Оптические локационные системы.

Оптические локационные системы (ОЛС) предназначены для получения информации об объекте на основании анализа его оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных и рентгеновских волн. Такими параметрами являются спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла падения излучения.

Поэтому все ОЛС можно разделить на два больших класса:

· системы локации

· сис­темы технического зрения.

Первые используют главным образом в задачах навигации и измерения, вторые — в задачах, связанных с получением и анализом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения размеров объектов, расстояний и скоростей.

ОЛС подразделяют по трем основным признакам:

· по принципу локации — активные и пассивные;

· по типу первичного преобразователя — вакуумные, оптронные и ла­зерные;

· по взаимному расположению объекта и его изображения — каллиматорные (объект и его изображение находятся в бесконечности), телескопи­ческие (в бесконечности расположен только объект), проекционные (в бес­конечности находится только изображение) и фокусирующие (объект и его изображение расположены на конечном расстоянии).

 

 

Основы оптической локации

Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы технического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излучение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ.

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с X = 380...750 нм образуют видимый свет. Источники света принято разделять на когерентные и некогерентные. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом изменяются во времени.

Для оценки светового излучения применяются энергетические и светотехнические (визуальные) характеристики. Первые используют, как правило, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и воспринимаемых глазом.

Различают следующие основные характеристики светового излучения:

· энергия излучения (энергетическая в джоулях и светотехническая в люмен-секундах);

· световой поток (энергетический в ваттах и светотехнический в

· люменах, причем I Вт излучения с X = 5,55 • 10 м соответствует 683 лм);

· сила света — телесный угол (энергетическая в ваттах на стерадиан и светотехническая в канделах);

· освещенность

· яркость (интенсивность)

Способность глаза реагировать на изменение яркости в очень большом диапазоне получило название зрительной адаптации.

 

Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических преобразователей (например, оптронной пары светодиод - фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как правило, в инфракрасном диапазоне. Качество обнаружения (детектирования) определяется следующими параметрами:

· мощностью и направленностью излучения,

· спектральной характеристикой первичных преобразователей (излучающего диода на стороне излучателя и фотодетектора на стороне приемника)

· свойствами отражающей поверхности объекта.

Объективом называется ближняя к объекту линза (или система линз), дающая его обратное действительное изображение.

Объектив используют как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

Распространенной оценкой светосилы объектива является диафрагменное (апертурное) число N.

Диафрагменное число определяет разрешающую способность и глубину резкости объектива.

Важным элементом оптической системы является конденсор, используе­мый как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

·

· Рис 1.Конденсор темного поля ОИ-13

· Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий па­раллельный световой пучок.

·

· Рис. 2 Коллиматорный прицел HAKKO BED-29

· В излучателе конденсор устанавливается перед объективом, в приемнике — после него, т. с. во всех случаях ближе к плоско­сти изображений.

 

В робототехнике при расчете ОЛС необходимо, во-первых, выбрать область наблюдения, во-вторых, определить разрешающую способность и, в-третьих, найти способ компенсации изменения освещенности. В робототехнике оптронные ОЛС используют очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Для расширения температурного диапазона работы (от 0 до 250 С) в современных модификациях оптронных датчиков малых расстояний используют световолоконные каналы передачи данных. Дискретные бинарные датчики применяют также в оптических системах идентификации (smart-картах). Промышленно выпускаемые оптронные дальномеры измеряют расстоя­ния до 100 мм с погрешностью около 1 %, причем время измерения не пре­вышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используют оптиче­ские отражатели.

Рис 3. Модуль лазерного дальномера и ТВ-канала (слева) и модуль тепловизионного прибора (справа) для оптронной мачты (ФГУП ЦКБ "Фотон»)

Рис 4. Отражатель оптический 4586