СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G02B23/04 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к системам оптико-электронного (телевизионного) наблюдения и может быть использовано для наблюдения и распознавания удаленных объектов.

В настоящее время существует широкий спектр задач наблюдения от чисто утилитарных, таких как наблюдение и контроль охранной зоны крупных предприятий, наблюдение удаленных объектов в труднодоступных районах и др., до специальных задач, таких как дистанционное наблюдение за опасными объектами в условиях повышенной радиации, зонах конфликтов и т.д.

Такие задачи требуют для своего решения использования прецизионных (легкотранспортируемых) оптических устройств с возможностью размещения их на подвижном наземном носителе и с возможностью переноса их в труднодоступные места наблюдения.

Известны оптические приборы дневного и ночного видения с широким полем зрения. Это - аэрофотоаппараты (АФА). Например, кадровый АФА-42. позволяющий наблюдать удаленный объект в широком поле зрения с неподвижного носителя [1] , имеет объектив с фокусным расстоянием 1000 мм, размер кадра 300•300 мм, фотографическую разрешающую способность (ФРС) 42 мм^-1 в центре поля зрения и около 20 мм^-1 на краю поля. Такие АФА имеют сравнительно низкую ФРС, позволяющую идентифицировать мелкий объект наблюдения, например фигуру человека, только с расстояния не более 1 км в центре поля зрения и не более 0,5 км на краю поля.

Основным недостатком фотографического наблюдения является невозможность получить информацию об объекте в реальном масштабе времени.

Известны также системы наблюдения удаленных объектов, позволяющие наблюдать объекты с достаточно высоким разрешением. Например, выбранный нами в качестве прототипа астрономический телескоп [2] содержит высокоразрешающий длиннофокусный объектив с малым полем зрения, установленный в плоскости его изображения приемник изображения, широкоугольный (около одного градуса), короткофокусный искатель с приемником изображения, жестко закрепленный на корпусе длиннофокусного объектива, прецизионную (единицы угловых секунд) систему наведения. Система наведения представляет собой чрезвычайно сложный и громоздкий механизм. Телескоп устанавливают на массивном виброзащищенном фундаменте в специальном помещении.

Такой телескоп не может быть использован для решения вышеназванных задач.

Предложенная нами система наблюдения удаленных объектов позволяет оперативно производить поиск и распознавание малоразмерных до 0,2 м объектов на удалении до 10 км в широком поле зрения, с высокой точностью наводиться на малоразмерные объекты. Она проста и надежна в эксплуатации, легко транспортируется, обладает повышенной информативностью искателя.

Такие технические результаты достигнуты нами благодаря тому, что система наблюдения удаленных объектов, включающая высокоразрешающий, длиннофокусный объектив, по крайней мере один приемник изображения, установленный в плоскости изображения длиннофокусного объектива искатель с короткофокусным широкоугольным объективом и приемником изображения, механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя, дополнительно содержит блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива, выполненного широкоугольным, размещенный в плоскости изображения длиннофокусного объектива и совмещенный с приемником изображения отражательный экран, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и в его плоскости изображения, блок согласования выполнен в виде размещенного между длиннофокусным объективом и экраном зеркала, установленного с возможностью движения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и под углом α к оптической оси длиннофокусного объектива, где 0 < α < 180^° , а искатель размещен по ходу отраженного от зеркала излучения и выполнен с возможностью сопряжения его приемника изображения с экраном, при этом приемник изображения длиннофокусного объектива установлен с возможностью перемещения в пределах поля зрения этого объектива.

При выполнении блока согласования с возможностью сканирования (см. п. 2 формулы) создаются условия просмотра всего поля зрения длиннофокусного широкоугольного объектива с изменением масштаба изображения искателя.

Выполнение искателя с возможностью сопряжения его приемника изображения с экраном можно осуществлять по-разному: фокусировкой объектива искателя, перемещением искателя вдоль его оптической оси или, например, выполняя объектив искателя в виде вариообъектива (см. п. 4 формулы), при этом появляется возможность изменять поле зрения искателя, а значит и масштаб изображения без соответствующих перемещений зеркала и искателя системы, чем уменьшается количество приводов перемещений в системе.

При выполнении экрана диффузно отражающим появляется вариантность размещения искателя при компановке системы.

