УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НА ФОНЕ ЗВЕЗД Российский патент 1997 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов, и может быть использовано в приемном канале локационных комплексов для обнаружения удаленных объектов и их селекции на фоне звездного неба.

Известно устройство обнаружения движущихся объектов на фоне звезд, содержащее приемную оптическую систему, видикон, первую, вторую и третью линии задержки, логический элемент ИЛИ, логический элемент И и инвертор.

К недостаткам данного устройства относится низкая точность, обусловленная большой вероятностью ложной тревоги вследствие невозможности полной компенсации излучения фона звездного неба. Первая и третья линии задержки имеют конечное число элементов, что позволяет компенсировать изменения фона лишь в пределах двух элементов разрешения по каждому из направлений. Изменения изображения фона звезд на величину более двух элементов разложения вызовут появление ложного сигнала.

Кроме того, при малых скоростях перемещения объекта /например, при обнаружении ИСЗ на орбитах, близких к геостационарным/ известное устройство имеет большую вероятность пропуска объекта /сигнал от объекта не обнаруживается при перемещении объекта за время кадра на величину менее двух элементов разложения/.

За прототип выбрано устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, выходное телевизионное устройство, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения.

Недостатками известного устройства являются низкая вероятность обнаружения объектов, которая обусловлена тем, что при накоплении изображения объекта и звезд в устройстве фоторегистрации фона звездного неба суммируется с изображением перемещающегося объекта, приводя к его пропуску, а также тем, что изображения ярких звезд при длительной экспозиции вызывают насыщение фотопластинки устройства фоторегистрации и расплавление зарегистрированного изображения, вызывая пропуск изображения объекта вблизи изображений ярких звезд.

Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения космических объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство обнаружения объектов на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения, и выходное телевизионное устройство, введены первое, второй и третье устройства сравнения, первое и второе пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации, коммутатор, логический элемент И, логический элемент ИЛИ, причем выход передающей телевизионной камеры соединен с первым входом первого устройства сравнения, выход которого связан с первым входом второго устройства сравнения связан с первым входом третьего устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства, выход оперативного запоминающего устройства соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ и с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, первый, второй и третий выходы устройства сопряжения соединены со вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, четвертый и пятый выходы устройства сопряжения соединены со вторыми входами первого и второго пороговых устройств соответственно, шестой выход устройства сопряжения подключен ко второму входу логического элемента И, седьмой выход устройства сопряжения подключен к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом третьего устройства сравнения и вторым входом устройства сопряжения, а выход коммутатора соединен с входом выходного телевизионного устройства.

Предлагаемое устройство отличается также тем, что блок оптической пространственно-частотной фильтрации содержит оптически сопряженные высокояркостную трубку, первый объектив, светоделитель, пространственно-временной модулятор света, модулятор, второй объектив, вторую передающую телевизионную камеру, а также источник когерентного излучения, связанный оптически через светоделитель с пространственно-временным модулятором света, причем вход высокояркостной трубки соединен со входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства селекции объекта на фоне звезд; на фиг. 2 схема блока оптической пространственно-частотной фильтрации;на фиг.3,а-г виды изображений.

Предлагаемое устройство содержит приемный телескоп 1, передающую телевизионную камеру 2, первое 3, второе 4 и третье 5 устройства сравнения, первое пороговое устройство 6, логический элемент ИЛИ 7, оперативное запоминающее устройство 8, логический элемент И 9, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10, второе пороговое устройство 11, устройство сопряжения 12, блок вычисления 13, коммутатор 14 и выходное телевизионное устройство 15, причем передающая телевизионная камера 2 установлена в фокальной плоскости приемного объектива 1, выход передающей телевизионной камеры связан с первым входом первого устройства сравнения, выход которого связан с первым входом второго устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом третьего устройства сравнения, выход которого связан с первым входом порогового устройства, с устройством сопряжения и со вторым входом коммутатора, выход первого порогового устройства связан с первым входом логического элемента ИЛИ, выход логического элемента ИЛИ связан с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ и с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, а выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с устройством сопряжения, устройство сопряжения связано со вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, первого и второго пороговых устройств, логического элемента И, с блоком вычисления и с первым входом коммутатора, выход которого связан со входом выходного телевизионного устройства. Блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10 содержит оптически связанные высокояркостную трубку 16, первый объектив 17, светоделитель 18, пространственно-временной модулятор света /ПРМС/ 19 с блоком управления /на фиг. 2 не показан/, модулятор 20, второй объектив 21, вторую передающую телевизионную камеру 22, а также источник когерентного излучения 23, оптически связанный с ПВМС 19 через светоделитель 18, причем вход блока 10 соединен с входом высокояркостной трубки 16, а выход блока 10 является выходом второй передающей телевизионной камеры 22.

