СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ОБЪЕКТА НА ФОНЕ ЗВЕЗД Российский патент 1998 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов на фоне звезд.

Известен способ селекции объекта на фоне звезд [1], заключающийся в регистрации изображения объекта и звезд в фокальной плоскости приемного телескопа, считывании зарегистрированного изображения первой сканирующей апертурой, визуальном наблюдении зарегистрированного изображения путем преобразования полученного видеосигнала в первый световой поток, обработке полученного видеосигнала путем его преобразования во второй световой поток, регистрации второго светового потока и его накоплении на фотопластинке, получая накопленное изображение, и последующем выделении объекта путем обработки накопленного изображения.

Недостатком известного способа являются низкая точность и низкое быстродействие, обусловленное необходимостью фотохимической обработки фотопластинки для получения накопленного изображения. Кроме того, в известном способе при работе по априорно неизвестному объекту селекция изображения объекта может быть выполнена только визуальным способом.

Известен также способ селекции объекта на фоне звезд, выбранный за прототип [2], заключающийся в считывании перемещения сигнала изображения объекта α_o и звезд α_зв, зарегистрированного в фокальной плоскости телескопа первой сканирующей апертурой, амплитудной селекции полученного видеосигнала с опорным уровнем , бинарном квантовании и дискретизации отселектированного видеосигнала, логическом суммировании N кадров отселектированного видеосигнала и выделении объекта.

Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность, связанная с тем, что при получении изображения шум звездного неба суммируется с изображением объекта.

Целью изображения является повышение помехозащищенности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе селекции объекта на фоне звезд, основанном на считывании перемещения сигнала изображения объекта α_o и звезд α_зв, зарегистрированного в фокальной плоскости телескопа первой сканирующей апертурой, амплитудной селекции полученного видеосигнала с опорным уровнем , бинарном квантовании и дискретизации отселектированного видеосигнала, логическом суммировании N кадров отселектированного видеосигнала и выделении объекта, осуществляют дополнительную амплитудную селекцию видеосигнала с верхним опорным уровнем , преобразуют суммарный видеосигнал в световой поток Ф_н суммарного изображения, осуществляют пространственно частотную фильтрацию светового потока в направлении α = α_зв± 90^°, считывают отфильтрованный световой поток второй сканирующей апертурой, получают видеосигнал , производят двухуровневое квантование с порогом V_б и дискретизацию полученного видеосигнала, определяют координаты отсчетов ненулевого дискретизирования видеосигнала по строке и кадру, находят минимальные τcmin

, τкmin и максимальные τcmax, τкmax значения координат отсчетов по строке и кадру соответственно, формируют стробирующий видеосигнал V_s по результатам анализа величин τcmin, τкmin, τcmax, τкmax, выделяют фрагмент видеосигнала V_в во временном интервале, соответствующем стробу V_s, регистрируют минимальный V_min и максимальный V_max уровни видеосигнала выделенного фрагмента, формируют соответственно с V_min и V_max опорные уровни сигнала , определенного из верхней границы блеска объекта, определяют угол α как α = arctg[(τкmax-τкmin)/(τcmax-τcmin)], выделяют объект по превышению порога V_б, определяемого по соотношению величин α и α_зв , причем направление α_зв совпадает с направлением перемещений звезд в фокальной плоскости телескопа.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 (а, б, в, г, д) - изображения звезд в фокальной плоскости телескопа, на фиг. 3 - диаграммы преобразования сигнала, на фиг. 4 - зависимость дифракционной эффективности от направления для блока фильтрации.

На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - приемный телескоп, 2 - блок регистрации и изображений, 3 - блок стробирования, 4 - блок пороговой обработки, 5 - блок суммирования, 6 - блок преобразования, 7 - блок фильтрации, 8 - блок обратного преобразования, 9 - блок анализа, 10 - блок выделения.

Предлагаемый способ с помощью приведенного устройства реализуется следующим образом. Излучение от объекта и звезд принимают приемным телескопом 1 с фокусным расстоянием f, формирующим в фокальной плоскости изображение объекта и звезд i (x,y)
i(x,y) = s(x,y) + n(x,y),
где s(x,y) - изображение объекта,
n(x,y) - изображение звездного фона.

Вид изображения представлен на фиг. 2,а.

Сформированное изображение регистрируют в блоке регистрации изображений 2, реализованном, например, на базе передающей телевизионной камеры. Считывая зарегистрированное в фокальной плоскости приемного телескопа изображение i (x, y) первой сканирующей апертурой (в данном случае электронным лучом), преобразуют зарегистрированное изображение в видеосигнал , = V₁(t), примерный вид видеосигнала V₁(t) приведен на фиг. 3, а. В силу известного закона сканирования сканирующей апертурой существует однозначная зависимость между i (x,y) и V(t) и, следовательно, временной аргумент t однозначно соответствует пространственным координатам x, y. Поэтому в дальнейшем изложении считаем обозначения i (x,y) и V (t) тождественными с точки зрения характеристики пространственного расположения изображения объекта и звезд в зарегистрированном изображении.

