Оптико-электронное устройство с механической разверткой для получения изображения

Оптико-электронное устройство с механической разверткой для получения изображения относится к приборостроению и электронной технике и предназначено для визуального обзора подстилающей поверхности и регистрации полученного изображения в видимом (ВД) и инфракрасном (ИК) диапазонах. Технический результат выражается в увеличении объема получаемой информации одновременно по каналу ВД и ПК, в повышении качества формируемого изображения и конструктивной технологичности прибора. Указанный результат достигается тем, что в оптико-электронное устройство с механической разверткой для получения изображения, содержащее оптическую систему, включающую объектив и многоплощадочный ФПУ, сканирующий узел с приводом и датчиком угла, ось вращения которого перпендикулярна оптической оси объектива, и электронный блок обработки сигнала, дополнительно введена вторая оптическая система, включающая объектив и многоплощадочный ФПУ (с диапазоном, отличным от первого). При этом первая и вторая оптические системы установлены соосно, размещены в корпусе сканирующего узла и жестко закреплены в нем. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и электронной технике и предназначено для визуального обзора подстилающей поверхности путем сканирования местности и регистрации полученного изображения в видимом (ВД) и инфракрасном (ИК) диапазонах.

Из уровня развития техники известны устройства для получения изображения разведываемого участка местности, которые описаны в патентах: ЕР 1391681 А1, кл. F41G 3/02, публ. 25.02.04; RU 2137160 C1, кл. G01V 8/00, G02В 26/10, Н04N 7/18, публ. 10.09.99; ЕР 0447080 А1, кл. F41G 3/02, F42В 12/36, публ. 18.09.91. Разведка местности осуществляется с помощью оптической аппаратуры с регистрацией изображения наблюдаемой поверхности и устройства расшифровки полученного изображения. В качестве оптической аппаратуры используются видеокамеры разведывательного беспилотного летательного аппарата, а устройства расшифровки - наземная приемная станция.

Такие технические решения обладают рядом недостатков:

- не обеспечивают оперативное наблюдение за изменением обстановки,

- у них ограничено расстояние наблюдаемой территории,

- не позволяют получать изображение в нескольких спектральных диапазонах,

- не позволяют получать изображение пролетаемой местности с высоким разрешением при широкой полосе обзора подстилающей поверхности.

Известны оптико-механические сканирующие устройства для получения изображения поверхности Земли. К таким устройствам следует отнести следующие патенты: FR 2585204, кл. Н04N 3/08, G02В 26/10, публ. 23.01.87; RU 2123197, кл. G02В 26/10, публ. 10.12.98; WO 91/02996, кл. G02В 26/10, Н01J 3/14, публ. 07.03.91; RU 2150725, кл. G02В 26/10, G02В 27/00, публ. 10.06.00. Указанные устройства в основном состоят из сканирующего узла, входного объектива и фотоприемного устройства (ФПУ), соединенного с блоком обработки электрического сигнала, несущего информацию об изображении.

Недостатком таких устройств является низкий коэффициент использования сканирующего узла (зеркала, клина и т.п.) и наличие аберрации за счет хроматизма, что ухудшает качество формируемого изображения.

Также известны оптико-электронные приборы, описанные в книге М.М.Мирошникова «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Ленинград, Машиностроение, 1977 г., стр.66-72. Эта оптико-электронная аппаратура, предназначенная для визуального обзора и регистрации полученного изображения, устанавливается на подвижном носителе. Основными элементами такого типа устройства, выбранного в качестве прототипа, являются оптическая система, состоящая из объектива и ФПУ, сканирующий узел, выполненный в виде многогранного зеркала, ось вращения которого перпендикулярна оси объектива, а также электронный блок обработки сигнала. Собственное движение носителя обеспечивает сканирование вдоль направления полета, а вращающееся зеркало осуществляет сканирование земной поверхности поперек направления полета.

Недостатком прототипа является ограниченная информация, связанная с тем, что он не позволяет фиксировать поток излучения в различных спектральных диапазонах. При сканировании (вращении) зеркала и неподвижном ФПУ происходит разворот изображения синхронно с поворотом зеркала, что приводит к искажению изображения, а для повышения его качества необходимо устанавливать компенсатор. Кроме того, при размещении прибора на подвижном носителе необходимо осуществлять стабилизацию изображения при разворотах прибора из-за колебаний носителя.

Задачей изобретения является создание оптико-электронного прибора с механической разверткой, обеспечивающего визуальный обзор сканируемой местности и получение изображения земной поверхности в видимом диапазоне (ВД) и инфракрасном (ИК) путем преобразования электромагнитного излучения подстилающей поверхности в электрический сигнал, несущий с высокой точностью информацию отображаемой поверхности с расположенными на ней объектами.

