Устройство для калибровки яркости протяженных объектов

 

Использование: спектрофотометрия протяженных объектов при регистрации изображений с борта космического аппарата, а также при наземных оптических наблюдениях; конструирование и изготовление устройств для калибровки яркости протяженных объектов. Сущность изобретения: для автоматизации и унификации калибровочных измерений с повышением их быстродействия и упрощением в устройство введен узел автоматического расфокусирования входного объектива приемника изображений и устройство выполнено с возможностью ступенчатого расфокусирования объектива с фиксацией промежуточных положений для получения эталонных уровней поверхностной яркости по внефокальным изображениям звезды-стандарта. 2 ил.

Изобретение относится к области спектрофотометрии протяженных внеатмосферных объектов. Может использоваться для автоматического измерения энергии, излучаемой протяженными объектами в отдельных участках спектра, при регистрации с борта космического аппарата или при наземных оптических наблюдениях. Может также применяться при конструировании и изготовлении устройств для калибровки яркости протяженных объектов.

Известно устройство для измерений яркости протяженных объектов, включающее оптическую систему телескопа и приемник изображений со встроенным проектором изображения ступенчатого ослабителя ([1], с. 217).

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает энергетически калиброванных уровней яркости, поэтому с его помощью можно выполнять только относительные измерения яркости протяженных объектов ([1], с. 219).

Известно устройство-прототип, включающее приемник изображений с входным объективом и устройство для регистрации изображений, использовавшееся в [2].

Недостатком устройства-прототипа является низкое быстродействие при построении калибровочной кривой и сложность выполняемых измерений. Это обусловлено тем, что устройство позволяет выполнять только ручное расфокусирование входного объектива, осуществляемое для получения внефокальных изображений звезды-стандарта. Расфокусирование объектива выполняется непосредственным вращением фокусировочного кольца или в некоторых конструкциях телевизионных камер включением тумблера пульта дистанционного управления фокусированием входного объектива. Устройство-прототип обеспечивает формирование случайной, невоспроизводимой в каждом отдельном случае калибровки последовательности диаметров внефокальных изображений звезды-стандарта и, следовательно, уровней поверхностной яркости. Поэтому в каждой калибровке требуется выполнять тщательные измерения диаметров зарегистрированных внефокальных изображений звезды и определять значения их поверхностной яркости.

Работа устройства-прототипа требует участия оператора, что не способствует эффективному использованию возможностей высокочувтствительных быстродействующих приемников изображений и современных средств обработки видеосигнала.

Общеизвестно, что использование существующих устройств, приспособлений и методик калибровки протяженных объектов сопряжено с выполнением сложных процедур получения эталонных уровней яркости и требует громоздких измерений для построения калибровочной кривой. Это далеко не всегда сопровождается достижением удовлетворительной точности измерений и не способствует унификации калибровочных измерений, выполняемых на разных приборах, в разных странах и при различных условиях оптических наблюдений.

Особенно ощутимой эта проблема становится в случае оптических наблюдений с борта непилотируемых орбитальных и межпланетных станций.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для калибровки яркости протяженных объектов, которое путем введения нового элемента обеспечивает получение совокупности эталонных уровней яркости по одной звезде-стандарту автоматически. При этом формируется фиксированная, воспроизводимая в каждой процедуре калибровки последовательность диаметров внефокальных изображений звезды-стандарта и соответственно значений поверхностной яркости. Этим достигается повышение быстродействия и упрощение калибровочных измерений.

Технический результат состоит в автоматизации и унификации калибровочных измерений при регистрации протяженных объектов.

Технический результат достигается тем, что известное устройство, включающее входной объектив, приемник изображений и блок регистрации изображений, снабжено узлом автоматического расфокусирования, соединенным с входным объективом, и выполнено с возможностью смещения входного объектива вдоль оптической оси при его расфокусировании на шаг 1 = 2·F²·(tg(a/2))/n·D, где F - фокусное расстояние входного объектива; a - максимальный угловой диаметр внефокального изображения звезды-стандарта; n - количество фиксированных положений объектива при расфокусировании; D - диаметр входного отверстия объектива.

