Способ юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к телевизионной технике, к аппаратуре прикладного телевидения, используемой в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов. Техническим результатом является повышение точности регулировки направления визирной оси телевизионной системы путем уменьшения ошибки в параллельности оптических осей телевизионных камер между собой и ошибки в их параллельности относительно посадочной плоскости основания. Технический результат достигается тем, что юстировка направления визирной оси осуществляется в синхронизированных по частоте и фазе телевизионных камерах и выполняется при помощи отражательной и электронной таблиц «сетчатое поле», параметры которых учитывают базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер, а также при помощи лазерного целеуказателя, излучение зонда которого производится в направлении отражательной таблицы через канавку, выполненную в основании телевизионной системы параллельно ее посадочной плоскости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, к аппаратуре прикладного телевидения, используемой в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ юстировки направления угла поля зрения телевизионной системы наблюдения кометы Галлея [1, с.147-150], заключающийся в последовательной коммутации на выход полного телевизионного сигнала от широкоугольной или узкоугольной телевизионных камер, геометрические центры фотоприемников которых совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния.

Устройство прототипа [1, с.147] содержит две телевизионные камеры: узкоугольную (с длиннофокусным объективом) и широкоугольную (с короткофокусным объективом), при этом последняя используется в качестве датчика наведения телевизионной системы. В качестве фотоприемников в каждой из телевизионных камер применены матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Дополнительно к телевизионному датчику наведения в телевизионной системе предусмотрен второй - аналоговый датчик наведения. Оба датчика наведения выполняют раздельно или совместно управление поворотной платформой космического аппарата, что позволяет изменять направление визирной оси телевизионной системы (направление угла поля зрения телевизионной системы) как в плоскости орбиты, так и в перпендикулярной ей плоскости. Электронный блок телевизионной системы, осуществляя два режима работы: дежурный и основной, - обеспечивает коммутацию полных телевизионных сигналов от каждой из телевизионных камер для последующей записи видеоинформации на бортовой магнитофон, передачи накопленной информации на Землю и воспроизведения изображения на экране видеомонитора Центра управления полетом.

Однако по сравнению с прототипом, для относительно простых и массовых аппаратов может быть заложено априори управление поворотной платформой, а следовательно, и направлением визирной оси телевизионной системы только от одного (не телевизионного датчика) наведения.

Это, в свою очередь, приводит к необходимости задания жестких требований на размещение телевизионной системы на поворотной платформе, в частности, на направление визирной оси телевизионной системы относительно посадочной плоскости ее основания. Для двухкамерной телевизионной системы это означает повышенные требования на параллельность оптических осей телевизионных камер между собой и их параллельность относительно посадочной плоскости основания. При этом допустимая величина ошибки в направлении оси визирования должна быть подтверждена метрологической проверкой в процессе настройки телевизионной системы на предприятии-изготовителе.

Задача изобретения - повышение точности регулировки направления визирной оси телевизионной системы путем уменьшения ошибки в параллельности оптических осей телевизионных камер между собой и ошибки в их параллельности относительно посадочной плоскости основания.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, заключающемся в том, что последовательно коммутируют на выход полный телевизионный сигнал от первой (широкоугольной) или второй (узкоугольной) телевизионных камер, геометрические центры фотоприемников которых совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, согласно изобретению первую и вторую телевизионные камеры синхронизируют по частоте и фазе, для каждой из телевизионных камер выставляют одинаковую величину угла поля зрения за счет регулирования фокусного расстояния объектива одной из телевизионных камер, устанавливают в плоскости объекта телевизионной системы отражательную таблицу «сетчатое поле», излучают лазерный зонд видимого спектра от лазерного целеуказателя в направлении отражательной таблицы, причем это направление параллельно посадочной плоскости основания телевизионной системы и перпендикулярно плоскости отражательной таблицы, ориентируют положение отражательной таблицы в плоскости объекта так, чтобы пятно лазерного зонда находилось в узловой точке на вертикальной оси симметрии отражательной таблицы, вписывают в растр фотоприемника одной из телевизионных камер изображение «правой» или «левой» области отражательной таблицы путем ее перемещения в направлении «ближе-дальше»» относительно телевизионной системы, последовательно контролируют на экране видеомонитора телевизионное изображение «правой» области отражательной таблицы от видеосигнала первой телевизионной камеры и маркерные линии от генератора электронной таблицы «сетчатое поле», а затем - телевизионное изображение «левой» области отражательной таблицы от видеосигнала второй телевизионной камеры и маркерные линии от генератора электронной таблицы, а далее для каждого телевизионного изображения регулируют максимальное совмещение центра изображения с центром электронной таблицы, а клеток изображения отражательной таблицы - с маркерными клетками электронной таблицы.

