Способ обзора пространства оптико-электронной системой



Способ обзора пространства оптико-электронной системой

 


Владельцы патента RU 2457504:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") (RU)

Изобретение может быть использовано в прицельно-обзорных оптико-электронных системах, в частности, в теплопеленгаторах кругового обзора с матричным фотоприемным устройством. Достигаемый технический результат изобретения - обзор пространства оптико-электронной системой с высокой кадровой частотой и угловым разрешением при увеличении времени накопления сигналов матричным фотоприемным устройством и повышении чувствительности аппаратуры. Указанный результат достигается за счет того, что способ обзора пространства оптико-электронной системой включает сканирование пространства по азимутальной и угломестной координате, при этом сканирование пространства по азимутальной координате осуществляется с угловой скоростью, равной ωаз=Δφаз·fк, где ωаз - угловая скорость сканирования; Δφраз - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра; fк - кадровая частота матричного фотоприемного устройства; формирование изображения зоны обзора пространства в плоскости матричного фотоприемного устройства, перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью матричного фотоприемного устройства, дополнительное формирование колебательной составляющей движения изображения в плоскости матричного фотоприемного устройства в направлении азимутального сканирования, удовлетворяющей соотношению Δω=A·(2πfk)·Cos(2πfкt), где Δωаз - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону, А - амплитуда колебаний, удовлетворяющая условию а параметр ах, лежащий в пределах π/2<α1<π, определяют из уравнения

где σφ - радиус кружка рассеяния объектива оптико-электронной системы, покадровое экспонирование фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, осуществляемое в интервале времени с центром в момент времени t0, при котором реализуется условие Соs(2πfкt0)=-1, где Δt задается из условия параметр α2 определяется из уравнения

1 ил.

 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в прицельно-обзорных оптико-электронных системах, в частности в теплопеленгаторах кругового обзора с матричным фотоприемным устройством.

Известен наиболее используемый в настоящее время способ обзора пространства, при котором оптико-электронная система, включающая в себя приемную оптическую систему, сопряженную с матричным фотоприемным устройством (МФПУ), устанавливается на двухкоординатную поворотную платформу, которая работает либо в режиме панорамной съемки со сканированием зоны обзора, либо в режиме переброса из точки в точку [Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. «Вертолетные оптико-электронные системы наблюдения и разведки», - ж. «Спецтехника», №3, 2001 г., стр.1-10; «Тепловизионные приборы нового поколения», - ж. «Спецтехника», №6, 2001 г., стр.16-20 и №1, 2002 г., стр.18-26].

Недостатком этого способа является, в первом случае, малая скорость обзора, ограниченная отношением углового разрешения к требуемому времени накопления сигнала. Во втором случае необходима команда внешнего целеуказания для наведения оптико-электронной системы (ОЭС) в заданный сектор пространства, а для сплошного просмотра зоны обзора этот режим не применяется ввиду большой инерционности и механических нагрузок на приводы системы.

Известны также способы обзора пространства [Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. «Обзорнопанорамные оптико-электронные системы». - Изв. Вузов, сер. Приборостроение, 2002 г., т.45, №2, стр.37-44], классифицируемые как способы обзора с составным полем зрения, способ, который носит название «Мозаика», и способ на базе использования панорамных оптических систем.

Способ обзора с составным полем зрения включает в себя разделение зоны обзора на совмещенные сектора обзора, каждый из которых контролируется отдельным МФПУ, снабженным собственным объективом.

Недостатком этого способа является громоздкость его практической реализации, так как для получения углового разрешения и дальности обнаружения, сравнимыми с аналогичными параметрами рассмотренных выше систем, потребуется несколько десятков таких элементарных ОЭС.

Способ "Мозаика" предусматривает также многоканальное исполнение, причем каналы развернуты по азимуту относительно друг друга и каждый канал снабжен приводом угломестного сканирования с шаговым приводом сканирующего зеркала. Недостатком такого способа обзора также является сложность осуществления.