Сущность изобретения заключается в том, что для управления расфокусированием входного объектива устройство снабжено узлом автоматического расфокусирования, соединенным с входным объективом. Узел автоматического расфокусирования позволяет осуществлять цикл ступенчатого смещения входного объектива вдоль оптической оси с фиксированной последовательностью его промежуточных положений. Благодаря этому формируется серия внефокальных изображений звезды-стандарта с известным, воспроизводимым при каждом расфокусировании набором их диаметров. Создается известный, определяемый диаметрами набор эталонных уровней поверхностной яркости. Это исключает процедуры измерений диаметров внефокальных изображений и определения значений их поверхностной яркости в каждой калибровочной операции.

В прототипе при ручном управлении расфокусировкой объектива образуется случайная последовательность диаметров внефокальных изображений звезды и уровней их поверхностной яркости. Поэтому каждая калибровка требует длительных и трудоемких измерений этих двух параметров.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит: 1 - входной объектив, 2 - приемник изображения, 3 - узел автоматического расфокусирования, 4 - устройство регистрации изображений.

Входной объектив 1 соединен с приемником изображений 2 и с узлом автоматического расфокусирования 3. Фокальная плоскость входного объектива 1 совмещена со светочувствительной поверхностью приемника изображений 2, который соединен с устройством регистрации изображений 4.

Для пояснения работы устройства на фиг. 2 приведена оптическая схема формирования внефокальных изображений с обозначениями: O - входной объектив приемника изображений, F - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного отверстия объектива, A - угол зрения объектива, I - поток излучения от звезды-стандарта, l - шаг смещения объектива вдоль оптической оси при расфокусировании, L - максимальное смещение объектива, n - количество фиксированных промежуточных положений объектива, a - максимальный угловой диаметр внефокального изображения в проекции на небесную сферу, d - максимальный линейный диаметр внефокального изображения на рабочей поверхности приемника изображений.

Устройство работает следующим образом. При проведении процедуры калибровки осуществляется запуск узла автоматического росфокусирования 3. Он отрабатывает циклограмму выведения объектива 1 из фокуса для получения внефокальных изображений звезды-стандарта на светочувствительной поверхности приемника изображений 2 и возвращение объектива в исходное положение.

Режим работы узла автоматического расфокусирования 3 обеспечивается его электронно-механической схемой, позволяющей осуществлять ступенчатое расфокусирование входного объектива 1 с прохождением последовательности фиксированных промежуточных положений. В каждом из фиксированных положений производится регистрация внефокального изображения звезды-стандарта устройством регистрации 4.

Исходное положение объектива - фокальная плоскость совмещена со светочувствительной поверхностью приемника изображений (фиг. 2а). Первый шаг смещения и положение максимального смещения объектива вдоль оптической оси являются предельными положениями: они обеспечивают формирование внефокальных изображений со значениями поверхностной яркости, находящихся на границах динамического диапазона приемника изображения (фиг. 2б).

Для задания циклограммы ступенчатого росфокусирования определяющим является значение максимального диаметра внефокального изображения.

Максимальный угловой диаметр а внефокального изображения звезды-стандарта (в проекции на небесную сферу, фиг.2в) определяется пороговой чувствительностью приемника изображений. Это обусловлено тем, что с возрастанием диаметра яркость внефокального изображения систематически снижается. С использованием высокочувствительных приемников (пороговая освещенность на входе 10Е-6 - 10Е-7 лк) со входными объективами типа "Гелиос-40" и "Юпитер-3" минимальные уровни яркости регистрируются при значениях а = 5 - 7^o.

Максимальный линейный диаметр внефокального изображения на светочувствительной поверхности приемника изображения (см. фиг. 2б, в) d = 2F · tg(a/2).

Количество формируемых уровней в пределах динамического диапазона приемника изображений выбирают в зависимости от требуемой точности построения калибровочной кривой. Опыт измерений [2] дает значение n = 10 - 15.

С учетом максимального размера внефокального изображения а смещение объектива вдоль оптической оси при ступенчатом расфокусировании происходит с шагом l=L/n, где полное смещение объектива L = d·F/D, тогда l = 2·F²·(tg(a/2))/n·D.

Шаг изменения диаметра внефокального изображения на светочувcтвительной поверхности приемника изображения в линейной мере Δd = D·l/F или Δd = 2·l·tg(A/2).