В блоке стробирования 3, выполненном, например, на базе компараторов и логических элементов, осуществляют амплитудную селекцию видеосигнала V₁(t) в интервале напряжений между двумя опорными уровнями сигнала , то есть преобразуют видеосигнал V₁ (t) по закону:

При этом сравнение V₁ (t) с V_оп позволяет устранить влияние шума, вызванного как собственными шумами блока 2, так и фоном звездного неба, а сравнение с позволяет ограничить влияние интенсивности помех, связанных с яркими звездами (блеск которых значительно превышает максимально возможную величину блеска селектируемого объекта). Вид видеосигнала V₂(t) представлен на фиг. 3,б.

В блоке пороговой обработки 4, реализованном на пороговом устройстве и логических элементах, осуществляют бинарное квантование видеосигнала V₂(t), получая видеосигнал V₃(t):

где V_пор - уровень порогового напряжения (в частном случае равный нулю). Примерный вид V₃(t) приведен на фиг. 3,в.

В блоке суммирования 5, реализуемом на базе логических элементов, сумматора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) на кадр осуществляют дискретизацию сигнала V₃(t), в результате получая суммарный видеосигнал

Изображение i_Σ(x,y), соответствующее V_Σ(t) , приведено на фиг. 2, б (изображение i_Σ(x,y) приведено для простоты, для случая неподвижного приемного телескопа 10.

Вследствие вращения Земли изображения n (x, y) звезд, регистрируемые неподвижным телескопом, будут представлять собой (при регистрации в ряд последовательных моментов времени) дуги концентрических окружностей одинаковой угловой величины. В силу малого поля зрения приемного телескопа и достаточно малых времен экспозиции (малые n) дуги концентрических окружностей с высокой степенью точности могут быть заменены параллельными отрезками равной длины. Изображение объекта S (x,y) будет (при малых экспозициях) в силу перемещения объекта по траектории движения и в силу приведенных соображений также иметь вид отрезка прямой, однако имеющего произвольную ориентацию, связанную с видом траектории объекта.

Суммарный видеосигнал U_Σ(t) преобразуют в блоке преобразования 6, реализованном, например, на основе высокояркостной трубки в световой поток Ф_н суммарного изображения. Пространственное распределение светового потока Ф_н пропорционально суммарному изображению i_Σ(x,y) . В блоке фильтрации 7 осуществляют оптическую пространственно-частотную фильтрацию светового потока Ф_н в направлении

где α_зв - известное направление перемещения изображений звезд.

Блок фильтрации 7 может быть реализован, например, на основе пространственно-временного модулятора света (ПВМС) типа ПРИЗ, обладающего анизотропией оптических свойств. Зависимость дифракционной эффективности η от направления (угла θ) для этого прибора приведена на фиг. 4.

Для угла θ = 0 η(θ) = η(0) = 0 и, следовательно, изображения, направления которых совпадают с величиной угла θ = 0, будут на выходе прибора отфильтрованы.

Для осуществления пространственно-частотной фильтрации изображений звезд достаточно установить ПВМС таким образом, чтобы выполнялось условие α_зв= θ = 0 (например, путем поворота ПВМС).

Направление перемещения объекта не совпадает с направлением перемещения звезд, то есть α_об≠ α_зв и, следовательно,
η(θ) = η(α_об) ≠ 0
Поэтому изображение объекта будет передаваться системой фильтрации с ненулевым значением дифракционной эффективности η(θ_o) и, следовательно, в отфильтрованном суммарном изображении i_Σ(x,y)_отф будет присутствовать только изображение объекта . Вид отфильтрованного изображения приведен на фиг. 2, в.

Отфильтрованный световой поток Ф_н суммарного изображения, в котором благодаря пространственно-частотной фильтрации отсутствуют изображения звезд в блоке обратного преобразования 8, выполненном, например, на основе передающей телевизионной камеры, считывают второй сканирующей апертурой, преобразовывают полученный таким образом видеосигнал = V₄(t) путем двухуровневого бинарного квантования с порогом V_б в видеосигнал V₅(t)

Видеосигнал V₅(t) поступает в блок анализа 9, в котором осуществляют его обработку. Блок анализа 9 реализуют, например, на базе микропроцессора, цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей и ОЗУ.

Видеосигнал V₅(t) дискретизируют, определяют координаты отсчетов ненулевого дискретизированного видеосигнала , соответствующих изображению объекта, и находят минимальные τcmin

, τкmin и максимальные τcmax, τкmax значения координат отсчетов по строке и кадру соответственно, например по формулам


где [ ] - целая часть числа;
t_с - время, затрачиваемое второй считывающей апертурой на считывание одной строки;
τ_i - временная координата видеосигнала .