Поставленная задача в заявляемом устройстве юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, предназначенном для осуществления заявленного способа, решается тем, что в это устройство, содержащее первую телевизионную камеру, вторую телевизионную камеру, коммутатор видеосигналов и видеомонитор, при этом выходы первой и второй телевизионных камер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов, введены генератор электронной таблицы «сетчатое поле» и последовательно расположенные и оптически связанные лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», при этом лазерный зонд от лазерного целеуказателя излучается в канавке, выполненной в основании телевизионной системы параллельно ее посадочной плоскости, объектив и фотоприемник каждой из телевизионных камер оптически и механически связаны между собой и установлены с возможностью углового перемещения по горизонтали и вертикали, вход генератора электронной таблицы подключен к выходу коммутатора видеосигналов, а выход - к входу видеомонитора, причем базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер в единицах длины равно или кратно размеру клетки отражательной таблицы, а в единицах времени соответственно равно или кратно размеру клетки электронной таблицы, а частота и фаза кадровой и строчной разверток первой и второй телевизионных камер привязаны по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых признаков, а именно наличием следующих действий:

- синхронизацией по частоте и фазе первой и второй телевизионных камер;

- выставлением для каждой из телевизионных камер одинаковой величины угла поля зрения;

- излучением лазерного зонда видимого спектра от лазерного целеуказателя в направлении, параллельном посадочной плоскости основания телевизионной системы и перпендикулярном плоскости отражательной таблицы;

- ориентированием положения отражательной таблицы для визуального контроля местонахождения пятна лазерного зонда в узловой точке на вертикальной оси симметрии;

- вписыванием в растр фотоприемника одной из телевизионных камер изображения «правой» или «левой» областей отражательной таблицы;

- последовательным контролем на экране видеомонитора телевизионного изображения «правой» и «левой» областей отражательной таблицы и маркерных линий электронной таблицы «сетчатое поле»;

- последовательным регулированием максимального совмещения центра каждого из наблюдаемых изображений с центром электронной таблицы, а клеток изображения отражательной таблицы - с маркерными клетками электронной таблицы.

Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых конструктивных элементов, к числу которых относятся: генератор электронной таблицы «сетчатое поле», лазерный целеуказатель, канавка в основании телевизионной системы и регулировочные элементы углового перемещения по горизонтали и вертикали для оптически и механически связанных объектива и фотоприемника каждой из телевизионных камер; наличием связей между элементами, а именно: электрическими связями генератора электронной таблицы с коммутатором видеосигналов и видеомонитором; электрическими связями телевизионных камер между собой по сигналу синхронизации, оптической связью лазерного целеуказателя с отражательной таблицей «сетчатое поле»; формой выполнения элемента, а именно: формой отражательной таблицы «сетчатое поле», включающей левую и правую перекрывающиеся области, ограниченные реперами, причем каждая из областей имеет отношение ширины к высоте, равное формату фотоприемника телевизионной камеры, и содержит число клеток, равное числу клеток электронной таблицы; а также параметрами элементов, а именно: параметрами базового расстояния между центрами фотоприемников телевизионных камер, которое в единицах длины равно или кратно размеру клетки отражательной таблицы, а в единицах времени - соответственно равно или кратно размеру клетки электронной таблицы.

Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

В заявляемом решении юстировка направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы осуществляется при помощи:

- отражательной и электронной таблиц типа «сетчатое поле», параметры которых учитывают базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер настоящей телевизионной системы;

- лазерного целеуказателя, излучение от которого производится через канавку, выполненную в основании телевизионной системы и позволяющую с высокой точностью (ограниченной только возможностями технологии изготовления самой канавки) обеспечить параллельность лазерного зонда основанию телевизионной системы.

Следовательно, по техническому результату и методам его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 изображен внешний вид отражательной таблицы «сетчатое поле»; на фиг.3 показаны изображения с экрана видеомонитора от первой и второй телевизионных камер, наблюдаемые в процессе юстировки телевизионной системы.

Заявляемое устройство юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, см. фиг.1, содержит отражательную таблицу 1, установленную в плоскости объекта телевизионной системы, состоящей из первой (широкоугольной) телевизионной камеры 2, второй (узкоугольной) телевизионной камеры 3, коммутатора видеосигналов 4 и видеомонитора 5; лазерный целеуказатель 6 и генератор электронной таблицы 7, при этом лазерный целеуказатель 6 через канавку 8, выполненную в основании 9 телевизионной системы, формирует в плоскости отражательной таблицы 1 пятно 10 видимого спектра, выходы телевизионных камер 2 и 3 подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов 4, выход телевизионной камеры 3 подключен к входу внешней синхронизации телевизионной камеры 2, а выход коммутатора видеосигналов 4 через генератор электронной таблицы 7 подключен к видеомонитору 5.

Отражательная таблица 1 используется в качестве оптического теста при выполнении процесса юстировки телевизионной системы.

Пример выполнения отражательной таблицы 1 показан на фиг.2.

Таблица содержит 20 клеток по горизонтали и 12 клеток по вертикали. Геометрический центр таблицы отмечен точкой «О». Слева от центра «О» со смещением по горизонтали на две клетки отмечена точка «А», а справа, также со смещением на две клетки - точка «В». Со смещением вертикально вниз относительно центра «О» на три клетки на таблице отмечена точка «С». Размер одной клетки по горизонтали и вертикали соответствует одной четвертой величины базового разнесения по горизонтали оптических осей телевизионных камер. Предположим, что величина указанного базового расстояния составляет 68 мм, то размер клетки - (17×17) мм.

В заявляемом решении телевизионные камеры 2 и 3 должны быть синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы горизонтальной и вертикальной разверток по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника. На фиг.1 режим Genlock обеспечивается путем подачи на вход внешней синхронизации камеры 2 композитного сигнала от камеры 3.

В предлагаемом решении для каждой из телевизионных камер должна быть выставлена одинаковая величина угла поля зрения. На практике это может быть обеспечено применением в каждой из телевизионных камер матриц ПЗС с одинаковым размером и форматом мишени, например с размером по диагонали 1/2 дюйма и форматом 4/3, а также использованием в качестве объектива для одной из камер трансфокатора (вариообъектива).

В качестве лазерного целеуказателя 6 может быть применен прибор ЛЦУ, выпускаемый Белорусским оптико-механическим объединением «БеЛОМО», с длиной волны лазерного излучения 645 нм и создающим на объекте красную световую точку [http://matrix 1984 narod.ru].

Канавка 8 предназначена для канализации зонда лазерного излучения в основании 9 телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости. Канавка 8 может быть выполнена методом точного фрезерования.

Генератор электронной таблицы 7 предназначен для формирования электрического сигнала «сетчатое поле» в формате, равном формату кадра фотоприемников телевизионных камер. В нашем примере этот формат 4/3, а электронная таблица содержит 16 клеток по горизонтали и 12 клеток по вертикали. Очевидно, что размер одной клетки в единицах времени стандартной строчной развертки составляет: 52/16=3,25 мкс.