Совмещение экрана с приемником изображения может быть выполнено по-разному: как механически - установкой экрана в одной плоскости с чувствительной поверхностью приемника изображения, так и оптически. Выполнение таких операций известно.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема устройства, где 1 - длиннофокусный объектив; 2, 2' - приемники изображения; 3 - зеркало; 4 - короткофокусный объектив искателя; 5 - отражательный экран; О₁О₁ - оптическая ось длиннофокусного объектива; О₂О₂ - оптическая ось широкоугольного искателя.

На фиг. 2 представлена схема устройства, где 1 - длиннофокусный объектив; 2, 2' - приемники изображения; 3 - зеркало; 4 - короткофокусный объектив искателя; 7 - механизм перемещения приемника изображения 2 и отражательного экрана 5; 6 - механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя; 8 - видеоконтрольное устройство; 9 - ЭВМ для управления системой и обработки изображения.

Система работает следующим образом.

Длиннофокусный объектив 1 с помощью искателя и механизма 6 перемещения наводят в зону наблюдения. Перемещая отражательный экран 5 с приемником 2 изображения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива 1 и фокусируя искатель 2', 4 на поверхность экрана 5, осуществляют фокусировку системы в зону наблюдения объекта.

При этом в поле зрения широкоугольного искателя будет наблюдаться одновременно полученное на экране 5 изображение зоны наблюдения объекта и мгновенное поле зрения длиннофокусного объектива (площадка приемника 2 изображения).

Перемещением отражательного экрана 5 с приемником 2 изображения в плоскости изображения длиннофокусного объектива или наклоном по двум координатам длиннофокусного объектива с искателем выводят заинтересовавший оператора объект в поле зрения приемника 2 изображения длиннофокусного объектива.

Благодаря установке зеркала с возможностью движения вдоль оптической оси длиннофокусного широкоугольного объектива и искателя с возможностью перемещения вдоль его оси поле зрения широкоугольного искателя может изменяться: быть не только равным полю зрения длиннофокусного широкоугольного объектива, но и уменьшаться по желанию оператора, чем достигается возможность более информативного анализа зоны наблюдения и выбора объектов для детального наблюдения, а также точного наведения системы на выбранный малоразмерный объект.

Таким образом, предложенная система наблюдения удаленных объектов устранила жесткую связь длиннофокусного объектива с приемником изображения и позволила без механизмов прецизионного наведения наблюдать и рассматривать детально удаленные объекты. Благодаря тому, что в системе искатель анализирует не пространство предметов в зоне наблюдения, а изображение этой зоны длиннофокусным широкоугольным объективом, существенно упрощена система наведения приемника изображения на объект наблюдения, находящийся как на "бесконечном", так и на конечном расстоянии. Наведение приемника изображения на объект наблюдения осуществляют по экрану видеоконтрольного устройства широкоугольного искателя лишь только путем совмещения изображения объекта с изображением приемника.

При необходимости система позволяет измерять и дальность до объектов наблюдения простым нанесением сетки на экран (как в полевых биноклях). Конструктивные выполнения таких сеток известны.

Выполнение приемника изображения подвижным, а объектива широкоугольным позволяет наблюдать не только традиционно один объект, но, установив некоторое количество приемников в разных плоскостях изображения длиннофокусного объектива, наблюдать одновременно несколько объектов, находящихся на разных дистанциях от системы, при этом экраны выполняют небольших размеров.

Таким образом в устройстве значительно сокращается время поиска малоразмерных объектов в широком поле зрения системы (поле зрения длиннофокусного широкоугольного объектива), повышается точность и скорость наведения системы на них.

Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Нами был поставлен эксперимент по наблюдению удаленного объекта. Объект (человек в лодке) размещался на расстоянии 5 км от системы наблюдения, имеющей следующие параметры: фокусное расстояние длиннофокусного объектива 3000 мм, угловое поле зрения 8^o (линейное 420 мм), относительное отверстие 1 : 8. Приемниками изображения служили телевизионные камеры с ПЗС матрицей с числом элементов 752•582 (размер матрицы 6,4•4,8 мм), отражательный экран был выполнен диффузно отражающим, а в качестве объектива искателя использовался фотообъектив "Вега-9" с фокусным расстоянием 50 мм и относительным отверстием 1: 2,1. Расстояние между отражающим экраном, зеркалом и объективом искателя было выбрано таким, чтобы обеспечивалось поле зрения искателя, равное 1,5^o.

Система позволила сразу увидеть изображение лодки. Наилучшая резкость изображения, наблюдаемого на экране монитора искателя, достигалась путем плавного перемещения отражательного экрана с приемником изображения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и фокусировкой объектива искателя на поверхность отражательного экрана.