Формируют по результатам анализа стробирующий видеосигнал V_s. На фиг. 2, г графически изображен результат формирования строба V_s, для наглядности показанный в виде двумерного изображения. Строб V_s формируют таким образом, чтобы в последующих кадрах изображение объекта соответствовало стробируемой области видеосигнала, ограниченной, например, линией L на фиг. 2, г. То есть, анализируя полученные значения координат τcmin

, τcmax, τкmin, τкmax , определяют траекторию перемещения объекта (линия AB) за время регистрации n изображений (за время суммирования n кадров видеосигнала ). Так как траектория перемещения объекта является гладкой, то направление перемещения изображения объекта за период между экспозицией "n"-ого и "n+1"-ого кадров изменится незначительно по сравнению с направлением .

Следовательно, выбирая фрагмент видеосигнала , соответствующий направлению , определяемому соотношением величин τкmin

, τкmax, τсmin, τсmax , выбирается строб, содержащий изобретение селектируемого объекта.

Так как по результатам анализа видеосигнала невозможно определить направление перемещения объекта (от A к B или наоборот), то строб V_s формируют таким образом, чтобы выбранный фрагмент видеосигнала содержал изображение объекта в любом из этих случаев. (Направление перемещения объекта однозначно определяют на дальнейших этапах обработки (см. ниже) по результатам сравнения τкmin

, τкmax, τсmin, τсmax с определяемой при анализе выбранного фрагмента видеосигнала совокупностью значений координат {τ_j} , характеризующих положение изображения объекта в кадре).

Используя сформированный строб V_s, выделяют фрагмент V_f(t) видеосигнала V₁(t), причем границы выделяемого фрагмента определяются из анализа определенных координат отсчетов (заштрихованная область на фиг. 2, д (для сравнения на фиг. 2, д крестами показано изображение объекта и звезд i (x,y) [ср. с фиг. 2, а)].

Очевидно, что изображения звезд в выделяемом фрагменте V_f(t) (см. фиг. 2, д) отсутствуют. Выделение фрагмента видеосигнала V_f(t) осуществляют в блоке 3 по сигналам управления из блока 9.

Выделенный фрагмент видеосигнала V_f(t) анализируют в блоке 9 с целью определения минимального V_min и максимального V_max уровней видеосигнала V_f(t), в соответствии с которыми формируют новые опорные уровни сигнала , которые подают на блок 3.

По результатам определения значений координат отсчетов τcmin

, τcmax, τкmin, τкmax определяют также величину угла

и определяют величину порога V_б по результатам сравнения величин α_ф и α_o .

Величину порога V_б определяют, исходя из следующих соображений. Как было показано выше, для того, чтобы полностью отфильтровать изображения звезд, направление фильтрации выбирают таким образом, чтобы направление η_min совпадало с направлением перемещения звезд, то есть α_зв соответствовало θ = 0 . При этом, если направление перемещения изображения объекта α_об соответствует направлению θ_o≠ 90^°, то дифракционная эффективность отфильтрованного изображения объекта η(θ_o) не равна maxη(θ) .

Для того чтобы дифракционная эффективность отфильтрованного изображения объекта η(θ) была максимально возможной, необходимо, чтобы направление фильтрации α_ф , определяемое по (3). соответствовало θ = 90^° . В этом случае интенсивность изображения объекта S(x,y) в отфильтрованном изображении будет максимальной.

α_ф , в общем случае, не связано с α_зв выражением и в соответствии с зависимостью η(θ) (фиг. 4) в случае попадания в выделяемый фрагмент видеосигнала V_f(t) изображения звезды оно будет давать ненулевое изображение n_отф(x,y) в . Поэтому вводят порог V_б, величина которого выбирается исходя из вида зависимости η(θ) и соотношения величин α_ф и α_зв .

Очевидно, что так как зависимость η(θ) имеет один максимум (существует только одно направление пространственно-частотного спектра, для которого дифракционная эффективность, а следовательно, и интенсивность отфильтрованного светового потока максимальны), то при соответствии α = α_ф значению θ = 90^° максимум интенсивности светового потока Ф_н будет соответствовать изображению объекта, а выбор величины порога V_б, соответствующей интенсивности светового потока Ф_н от изображения с ориентацией α_пор , промежуточной между α_зв и α_ф , позволит полностью отфильтровать изображения звезд.