Входным сигналом для генератора 7 является полный телевизионный сигнал с выхода коммутатора видеосигналов 4 размахом (1±0,2) В на нагрузке (75±3,75) Ом. На выходе генератора 7, на нагрузке (75±3,75) Ом, вырабатывается полный телевизионный сигнал размахом (1±0,2) В суммарного изображения, составляющими которого являются входной видеосигнал и сигнал «сетчатое поле». Формирование второго сигнала предпочтительно выполнить путем замещения соответствующего по координате первого сигнала. Целесообразно также обеспечить положительную и отрицательную полярность сигнала «сетчатое поле» с возможностью оперативного переключения. Схемное решение генератора 7 может быть выполнено на базе PIC-процессора.

Способ юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы осуществляется следующим образом.

Воспользуемся структурной схемой заявляемого устройства юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы (см. фиг.1), реализующего заявляемый способ.

Телевизионные камеры 2 и 3 работают одновременно в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной разверток от композитного сигнала камеры 3.

Коммутатор видеосигналов 4 по внешней команде подает на вход генератора электронной таблицы 7 полный телевизионный сигнал от телевизионной камеры 2 или от телевизионной камеры 3. В генераторе 7 в видеосигнал добавляется маркерный сигнал «сетчатое поле». Суммарный сигнал изображения воспроизводится на видеомониторе 5.

Сначала ориентируют положение отражательной таблицы 1 так, чтобы при взгляде на нее регулировщик мог зафиксировать пятно от лазерного целеуказателя в точке «С».

Затем приступают к анализу телевизионных изображений. Предположим, что на выход телевизионной системы коммутируется видеосигнал от первой телевизионной камеры 2.

В растр фотоприемника первой камеры вписывают изображение области отражательной таблицы 1, расположенной справа и ограниченной реперами этого фрагмента (см. фиг.2). Формат этой области 4/3, а ее геометрический центр совпадает с точкой «В» на таблице 1. При этом количество наблюдаемых клеток таблицы 1 по горизонтали равно 16, а по вертикали - 12 и соответствует аналогичному числу маркерных клеток от генератора электронной таблицы 7. Отметим, что базовое расстояние между точками «А» и «В» занимает четыре клетки, что в единицах времени составляет 3,25×4=13 мкс.

Затем при помощи предусмотренных в конструкции телевизионной камеры 2 для совокупности объектив-фотоприемник элементов регулировки углового перемещения по горизонтали и вертикали добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра телевизионного изображения «В» таблицы 1 с центром электронной таблицы, а клеток изображения таблицы 1 - с маркерными клетками от генератора 7. Идеальный результат совмещения изображений представлен на фиг.3а).

Далее, не меняя пространственного положения отражательной таблицы 1, коммутируют на выход телевизионной системы сигнал изображения от второй телевизионной камеры 3. При этом регулировщик на экране видеомонитора 5 должен наблюдать изображение другой области таблицы 1, расположенной слева, с центром в точке «А» и ограниченной реперами этого фрагмента. Число клеток наблюдаемого телевизионного изображения аналогично предыдущей коммутации видеосигнала и составляет 16×12 при формате 4/3. Затем аналогично, используя элементы регулировки углового перемещения для совокупности «объектив-фотоприемник» камеры 3, добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра «А» с центром электронной таблицы, а клеток изображения оптического теста - с маркерными клетками, добиваясь в идеале результата, показанного на фиг.3б).

Проведем инженерную оценку технического результата предлагаемого изобретения.

Величина «остаточного» углового смещения направления визирной оси после завершения юстировки может быть определена по соотношениям:

где b - максимальная величина «остаточного» рассовмещения изображений по горизонтали, мм;

S - расстояние от таблицы 1 до телевизионной камеры, мм;

где а - максимальная величина «остаточного» рассовмещения изображений по вертикали, мм;

S - расстояние от таблицы 1 до телевизионной камеры, мм.

Пусть в качестве фотоприемников в телевизионных камерах используется матрица ПЗС с числом элементов 768(Н)×576(V), a выставленная величина поля зрения для двух его угловых значений (Н×V) составляет (12×7,8) град.