Эталонные уровни поверхностной яркости В_i, воспроизводимые серией внефокальных изображений, определяют по известному значению заатмосферной энергии звезды-стандарта Е_f, выделяемой используемым фильтром, и по известной последовательности телесных углов Ω_i, соответствующих каждому внефокальному изображению B_i = E_f/Ω_i, где телесные углы Ω_i определяют по угловым диаметрам a_i из соотношения Ω_i = 2π(1-cosa_i/2), при i = 1...n. Использование значений энергии, создаваемой звездой-стандартом на внешней границе земной атмосферы, обусловлено тем, что рассматриваемый класс устройств применяется для регистрации протяженных объектов, находящихся за пределами основной толщи атмосферы.

Одним из технических решений конструкции узла автоматического расфокусирования является шаговый двигатель, снабженный схемой автоматического управления. После запуска схемы управления подается предусмотренная схемой последовательность команд на включение шагового двигателя для ступенчатого смещения входного объектива. Продолжительность фиксации промежуточных положений объектива t для конкретного приемника изображений выбирают с учетом его инерционности. Кроме времени, необходимого для установления устойчивого режима работы приемника после изменения уровня сигнала в изображении, в значение t входит также время регистрации внефокального изображения.

Таким образом, максимальный диаметр внефокального изображения d, шаг смещения объектива l, максимальное смещение объектива L, продолжительность фиксации промежуточных положений t и количество эталонных уровней n - основные параметры, определяющие процесс автоматического формирования эталонных уровней поверхностной яркости. Они используются для построения циклограммы работы узла автоматического расфокусирования.

Выходной видеосигнал приемника изображений подается на вход блока регистрации 4 для измерения амплитуды видеосигнала в каждом внефокальном изображении звезды-стандарта и сопоставления с известными значениями их поверхностной яркости, чем устанавливается калибровочное соотношение "сигнал - энергия".

Калибровочное соотношение "сигнал - энергия" используется для определения яркости объекта по измеренным значениям уровня полезного сигнала в его изображении.

Преимуществом предложенного устройства является то, что операция установления эталонных уровней яркости осуществляется на этапе конструирования устройства. Этап изготовления и испытаний устройства дает их конкретные значения, присущие данной реализации устройства. При эксплуатации устройства они воспроизводятся автоматически при каждом выполнении калибровочной процедуры.

Благодаря этому впервые в устройствах аналогичного назначения достигается установление технической характеристики, относящейся к области метрологии - набора эталонных уровней заатмосферной поверхностной яркости.

По сравнению с известными устройствами из процедуры калибровки исключаются трудоемкие измерительные процедуры. Благодаря этому предлагаемому устройству присущи высокое быстродействие и существенное упрощение калибровочных измерений.

За счет ведения критериев формирования внефокальных изображений (шаг смещения объектива l, максимальное расстояние его смещения L, время фиксации t, максимальный угловой а и линейный d диаметры внефокального изображения звезды-стандарта d, количество эталонных уровней поверхностной яркости n) достигается унификация построения устройств для калибровки протяженных объектов. При эксплуатации устройств, использующих предложенное техническое решение, достигается также унификация калибровочных измерений в случае регистрации протяженных объектов приемниками изображений различных типов.

Предложенное техническое решение обеспечивает новый, значительно более высокий уровень метрологического обеспечения при измерениях яркости протяженных объектов как при наземных, так и при бортовых оптических наблюдениях.

Список литературы
1. Абраменко А.Н., Агапов Е.С., Анисимов В.Ф. и др. Телевизионная астрономия. / Под ред. Никонова В.В. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1983, 272 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 1758447, 01.05.92 (Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Способ измерения яркости искусственных протяженных светящихся образований в ионосфере).

Формула изобретения

Устройство для калибровки яркости протяженных объектов, включающее входной объектив, приемник изображений и блок регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено узлом автоматического расфокусирования, соединенным с входным объективом, и выполнено с возможностью смещения входного объектива вдоль оптической оси при его расфокусировании на шаг
l = 2F²(tg(a/2)) / n · D,
где F - фокусное расстояние входного объектива;
a - максимальный угловой диаметр внефокального изображения звезды-стандарта;
n - количество фиксированных положений объектива при расфокусировании;
D - диаметр входного отверстия объектива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2