Принцип действия предлагаемого устройства следующий. Излучение объекта и звезд принимают приемным телескопом 1, с помощью которого формируют и регистрируют в его фокальной плоскости изображение объекта и звездного фона
f_i(x, y) S_i(x, y) + n_i(x, y),(1)
где S_i(x, y) изображение объекта;
n_i(x, y) изображение звездного фона;
i номер регистрируемого изображения.

Изображение f_i(x, y) регистрируют на светочувствительной площадке /фотокатоде/ передающей телевизионной камеры 2 и преобразуют в видеосигнал V_i/t/, несущий информацию о зарегистрированном изображении f_i/x, y/. При этом, так как закон развертки электронного луча в передающей телевизионной камере 2 известен, то существует взаимно однозначное соответствие между пространственными координатами x, y точки F(x,y)∈f_i(x,y) и временной координатой t той же точки F′(t)∈ U_i(t) Выражение этого соответствия в аналитическом виде, например, может иметь вид:
x K_x(t/t_c I_N(t/t_c)),
y K_yI_N(t/t_c),(2)
где I_N(τ) целая часть τ
t_с время развертки одной строки,
K_x, K_y Const постоянные коэффициенты.

Видеосигнал U_i/t/ проходит последовательно через первое 3 и второе 4 устройства сравнения, реализованные, например, на базе компаратора и аналогового ключа, при этом на вторые входы устройства сравнения поступают сигналы сравнения V₁ и V₂.

В первом устройстве сравнения 3 сравнивают амплитуду видеосигнала U_i(t) с сигналом сравнения V₁, получая видеосигнал U_i1(t):

Во втором устройстве сравнения 4 сравнивают амплитуду видеосигнала U_i1/t/ с сигналом сравнения V₂, получая видеосигнал: U_i2(t)

В третьем устройстве сравнения 5 /реализованном на базе компараторов и аналогового ключа/ сравнивают во временной области видеосигнал U_i2/t/ с временным стробом V/t/, поступающим из устройства сопряжения, получают видеосигнал V_фi/t/:

Первоначально V(t) ≡ V_от≠ 0 Видеосигнал V_фi(t) с порогом V_пор, задаваемым от устройства сопряжения 12.

Таким образом, на выходе первого порогового устройства имеют видеосигнал Uoфi

(t)

При этом величины уровней сравнения определяются, исходя из условий функционирования устройства:
V₁ соответствует амплитуде видеосигнала V_i/t/, получаемой в результате регистрации фона звездного неба /рассеянное в атмосфере излучение звезд, других небесных тел, излучение космического пространства и т.д./;
V₂ соответствует амплитуде видеосигнала U_i/t/, получаемой в результате регистрации наиболее интенсивного по яркости объекта /соответствует максимальной яркости объекта/;
V_пор соответствует амплитуде видеосигнала U_i/t/, получаемой в результате регистрации наименее яркого объекта.

Вычисление значений V₁, V₂, V_пор осуществляют в блоке вычисления 13, реализованном, например, на базе микропроцессора и через устройство сопряжения 12 задают на блоки 3, 4, 6.

С выхода первого порогового устройства 6 видеосигнал поступает на логический элемент ИЛИ 7, реализованный, например, на базе логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства ОЗУ 8 /реализованного, например, на основе ПЗС-матрицы/, выход которого соединен со входом логического элемента ИЛИ 7.

Таким образом, до тех пор, пока на второй вход логического элемента И 9 не будет подан сигнал разрешения, имеющий уровень логической И от устройства сопряжения 12, в ОЗУ 8 будет осуществляться суммирование N кадров видеосигнала U_i/t/ /в виде Uoфi

(t) /, т.е. будет формироваться видеосигнал

/т.о. логический элемент И выполняет роль коммутатора/.

После подачи сигнала разрешения на блок 9, суммарный видеосигнал U_Σ поступает на вход блока 10, в котором осуществляют оптическую пространственно-частотную фильтрацию суммарного бинарного видеосигнала f_Σ(x,y) в световой поток w(x,y), соответствующий f_Σ(x,y)

/однозначность соответствия координат x, y и t согласно формулам 2/.