Наводка приемника изображения длиннофокусного объектива на объект наблюдения (человек в лодке) осуществлялась по экрану монитора искателя путем совмещения изображения объекта с изображением приемника изображения, совмещенного с отражательным экраном. После совмещения изображений и переключения монитора на другой приемник изображения на экране монитора можно было увидеть часть корпуса лодки с фигурой человека. Наилучшая резкость изображения, наблюдаемого на мониторе, также достигалась путем плавного перемещения приемника изображения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива. В результате на мониторе отчетливо наблюдались детали одежды человека (погоны, фуражка).

Таким образом, предложенная система позволила увидеть объект размером до 50 - 100 мм, а операция поиска человека в лодке и наведения на него осуществилась быстро, за время не более 1 мин, при этом не требовалось использовать для осуществления операции специалиста с высокой квалификацией.

Пример 2
Был поставлен эксперимент по поиску и наблюдению малоразмерного объекта (человека в освещенном окне многоэтажного дома) на расстоянии около 11 км в условиях облачной погоды.

Традиционно для получения информации о том, в каком окне дома обнаружен человек, требуется последовательный просмотр всего дома с анализом просматриваемой информации.

Предложенная нами система позволила в несколько раз быстрее решить эту задачу, так как выбор объекта наблюдения в доме и наведение на него производился с использованием увеличенного изображения дома в поле зрения искателя (был отчетливо виден весь многоэтажный дом с освещенными окнами, что позволило оперативно определить этаж и расположение окна с фигурой человека).

Таким образом, предложенная система наблюдения удаленных объектов позволяет быстро проводить поиск и обнаружение малоразмерных объектов в широком поле зрения длиннофокусного объектива и обеспечивать их распознавание на удалении до 10 км. Она конструктивно проста и надежна.

Система позволяет выполнять операции по поиску и наведению на малоразмерные объекты дистанционно с защищенных от вредных воздействий (на оператора) укрытий, что может быть с успехом применено в экологическом мониторинге, в зонах природных и промышленных катастроф, в системах охраны больших земных и водных территорий.

Система наблюдения удаленных объектов позволяет оперативно производить поиск и распознавание малоразмерных до 0,2 м объектов на удалении до 10 км в широком поле зрения, с высокой точностью наводиться на малоразмерные объекты. Система наблюдения удаленных объектов включает высокоразрешающий, длиннофокусный, широкоугольный объектив, по крайней мере один приемник изображения, установленный с возможностью перемещения в пределах поля зрения длиннофокусного широкоугольного объектива и вдоль его оптической оси, искатель с короткофокусным широкоугольным объективом и приемником изображения, механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя, блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива. В плоскости изображения длиннофокусного объектива размещен совмещенный с приемником изображения отражательный экран, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и в его фокальной плоскости. Блок согласования выполнен в виде размещенного между длиннофокусным объективом и экраном зеркала, установленного с возможностью движения вдоль оптической оси длиннофокусного широкоугольного объектива и под углом α к его оптической оси, где 0 < α < 180^°, а искатель размещен по ходу отраженного от зеркала излучения и установлен с возможностью сопряжения его приемника изображения с экраном. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система наблюдения удаленных объектов, включающая высокоразрешающий длиннофокусный объектив, по крайней мере один приемник изображения, установленный в плоскости изображения длиннофокусного объектива, искатель с короткофокусным широкоугольным объективом и приемником изображения, механизм перемещения длиннофокусного объектива и искателя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок согласования местоположения изображения объекта в поле зрения искателя и местоположения приемника изображения в поле зрения длиннофокусного объектива, выполненного широкоугольным, размещенный в плоскости изображения длиннофокусного объектива и совмещенный с приемником изображения отражательный экран, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и в его плоскости изображения, блок согласования выполнен в виде размещенного между длиннофокусным объективом и экраном зеркала, установленного с возможностью движения вдоль оптической оси длиннофокусного объектива и под углом α к оптической оси длиннофокусного объектива, где 0 < α < 180^°, а искатель размещен по ходу отраженного от зеркала излучения и выполнен с возможностью сопряжения его приемника изображения с экраном, при этом приемник изображения длиннофокусного объектива установлен с возможностью перемещения в пределах поля зрения этого объектива. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что зеркало установлено с возможностью сканирования. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что приемники изображения выполнены в виде телевизионных камер и связаны с видеоконтрольным устройством. 4. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что объектив искателя выполнен в виде вариообъектива.