Если принять, что при допустимом рассовмещении изображений минимальная величина оптического изменения составляет 2 элемента разложения фотоприемника в обоих направлениях, то величина γ_г составит 0,031 град. (0,55 мрад), а величина γ_в - 0,027 град. (0,47 мрад). Эти параметры можно считать рабочими для выполнения юстировки.

Следовательно, если по завершении регулировки, в результате вычисления по соотношениям (1) и (2) будут получены величины «остаточных» угловых смещений, которые больше соответственно 0,55 мрад и 0,47 мрад, то это означает, что юстировка выполнена не полностью и ее необходимо продолжить для достижения требуемой точности.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства для юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, которые реализуют все действия согласно заявляемому способу и определяют заявляемое устройство, освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

Цыцулин А.К. Телевидение и космос. СПб.: издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003 г.

1. Способ юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, заключающийся в том, что последовательно коммутируют на выход полный телевизионный сигнал от первой (широкоугольной) или второй (узкоугольной) телевизионных камер, геометрические центры фотоприемников которых совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, отличающийся тем, что первую и вторую телевизионные камеры синхронизируют по частоте и фазе, для каждой из телевизионных камер выставляют одинаковую величину угла поля зрения за счет регулирования фокусного расстояния объектива одной из телевизионных камер, устанавливают в плоскости объекта телевизионной системы отражательную таблицу "сетчатое поле", излучают лазерный зонд видимого спектра от лазерного целеуказателя в направлении отражательной таблицы, причем это направление параллельно посадочной плоскости основания телевизионной системы и перпендикулярно плоскости отражательной таблицы, ориентируют положение отражательной таблицы в плоскости объекта так, чтобы пятно лазерного зонда находилось в узловой точке на вертикальной оси симметрии отражательной таблицы, вписывают в растр фотоприемника одной из телевизионных камер изображение "правой" или "левой" области отражательной таблицы путем ее перемещения в направлении "ближе - дальше" относительно телевизионной системы, последовательно контролируют на экране видеомонитора телевизионное изображение "правой" области отражательной таблицы от видеосигнала первой телевизионной камеры и маркерные линии от генератора электронной таблицы "сетчатое поле", а затем - телевизионное изображение "левой" области отражательной таблицы от видеосигнала второй телевизионной камеры и маркерные линии от генератора электронной таблицы, а далее для каждого телевизионного изображения регулируют максимальное совмещение центра изображения с центром электронной таблицы, а клеток изображения отражательной таблицы - с маркерными клетками электронной таблицы.

2. Устройство юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, содержащее первую телевизионную камеру, вторую телевизионную камеру, коммутатор видеосигналов и видеомонитор, при этом выходы первой и второй телевизионных камер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов, отличающееся тем, что в него введены генератор электронной таблицы "сетчатое поле" и последовательно расположенные и оптически связанные лазерный целеуказатель и отражательная таблица "сетчатое поле", при этом лазерный зонд от лазерного целеуказателя излучается в канавке, выполненной в основании телевизионной системы параллельно ее посадочной плоскости, объектив и фотоприемник каждой из телевизионных камер оптически и механически связаны между собой и установлены с возможностью углового перемещения по горизонтали и вертикали, вход генератора электронной таблицы подключен к выходу коммутатора видеосигналов, а выход - к входу видеомонитора, причем базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер в единицах длины равно или кратно размеру клетки отражательной таблицы, а в единицах времени - соответственно равно или кратно размеру клетки электронной таблицы, а частота и фаза кадровой и строчной разверток первой и второй телевизионных камер привязаны по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника.

3. Устройство юстировки направления угла поля зрения двухкамерной телевизионной системы по п.2, отличающееся тем, что отражательная таблица "сетчатое поле" включает левую и правую перекрывающиеся области, ограниченные реперами, причем каждая из областей имеет отношение ширины к высоте, равное формату фотоприемника телевизионной камеры, и содержит число клеток, равное числу клеток электронной таблицы.