ОЭС при реализации способа с использованием панорамной оптики строится на базе одного МФПУ с широкоугольной оптической системой, обеспечивающей обзор практически всей полусферы. Эти системы достаточно компактны, однако, имеют низкую чувствительность и угловое разрешение. Способ используется, в основном, для определения направления на высокоэнергетические источники излучения.

Наиболее близким способом того же назначения, что и заявляемый, по совокупности существенных признаков, является способ обзора пространства, реализуемый в процессе функционирования теплопеленгатора, описанного в [Патент RU №2396574. Бюл. Изобр., №22, 2010], выбранный нами в качестве прототипа. Способ предусматривает обзор пространства двухкоординатным сканирующим зеркалом и формирование временных интервалов, в которых скорости вращения и сдвига изображения в плоскости неподвижного матричного фотоприемного устройства близки или равны нулю. Последнее достигается путем введения специального двухкоординатного компенсирующего устройства в оптический тракт теплопеленгатора.

Накопление сигналов осуществляется во временные интервалы, в которых скорости вращения и сдвига изображения близки или равны нулю, что позволяет формировать кадр практически без сдвига изображения. Компенсирующее устройство представляет собой двухкоординатный дефлектор, совершающий управляемые колебания относительно двух взаимно перпендикулярных осей.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа-прототипа, относятся следующие.

В процессе сканирования зоны обзора происходит вращение изображения в плоскости МФПУ, что снижает чувствительность и угловое разрешение системы, или, при увеличении фокусного расстояния оптической системы, уменьшает скорость сканирования. Требуются также значительные вычислительные ресурсы для цифровой компенсации поворота изображения. Кроме этого, применение цифровой компенсации поворота изображения приводит к существенно низкому коэффициенту использования элементов матрицы.

К недостаткам данного способа следует отнести также и то, что он реализуется при сравнительно невысокой кадровой частоте. Это обуславливает пониженную скорость обзора пространства.

Задачей изобретения является повышение скорости обзора пространства оптико-электронной системой с увеличением углового разрешения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение оптико-электронной системой обзора пространства с высокими кадровой частотой и угловым разрешением при увеличении времени накопления сигналов МФПУ и повышении чувствительности аппаратуры.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в способе обзора пространства оптико-электронной системой, включающем сканирование пространства по азимутальной и угломестной координате, формирование изображения зоны обзора пространства в плоскости матричного фотоприемного устройства, покадровое экспонирование фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, в соответствии с заявляемым техническим решением осуществляют перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью неподвижного матричного фотоприемного устройства, сканирование пространства по азимутальной координате осуществляют с угловой скоростью, равной

ωаз=Δφаз·fк,

где ωаз - угловая скорость сканирования;

Δφаз - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра;

fк - кадровая частота матричного фотоприемного устройства;

дополнительно формируют колебательную составляющую движения изображения в плоскости матричного фотоприемного устройства в направлении азимутального сканирования и удовлетворяющую соотношению Δωаз=A·(2πfk)·Cos(2πfкt), где Δωаз - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону, A - амплитуда колебаний, удовлетворяющая условию , а параметр α1, лежащий в пределах π/2<α1<π, определяют из уравнения , где σφ - радиус кружка рассеяния объектива оптико-электронной системы, покадровое экспонирование осуществляют в интервале времени с центром в момент времени t0, при котором реализуется условие Cos(2πfкt0)=-1, где Δt задают из условия , параметр α2 определяют из уравнения

Совокупность вышеизложенных признаков изобретения связана причинно-следственной связью с техническим результатом изобретения.