Таким образом, в блоке анализа 9 после анализа подвергнутого пороговой обработке с порогом V_б видеосигнала V_f(t) опеределяют совокупность соответствующих временных задержек , характеризующих положение объекта в поле зрения приемного телескопа 1 и однозначно определяющих координаты селектируемого объекта. Используя видеосигнал V_ф(t) и в блоке выделения объекта 10, реализованном, например, на базе видеоконтрольного устройства (ВКУ), компараторов и логических элементов, формируют на экране ВКУ отселектированное изображение объекта и необходимую информацию о его координатах, направлении перемещения и т.д., легко определяемые по результатам анализа в блоке 9.

Способ по изобретению имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:
повышенную точность, так как в результате амплитудной селекции видеосигнала в интервале напряжений между двумя опорными уровнями устраняют фон звездного неба и влияние ярких звезд в изображении. Кроме того, выделение объекта происходит автоматически, устраняя влияние ошибок визуальной селекции;
повышенное быстродействие, обусловленное отсутствием фотохимической обработки зарегистрированных изображений и автоматически режимом селекции.

Дополнительными преимуществами являются возможность автоматического режима селекции, обусловленная применением селекторной оптической пространственно-частотной фильтрации и возможность определения координат и траектории движения селектируемого объекта непосредственно после окончания регистрации изображения объекта и звезд.

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов на фоне звезд. Целью изобретения является повышение помехозащищенности способа. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, основанном на считывании изображения объекта и звезд, зарегистрированного в фокальной плоскости телескопа 1 первой сканирующей апертурой в блоке регистрации изображений 2, обработке полученного видеосигнала и последующем выделении объекта, амплитудной селекции видеосигнала в блоке стробирования 3 в интервале напряжении между двумя опорными уровнями и , бинарном квантовании в блоке пороговой обработки 4 и дискретизации отселектированного видеосигнала в блоке суммирования 5, логическом суммировании N кадров отселектированного видеосигнала и выделении объекта, осуществляют дополнительную амплитудную селекцию видеосигнала с верхним опорным уровнем , преобразуют суммарный видеосигнал в световой поток суммарного изображения в блоке преобразования 6, осуществляют пространственно-частотную фильтрацию светового потока в направлении α=α_3в±90^o, в блоке фильтрации 7 считывают отфильтрованный световой поток второй сканируюшей апертурой в блоке обратного преобразователя, получают видеосигнал , производят двухуровневое квантование с порогом V_би дискретизацию полученного видеосигнала в блоке диализа 9, определяют координаты отсчетов ненулевого дискретированного видеосигнала по строке и кадру, находят минимальные τcmin

,τkmin и максимальные τcmax,τkmax значения отсчетов по строке и кадру соответственно, анализируют величины τcmin. τcmax,τkmin,τkmax, формируют по результатам анализа стробирующий видеосигнал V_s, выделяют фрагменты видеосигнала во временном интервале, соответствующем стробу V_s, регистрируют минимальный V_min и максимальный V_max уровни видеосигнала выделенного фрагмента, формируют в соответствии с V_min и V_max, опорные уровни сигнала и определяют угол α как , выделяют объект по превышению величины порога V_б по результатам анализа величин α_ф и α_3в, причем направление α_3в cовпадает с направлением изображений звезд в фокальной плоcкости телескопа. 4 ил.

Способ селекции объекта на фоне звезд, основанный на считывании перемещения сигнала изображения объекта α_o и звезд α_зв, зарегистрированного в фокальной плоскости телескопа первой сканирующей апертурой, амплитудной селекции полученного видеосигнала с опорным уровнем бинарном квантовании и дискретизации отселектированного видеосигнала, логическом суммировании N кадров отселектированного видеосигнала и выделении объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, осуществляют дополнительную амплитудную селекцию видеосигнала с верхним опорным уровнем преобразуют суммарный видеосигнал в световой поток Ф_н суммарного изображения, осуществляют пространственно-частотную фильтрацию светового потока в направлении α = α_зв± 90^°, считывают отфильтрованный световой поток второй сканирующей апертурой, получают видеосигнал производят двухуровнее квантование с порогом V_б и дискретизацию полученного видеосигнала, определяют координаты отсчетов ненулевого дискретизирования видеосигнала по строке и кадру, находят минимальные τcmin

, τкmin и максимальные τcmax, τкmax значения координат отсчетов по строке и кадру соответственно, формируют стробирующий видеосигнал V_s по результатам анализа величин τcmin, τкmin, τcmax, τкmax, выделяют фрагмент видеосигнала V_в во временном интервале, соответствующем стробу V_s, регистрируют минимальный V_m i n и максимальный V_m a x уровни видеосигнала выделенного фрагмента, формируют соответственно с V_m i n и V_m a x опорные уровни сигнала определяемого из верхней границы блеска объекта, определяют угол α как
α = arctg[(τкmax-τкmin)/(τcmax-τcmin)],
выделяют объект по превышению порога V_б, определяемого по соотношению величин α и α_зв, причем направление совпадает с направлением перемещений звезд в фокальной плоскости телескопа.