В процессе регистрации N изображений f_i/x, y/ формируемые изображения как объекта, так и звезд, перемещаются относительно приемного телескопа 1. Таким образом, совокупность изображений будет представлять собой траектории перемещения объекта и звезд соответственно. Так как направления перемещения объекта и звезд не совпадают, то изображения S/x, y/ и n/x, y/ будут представлять собой штрихи различной ориентации /считая объект точечным/ и, следовательно, используя секторную пространственно-частотную фильтрацию, можно отфильтровать изображения звезд и получить световой поток ω_об(x,y),, в котором присутствует только изображение объекта S/x, y/.

Секторная пространственно-частотная фильтрация может быть, например, реализована путем экранирования спектра суммарного бинарного изображения f_Σ(x,y) непрозрачным штрихом, ориентацию которого устанавливают в соответствии с ориентацией штриховых изображений звезд n/x, y/. Блок оптической пространственно-частотной фильтрации, в частности, может быть выполнен следующим образом. Суммарный видеосигнал U_Σ(t) в высокояркостной трубке 16 преобразуют в световой поток w(x,y) соответствующий суммарному изображению и noi

(x,y) двухградационные /бинарные/ изображения объекта и звезд. Первым объективом 17 проецируют изображение f_Σ(x,y) на ПВМС 19, реализованный, например, на основе электрооптического кристалла, и обладающий анизотропией оптических свойств. Примером такого ПВМС может служить, например, ПВМС типа ПРИЗ, зависимость дифракционной эффективности которого от ориентации записываемых изображений /представленная на фиг. 3,а/ имеет вид замкнутой кривой, проходящей через 0. Таким образом, при соответствующей ориентации ПВМС 19 относительно изображения звезд n/x, y/ /вид изображения f_i/x, y/ и f_Σ(x,y) приведен на фиг. 3. б, в соответственно/ при считывании записанного на ПВМС изображения f_Σ(x,y) считывающим излучением источника когерентного излучения 23 после прохождения ПВМС считывающее излучение будет промодулировано по поляризации не в соответствии с f_Σ(x,y) а в соответствии с выражением:

где F, F^-1 прямое и обратное преобразование Фурье;
η(ν_x,ν_y) зависимость дифракционной эффективности от пространственной частоты /на фиг. 3,а угол θ=arctg ν_y(ν_x) /.

Так как изображения как объекта, так и звезд представляют собой штрихи, то их энергетические спектры обладают ярко выраженной анизотропией свойств, и, следовательно, ориентируя ПВМС таким образом, чтобы наиболее сильно выраженные в спектре звезд пространственно-частотные составляющие соответствовали такому значению θ для которого h(θ)=0 можно подавить изображения звезд в
После прохождения первого модулятора 20 модуляцию по поляризации преобразуют в модуляцию светового потока по амплитудам и с помощью второго объекта 21 проецируют на фотокатод второй передающей телевизионной камеры 22 отфильтрованное изображение f_отф/x,y/ f_c/x,y/ / фиг. 3/, содержащее только информацию об объекте и остаточный сигнал фона, которое преобразуют в видеосигнал V_c/t/, поступающий на вход второго порогового устройства 11, где его сравнивают с порогом V_c и образуют видеосигнал V_s/t/:

В отфильтрованном изображении f_отф/x,y/, кроме изображения объекта S/x, y/ содержится остаточный сигнал фона, амплитуда которого определяется в соответствии с /4/. Однако, так как ориентация штрихов изображений звезд совпадает с направлением θ для которого h(θ)=0, то амплитуда остаточного сигнала фона n_ост/x, y/, будет меньше амплитуды штриха-изображения любой другой ориентации /изображения объекта S/x,y/.

Поэтому всегда можно определить порог видеосигнала V_c, соответствующий максимуму остаточного сигнала фона n_ост/x,y/. Видеосигнал V_s/t/ поступает в устройство сопряжения 12 и блок вычисления 13, где определяют границы ненулевой области видеосигнала / / и формируют временной строб V/t/.

Для формирования временного строба V/t/ определяют: направление перемещения объекта Φ как и границы строба:

где
C const<1 выбирается, исходя из величины N числа суммируемых изображений /c≈1/N/.