Технический результат заявляемого изобретения выражается в увеличении объема, достоверности получаемой информации, в повышении качества формируемого изображения и конструктивной технологичности прибора.

Указанный результат заявляемого технического решения достигается тем, что в оптико-электронное устройство с механической разверткой для получения изображения, содержащее оптическую систему, включающую объектив и многоплощадочный ФПУ, сканирующий узел с приводом и датчиком угла, ось вращения которого перпендикулярна оптической оси объектива, и электронный блок обработки сигнала, дополнительно введена вторая оптическая система, включающая объектив и многоплощадочный ФПУ, установленная соосно с первой, при этом первая и вторая оптические системы размещены в корпусе сканирующего узла и жестко закреплены в нем. Одна из оптических систем выполнена для ИК диапазона, а другая для ВД диапазона. Эти оптические системы выполнены в виде модульной сборки, а каждый объектив из оптически сопряженных компонентов. При этом вращающийся (сканирующий) узел установлен на гиростабилизированной платформе так, что ось его вращения перпендикулярна плоскости стабилизации гиростабилизатора.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что

- введение второй оптической системы и ее соосная установка с первой обеспечивают одновременное получение изображения подстилающей поверхности в различных спектральных диапазонах, увеличивая тем самым объем информации;

- размещение первой и второй оптических систем, состоящих из соответствующего объектива и ФПУ, в корпусе сканирующего узла и жесткое их закрепление исключает смещение формируемого изображения относительно фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многоэлементных ФПУ ВД и ИК диапазонов, в результате чего достигается высокая точность в совмещении формируемого изображения обоих спектральных диапазонов без введения в ВД и ИК каналы компенсаторов для разворота изображения;

- выполнение оптических систем ИК и ВД диапазонов в виде единой конструктивной сборки делает ее технологичной;

- размещение сканирующего узла на гиростабилизированной платформе при наличии угловых колебаний носителя обеспечивает сохранение геометрии сканирования визирного луча, т.е. изображение формируется без наложения кадров друг на друга и образования зазоров между ними, в результате форма регистрируемых объектов не искажается и не происходит потеря информации.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:

на фиг.1 схематически изображен общий вид оптико-электронного устройства с механической разверткой для получения изображения,

на фиг.2 показана функционально-структурная схема заявляемого устройства.

На стабилизированной платформе 1 (см. фиг.1), подвешенной в кардановом подвесе 2, установлен сканирующий узел 3, вращение которого перпендикулярно плоскости стабилизации ZOY гиростабилизатора. Вращение сканирующего узла 3 осуществляется двигателем 4, с датчика угла 5 снимается непрерывная информация об угловом положении сканирующего узла 3. На корпусе 6 оптико-электронного устройства размещен электронный блок связи 7, обеспечивающий управление приводом узла 3, коммутацию и связь с аппаратурой носителя, и основной блок питания 8.

На фиг.2 показан сканирующий узел 3, в корпусе которого жестко установлены ВД и ИК оптические системы, каждая из которых включает объектив и ФПУ. При этом оптическая система ВД является каналом ВД диапазона, а оптическая система ИК - каналом ИК диапазона.

Канал ВД включает зеркально-линзовый объектив, состоящий из оптических компонентов, установленных по ходу оптического луча, 9-10-11-12-13-14 и ФПУ 15, где

9 - линза,

10 - зеркальная линза,

11 - контрзеркало,

12 - линза,

13 - склейка линз,

14 - линза.

Канал ИК включает зеркально-линзовый объектив, состоящий из оптических компонентов, установленных по ходу оптического луча, 16-17-18-19 и ФПУ 20, где

16 - зеркало,

17 - контрзеркало,

18 - наклонное зеркало с центральным отверстием для установки элементов ВД канала,

19 - линзы.

В корпусе сканирующего узла 3 размещен электронный блок обработки сигнала, включающий электронный блок 21, соединенный с выходом ФПУ 15, и электронный блок 22, соединенный с выходом ФПУ 20 и снабженный системой охлаждения (на чертеже не показана). Соединение основного блока питания 8 со вторичным источником питания 8¹ и съем информации с вращающегося сканирующего узла 3 осуществляются через механический контактный коллектор 23. Передача обработанной информации ИК и ВД диапазонов со скоростью бит/сек осуществляется со сканера (с подвижной части) 3 в электронный блок связи 7 с помощью вращающегося волоконно-оптического соединителя 24.

Работа оптико-электронного устройства с механической разверткой для получения изображения осуществляется следующим образом. Сканирующий узел 3 вращается вокруг оси ОХ с постоянной скоростью. При этом визирный луч перемещается по местности по прямой, образуя кадр (скан), состоящий из строк, сформированных многоэлементным ФПУ, в котором число строк равно числу чувствительных элементов (ч.э.) ФПУ. За счет поступательного движения носителя каждый последующий скан располагается по направлению полета дальше, чем предыдущий, обеспечивая непрерывный просмотр местности. Скорость вращения сканирующего узла стабилизируется с высокой точностью для того, чтобы при сканировании отсутствовали пропуски или наложения в «бегущем кадре», количество строк в скане пропорционально изменяется в соответствии со скоростью и высотой полета. При наличии угловых колебаний геометрия сканирования визирного луча не нарушается благодаря тому, что сканирующий узел 3 располагается на стабилизированной платформе 1, угловые колебания носителя не вызывают искажение регистрируемой картины.

При вращении сканирующего узла 3 последовательно визируются участки в полосе местности. Поток излучения, отраженный от просматриваемой поверхности земли, пройдя через люк в корпусе бортового носителя, через объектив ВД канала 9-10-11-12-13-14 фокусируется на ФПУ 15, а через объектив ИК канала 16-17-18-19 фокусируется на ФПУ 20. В этом случае ширина поля обзора определяется мгновенным полем зрения элемента ФПУ, числом фоточувствительных элементов в линейке и угловой скоростью сканирования. Электрический сигнал, вырабатываемый каждым элементом ФПУ, поступает на блок обработки сигнала, а именно с ФПУ 15 в электронный блок обработки ВД сигнала 21, с ФПУ 20 в электронный блок обработки ИК сигнала 22. Далее преобразование сигналов осуществляется в зависимости от режимов полета и поставленных задач, исходя из скорости и высоты полета выбирается алгоритм обработки изображения в реальном масштабе времени с целью решения следующих вопросов:

- выравнивания сигналов с фоточувствительных элементов по чувствительности,

- автоматической регулировки уровня видеосигнала по контрастности и яркости,

- компенсации геометрических искажений,

- сшивки кадров многострочной сканирующей системы, при этом кадр изображения - это цифровое изображение, полученное в результате одного сканирования.

Таким образом полученная высокоскоростная информация передается через вращающийся волоконно-оптический соединитель 24 с вращающегося сканирующего узла 3 на электронный блок связи 7. С магистральных усилителей электронного блока связи 7 через волоконный кабель сигнал поступает в систему формирования, обработки и регистрации информации (СФОРИ), а с системы автоматического управления носителя (САУ ЛА) сигналы передаются в электронный блок связи 7.

Предлагаемое устройство для получения изображения реализуется в виде конструктивных блоков, представляющих собой законченные сборочные единицы (модули), что позволяет изготавливать их и настраивать независимо друг от друга. Конструктивно узел сканирования выполнен в виде литого корпуса из алюминиевого сплава с установленными на нем механическими узлами и электронными блоками. Форма и размеры блоков определяются оптической схемой. Оптические детали выполняются из титана, спеченного со стеклом. Кроме того, например, в качестве двигателя для вращения сканирующего узла может быть использован ДБМ85-016-2-2, датчика угла - дисковый с оптопарами, ФПУ (ВД)-М-433-ф6, ФПУ (ИК диапазона) фирмы SOFRADIR MERCURY LW LS10, контактный коллектор - ГК-11-7Б, вращающийся волоконно-оптический соединитель - СВО-2. Электронный блок обработки сигнала может быть реализован с помощью процессора Л1879ВМ2Т и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Для ряда деталей применено гальваническое покрытие для защиты от коррозии при эксплуатации и для декоративного вида. При изготовлении прибора используется универсальное оборудование, универсальная сборочная переналаживаемая оснастка.

Заявляемое устройство обеспечивает:

- панорамную съемку круглосуточно в простых и сложных метеоусловиях в режиме горизонтального стабилизированного полета, при маневрах носителя, при полетах в горных условиях;

- замену модульных узлов при эксплуатации;

- получение информации в различных диапазонах (ВД и ИК);

- получение изображения без искажений.

Таким образом, актуальность решаемой задачи, достигаемый результат и технологичность прибора обеспечивают устройству практическое применение.

1. Оптико-электронное устройство с механической разверткой для получения изображения, содержащее оптическую систему, включающую объектив и фотоприемное устройство, сканирующий узел с приводом и датчиком угла, ось вращения которого перпендикулярна оптической оси объектива, и электронный блок обработки сигнала, отличающееся тем, что в него введена вторая оптическая система, установленная соосно с первой, при этом первая и вторая оптические системы размещены в корпусе сканирующего узла и жестко закреплены в нем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна из оптических систем выполнена инфракрасного диапазона, а другая - видимого.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптические системы инфракрасного и видимого диапазонов выполнены в виде модульной сборки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из объективов выполнен из оптически сопряженных компонентов.