В процессе обзора пространства оптико-электронной системой осуществляется сканирование пространства по азимутальной φ и угломестной θ координате. При реализации способа осуществляют перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, входящего в состав оптико-электронной системы (далее для краткости - с плоскостью МФПУ). Сканирование пространства по азимутальной координате осуществляют с угловой скоростью, связанной с угловым размером кадра и кадровой частотой матричного фотоприемного устройства. Вводится колебательная составляющая движения изображения в плоскости МФПУ в направлении азимутального сканирования, амплитуда которой находится в строгом соотношении с кадровой частотой МФПУ, угловым размером кадра и радиусом кружка рассеяния приемного объектива ОЭС, формирующего изображение в плоскости МФПУ. Выполнение указанных действий и режимов их осуществления обеспечивает формирование временных интервалов, связанных с кадровой частотой МФПУ, внутри которых изображение стабилизировано в пределах кружка рассеяния. Если осуществить покадровое экспонирование фоточувствительных элементов МФПУ в эти определяемые всей предыдущей последовательностью действий моменты времени, то, как нами было показано теоретически и подтверждено экспериментально, за время покадрового экспонирования реализуется режим трехпроходного микросканирования по азимутальной координате, при котором оптическая ось ОЭС трижды совмещается с пикселем МФПУ, соответствующим угловым координатам (φo, θo), в результате чего увеличивается время накопления сигналов. При использовании пространственной фильтрации, адаптированной к выделению малоразмерного (точечного) объекта, повышается угловое разрешение системы. Осуществление покадрового экспонирования формирует покадровую съемку контролируемого пространства с регулярным расположением кадров в зоне обзора и высокой кадровой частотой. К достижению технического результата приводит совокупное действие всех признаков изобретения.

На Фиг.1 показана траектория микросканирования φ(t) по азимутальной координате φ(t)=Δφаз·fк·t+ASin(2π·fк·t) в интервале с центром в точке t0, соответствующей моменту, когда Cos(2πfкt0)=-1.

Способ реализуется в следующей последовательности действий.

Оптико-электронная система ведет обзор контролируемого пространства. Двухкоординатная сканирующая система осуществляет круговое сканирование по азимутальной координате со скоростью, определяемой кадровой частотой МФПУ и заданным размером кадра по азимутальной координате: ωаз=Δφаз·fк,

здесь ωаз - угловая скорость сканирования;

Δφаз - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра;

fк - кадровая частота матричного фотоприемного устройства.

На выходе сканирующей системы известными оптическими методами производится компенсация вращения изображения относительно плоскости неподвижного МФПУ. Такая компенсация может осуществляться вращением призмы Дове, вращением уголкового зеркала, встроенного во входной телескоп приемной оптической системы, и т.д. В результате осуществляется перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью МФПУ.

После компенсации поворота изображения формируют малые гармонические колебания оптической оси в направлении азимутального сканирования. Подходы к решению этой задачи известны. Например, можно использовать оптические клинья, размещаемые на оптической оси системы и выполненные с возможностью вращения вокруг оси с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях. Нами были выведены строгие численные соотношения, связывающие параметры колебательного движения с кадровой частотой МФПУ, угловым размером кадра и радиусом кружка рассеяния приемного объектива оптико-электронной системы, формирующего изображение в плоскости МФПУ. Как было показано, колебательное движение изображения в плоскости МФПУ должно удовлетворять следующим соотношениям:

Δωаз=A·(2πfk)·Cos(2π·fк·t); ,

где Δωаз - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону;

A - амплитуда колебаний, а параметр α1, лежащий в пределах π/2<α1<π, определяется из уравнения , где σφ - радиус кружка рассеяния объектива ОЭС. Кружок рассеяния объектива ОЭС рассчитывается по стандартной оптической методике.

Подбирают интервал времени относительно момента t0, при котором выполняются условия Cos(2πfкt0)=-1, , а параметр α2 является решением уравнения: . В этом интервале времени осуществляют экспонирование кадра с накоплением сигнала. Как видно из Фиг.1, при экспонировании обеспечивается трехкратное прохождение оптической оси ОЭС через центр пикселя, соответствующего угловым координатам (φo, θo), в плоскости МФПУ.

Численные оценки показывают, что при кадровой частоте fк=100 Гц, объективе с диафрагменным числом F/2 и относительной амплитуде микросканирования , время накопления сигнала составляет около 2,2 мсек. Для фокальных матриц MWIR-диапазона, снабженных холодной апертурной диафрагмой и светофильтром на Δλ=3,7÷4,8 мкм, это время накопления является оптимальным, так как обеспечивается 50%-ное заполнение емкости ячейки МФПУ при температуре фона T≈300 K. Для фокальных матриц диапазона LWIR (7-10 мкм) это время избыточно, так как 50%-ное заполнение емкости ячейки осуществляется за 0,3-0,6 мсек.

В оставшееся время кадра после экспонирования осуществляется считывание накопленных МФПУ сигналов, при этом оптическая ось ОЭС сдвигается на Δφаз, далее цикл формирования следующего кадра повторяется в описанной последовательности.

Таким образом, обзор контролируемого пространства осуществляется экспонированием последовательности сопряженных по угловым координатам и ориентированных в пространстве кадров с фрагментами контролируемого пространства, а скорость обзора определяется собственной кадровой частотой МФПУ. Способ позволяет осуществить обзор пространства с высокой кадровой частотой и угловым разрешением, позволяет увеличить времени накопления сигналов МФПУ и повысить чувствительность аппаратуры.

Способ обзора пространства оптико-электронной системой, включающий сканирование пространства по азимутальной и угломестной координатам, формирование изображения зоны обзора пространства в плоскости матричного фотоприемного устройства, покадровое экспонирование фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, отличающийся тем, что осуществляют перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью матричного фотоприемного устройства, сканирование пространства по азимутальной координате осуществляют с угловой скоростью, равной
ωаз=Δφаз·fк,
где ωаз - угловая скорость сканирования;
Δφаз - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра;
fк - кадровая частота матричного фотоприемного устройства;
дополнительно формируют колебательную составляющую движения изображения в плоскости матричного фотоприемного устройства в направлении азимутального сканирования и удовлетворяющую соотношению Δωаз=А·(2πfk)·Соs(2πfкt), где Δωаз - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону, А - амплитуда колебаний, удовлетворяющая условию

а параметр α1, лежащий в пределах π/2<α1<π, определяют из уравнения

где σφ - радиус кружка рассеяния объектива оптико-электронной системы, покадровое экспонирование осуществляют в интервале времени с центром в момент времени t0, при котором реализуется условие Соs(2πfкt0)=-1, где Δt задают из условия параметр α2 определяют из уравнения



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сфере научных и технических проблем, изучаемых в радиоастрономии, астрофизике, астрометрии, геодезии и навигации, для привязки радионеба к оптическому небу для создания фундаментального каталога опорных радиоисточников высокой плотности, имеющих оптические отождествления, для целей космической навигации, для исследования природы небесных объектов в широком диапазоне длин волн, для изучения радиорефракции в космическом пространстве и уточнения ранее полученных сведений о космических объектах в радиодиапазоне для исследования характеристик Межзвездной и Межгалактической сред (МЗС, МГС).

Изобретение относится к оптико-электронному обнаружению движущихся объектов. .

Изобретение относится к методам обнаружения теплового объекта на двумерном фоноцелевом изображении. .

Изобретение относится к методам обработки оптического изображения, полученного оптико-электронной системой (ОЭС) пеленгации точечных тепловых объектов (теплопеленгаторами), работающей на атмосферном фоне в инфракрасном диапазоне волн.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения углового положения (пеленгации) оптического источника. .

Изобретение относится к области приборостроения, а точнее - к оптико-электронным следящим системам, предназначенным для обнаружения и автосопровождения инфракрасных (ИК) источников излучения на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности, и может быть использовано для обнаружения летательных аппаратов, судов, бронетанковой техники и т.п.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, может быть использовано для поиска объектов по их инфракрасному излучению и других областях техники.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а более конкретно к способам и устройствам пеленгации источников лазерного излучения, таких как дальномер либо целеуказатель, и может быть использовано в системах самозащиты подвижных объектов военной техники (например, бронетанковой) от управляемого оружия путем постановки оптических либо других помех в направлении угрозы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, к оптическим устройствам пеленгации источников лазерного излучения, таких как дальномер либо целеуказатель, и может быть использовано в оптических системах самозащиты подвижных объектов военной техники от управляемого оружия путем постановки оптических либо других помех в направлении угрозы.

Изобретение относится к области электронного приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных следящих системах (ОЭСС)-инфракрасных следящих систем с гиростабилизированным полем зрения, обнаруживающих, распознающих и автосопровождающих инфракрасные источники излучения, находящиеся на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности земли при наличии ложных тепловых целей (ЛТЦ).

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения

Изобретение относится к технике инфракрасных (ИК) систем оптического приборостроения для использования в наблюдательных и прицельных системах кругового обзора

Изобретение относится к методам обнаружения тепловых объектов на сложном атмосферном фоне в условиях ночного неба с использованием оптико-электронной системы (ОЭС), работающей в инфракрасном диапазоне волн

Изобретение относится к методам обнаружения тепловых объектов на маскирующем атмосферном фоне в условиях ночного неба с использованием оптико-электронных средств

Изобретение может быть использовано для определения координат беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в автоматическом режиме. Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов заключается в том, что по отраженному лазерному излучению от беспилотного летательного аппарата определяются дальность, вертикальные и горизонтальные углы, с помощью которых затем определяется точное местоположение в пространстве БЛА, при этом автоматизированная система обработки информации позволяет определять направление движения БЛА. Достигаемый технический результат - обеспечение передачи разведывательной информации и поражения БЛА противника, сокращение времени обнаружения БЛА и определения координат, повышение точности определения координат БЛА. 3 ил.

Изобретение относится к методам обработки сигналов, позволяющих обнаруживать и измерять импульсы от точечных объектов со сканирующих оптико-электронных устройств. Достигаемый технический результат - обнаружение электрических импульсов от точечных объектов при неизвестном уровне шума в широком диапазоне длительности импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что используют модель полезного сигнала от цели в дальней зоне, фильтруют сигналы фильтром, который обеспечивает для полезных импульсов определенные соотношения между соседними по времени импульсами разной полярности, измеряют величину положительных и отрицательных импульсов, сравнивают между собой величину положительных и отрицательных импульсов на соседних по времени интервалах и по их соотношению отбирают импульсы, которые с высокой вероятностью не могут быть отнесены к полезным (помеховые импульсы) и импульсы, которые, возможно, могут быть отнесены к полезным (импульсы от цели), усредняют величины отобранных помеховых импульсов, используют усредненное их значение для задания порогового уровня и принимают решение об обнаружении импульса от цели и об измерении других параметров данного импульса, если величина этого импульса превышает пороговый уровень. Оценка величины импульса делается суммированием текущих значений импульса. Эквивалентную частоту импульса определяют делением суммы квадратов текущих значений импульса на квадрат суммы текущих значений импульса. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к навигационной технике, а именно к пеленгаторам, определяющим угловое положение источника света. Устройство определения углового положения источника света содержит четыре одинаковых фотодетектора и электрическую схему. Фотодетекторы воспринимают поток излучения от источника света, попарно противоположно ориентированы относительно продольной оси устройства и также попарно включены в электрическую схему. Детекторы одной пары подключены параллельно и однополярно, а другой - однополярно, но раздельно через переключатель. Способ определения углового положения источника света заключается в одновременной регистрации двух составляющих светового потока с помощью двух пар противоположно ориентированных фотодетекторов и определении по результатам регистрации направления на источник. Для одной пары детекторов определяют четно-симметричную пеленгационную характеристику, а для другой - нечетно-симметричную пеленгационную характеристику, смещенную по оси ординат. Технический результат - снижение массы, размеров и энергопотребления устройства определения углового положения источника света. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается датчика направленности света. Датчик направленности света содержит фотоприемное устройство, состоящее из множества фоточувствительных элементов. На фотоприемном устройстве расположена матрица светопоглощающих структур. Светопоглощающие структуры имеют варьирующиеся структурные характеристики. Варьирующиеся структурные характеристики достигаются посредством формирования каждой отдельной структуры последовательности так, что она дает возможность восприятия света в пределах различных интервалов углов относительно матрицы. При этом, каждая из светопоглощающих структур включает разное количество фоточувствительных элементов. Технический результат заключается в уменьшении размеров и повышении надежности устройства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.
Наверх