Используя соотношение /2/, формуют в соответствии с /5/ временной строб V/t/ и выдают его на второй вход третьего устройства сравнения. В результате текущий видеосигнал V_фi/t/ сравнивается с V/t/ по /3/ и на устройство сопряжения поступает видеосигнал V_фi/t/, несущий информацию только об объекте Si/x, y/. Анализируя в блоке вычисления 13 видеосигнал V_фi/t/, получают значения координат объекта:
x_об K_x (t_ф/t_c-I_N(t_ф/t_c)),
y_об K_yI_N(t_ф/t_c),
где t_ф временная координата объекта.

Одновременно видеосигнал V_фi/t/ поступает на второй вход коммутатора 14, выполненного, например, на основе аналогового ключа, на первый вход которого поступает сигнал разрешения с устройства сопряжения 12.

С выхода коммутатора видеосигнал V_фi/t/ подают на выходное телевизионное устройство, выполненное, например, на основе ВКУ, для визуального наблюдения изображения объекта.

Предлагаемое устройство обладает преимуществами по сравнению с прототипом в части повышения точности и быстродействия. Повышение точности обусловлено исключением влияния фона звездного неба и ярких звезд из-за амплитудного сравнения видеосигнала с уровнями сравнения V₁ и V₂. Это позволяет уменьшить вероятность пропуска объекта за счет возможности обнаружения более слабых объектов.

Пусть излучение фона звездного неба характеризуется звездной величиной m_ф, размер изображения точечного объекта d, длина штриха, обусловленного перемещением изображения объекта l. Тогда, для обеспечения обнаружения объекта в устройстве-прототипе его звездная величина m₀ должна быть меньше величины m_опф

Например, для l 10 dm_опф m_оф 2,4
В предлагаемом устройстве величина m_опф≈ m_ф, поэтому точность предлагаемого устройства выше за счет возможности обнаружения более слабых объектов /для приведенного примера на 2,4 звездных величины/.

Быстродействие предлагаемого устройства будет выше вследствие отсутствия фотохимической обработки фотопластинки. Величина выигрыша в быстродействии Δt может быть оценена как

где t_рег Nxt кадр;
t_фх время фотохимической обработки;
t_кадр время регистрации одного кадра.

Дополнительным положительным эффектом предлагаемого изобретения является обеспечение автоматического режима обнаружения объекта.

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов на фоне звезд. Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения искусственных космических объектов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп 1, передающую телевизионную камеру 2, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство 8, блок вычисления амплитуд видеосигнала 13, связанный с устройством сопряжения 12, и выходное телевизионное устройство 15 введены первое 3, второе 4 и третье 5 устройства сравнения, первое 6 и второе 11 пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10, коммутатор 14, логический элемент И 9, логический элемент ИЛИ. Кроме того, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10 содержит оптически сопряженные высокояркостную трубку 16, первый объектив 17, светоделитель 18, пространственно-временной модулятор света 19, модулятор 20, второй объектив 21, вторую передающую телевизионную камеру 22, а также источник когерентного излучения 23, связанный оптически через светоделитель 18 с пространственно-временным модулятором света 19, причем вход высокояркостной трубки 16 соединен с входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации 10, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры 22, 1 з.п ф-лы, 3 ил.

1. Устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения, выходное телевизионное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения вероятности обнаружения искусственных космических объектов, в устройство дополнительно введены первое, второе и третье устройства сравнения, первое и второе пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации, коммутатор, элемент И, элемент ИЛИ, причем выход передающей телевизионной камеры соединен с первым входом первого устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом второго устройства сравнения, выход второго устройства сравнения связан с первым входом третьего устройства сравнения, и выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, первый, второй и третий выходы устройства сопряжения соединены с вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, четвертый и пятый выходы устройства сопряжения соединены с вторыми входами первого и второго пороговых устройств соответственно, шестой выход устройства сопряжения подключен к второму входу элемента И, седьмой выход устройства сопряжения подключен к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом третьего устройства сравнения и вторым входом устройства сопряжения, а выход коммутатора соединен с входом выходного телевизионного устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок оптической пространственно-частотной фильтрации содержит оптически сопряженные приемную высокояркостную телевизионную трубку, первый объектив, светоделитель, пространственно-временной модулятор света, модулятор света, второй объектив, вторую передающую телевизионную камеру, а также источник когерентного излучения, оптически связанный через светоделитель с пространственно-временным модулятором света, причем вход высокояркостной приемной телевизионной трубки соединен с входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры.