и учет влияния помехи обратного рассеяния на работу оптико-локационных устройств // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика -2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 225-228.
2. Печенкин Ю.А., Колесников В.А., Эдвабник В.Г. Разработка предконтактных оптических датчиков со стабилизацией дальности действия в аэрозольных помехах. Новосибирск: НГТУ // Труды 14 Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», - Новосибирск: НГТУ, 2013. - С. 497-500.
3. Легкий В.Н., Помехоустойчивость импульсных оптоэлектронных дальномерных систем, "Безопасность информационных технологий", МИФИ, 2002.-С.94-97.
4. Легкий В.Н., Топорков В.Д. Лазерные системы ближней локации. Оптоэлектронные датчики. Под ред. В.Н. Легкого. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 179 с.
5. Легкий В.Н., Галун Б.В., Санков О.В. Оптоэлектронные элементы и устройства систем специального назначения: Учебник /- Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011. - 455 с.
6. Принципы построения помехоустойчивых миниатюрных лазерных импульсных дальномеров, высотомеров и датчиков для бортовых и транспортных систем / Легкий В.Н., Галун Б.В., Литвиненко С.А., Санков О.В., Шумейко В.А., Баласов И.Ю., Башмаков А.О.// Оптический журнал. -2011.-Т. 78, №5.- С.64-69.
© Ю. А. Печенкин, В. А. Колесников, С. А. Буднов, В. Г. Эдвабник, 2017
