ПАССИВНОЕ НЕСКАНИРУЮЩЕЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗИМУТА И (ИЛИ) КООРДИНАТ ОБЪЕКТА Российский патент 2006 года по МПК G01S11/00 G02B27/64 

Описываемое предлагаемое изобретение относится к области телевидения, точнее к пассивным телевизионным устройствам для определения азимутального направления на интересующий объект в диапазоне горизонтальных углов от 0 до 360 градусов, который можно наблюдать любым телевизионным прибором в любых спектральных диапазонах от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Изобретение может быть использовано в различных областях деятельности, например, для определения направления на место возникновения лесного пожара, место пуска ракеты, направления на маяк в судоходстве, в охранных системах.

В качестве прототипа выбрано несканирующее мультиспектральное всеазимутальное телевизионное устройство определения пеленгов и (или) координат целей [1], которое состоит из ПЗС-камеры, объектива, оптического фильтра и зеркального конуса, имеющего общую ось с объективом. Конус отражает в объектив оптическое излучение от объектов, приходящее со всех сторон по углу места. Пройдя через оптический фильтр и объектив, излучение фокусируется на ПЗС-матрицу. От каждого объекта на ПЗС-матрице формируется штрих, направленный от центра, являющегося изображением вершины конуса, в сторону объекта. Азимут определяется как угол между направлением строчной развертки и направлением штриха.

Как показали эксперименты, сформированный конусом штрих, изображающий объект, имеет форму восьмерки, значительной ширины даже в области ее перешейка. Такая форма штриха обусловлена именно геометрией конического зеркала, предлагаемого в изобретении-прототипе. Из-за большой ширины штриха значительно снижается разрешающая способность системы.

Широкие части штриха - восьмерки практически не пригодны для определения направления, т.е. энергия излучения в широких частях штриха не может быть использована, поэтому конус имеет низкую эффективность использования излучения и, следовательно, ограниченную дальность.

Кроме того, использование в качестве приемника излучения ПЗС-камеры существенно снижает возможности устройства-прототипа в различных областях применения за счет ограниченности спектрального диапазона, чувствительности и размеров чувствительной поверхности.

Недостатками существующего пеленгатора являются:

- Низкая разрешающая способность,

- Малая дальность обнаружения,

- Неэффективное использование излучения.

Целью предлагаемого изобретения является устранение перечисленных выше недостатков, а именно повышение разрешающей способности, дальности обнаружения и эффективности использования излучения от объекта за счет применения системы сферических кольцевых зеркал, высокочувствительных приемников излучения большой площади и программных средств обработки изображения.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что, в соответствии с предлагаемым изобретением, пассивное несканирующее телевизионное устройство для определения азимута и (или) координат объекта, в котором выход сигнала соединен с рабочим входом спецвычислителя, имеет следующие конструктивные отличия от прототипа:

А) Оптическое зеркальное устройство представляет собой систему из нескольких сферических кольцевых зеркал, которые формируют мнимое изображение удаленного объекта в виде тонкого штриха, расположенного на радиусе, толщина которого ограничивается только волновыми аберрациями, а единственной геометрической аберрацией является длина штриха, при этом ось объектива проходит через общий центр всех сфер, а зеркала являются кольцевыми фигурами вращения на поверхности этих сфер, причем поверхность внешней сферы имеет тонкопленочное просветляющее покрытие, а материал, из которого изготовлены сферические элементы, выбирается исходя из требуемого спектрального диапазона приемника излучения.

Б) В качестве приемника излучения используются различные типы устройств, отличающиеся как по спектральным характеристикам, так и по принципу работы: ЭОП, пироЭОП, тепловизионная матрица (охлаждаемая и неохлаждаемая), видикон, пировидикон.

В) В качестве спецвычислителя используется ЭВМ, реализующая такие функции обработки изображения, как вычитание неподвижного фона, рекурсивное накопление последовательности кадров, селекция статических и динамических изображений (детектор движения), повышение контрастности изображения, вычисление координат объекта относительно начала координат, лежащего в общем центре сфер.

Таким образом, предлагаемое оптическое устройство в виде сферических кольцевых зеркал (фиг.1) обеспечивает формирование мнимого изображения удаленного объекта в плоскости, проходящей строго через центр сферы в виде линии, толщина которой ограничивается только волновыми аберрациями, а единственной геометрической аберрацией является конечная длина штриха 9, которая используется в предлагаемом изобретении для определения направления на объект. Поэтому толщина линии мала и не ограничивает разрешающую способность системы.

Одновременно с повышением разрешающей способности увеличивается и чувствительность, т.к. освещенность в размытой линии всегда меньше, чем в хорошо сфокусированной линии.

Для повышения эффективности использования света в изобретении применяется несколько концентрических сфер с соответствующими зеркалами. Мнимые изображения удаленного объекта, создаваемые всеми концентрическими сферами, увеличивают длину штриха и освещенность в них увеличивается.

Как видно из фиг.1, лучи света 1 распространяются от объектов со всех сторон (на фиг.1 показано только одно направление), достигнув поверхности сферы 2, преломляются (лучи 3). Далее отражаются от кольцевого сферического зеркала 4. Достигнув поверхности сферы, снова преломляются (лучи 5) и попадают в объектив телевизионной камеры 6. Объектив фокусирует их на чувствительную поверхность фотоприемника. Соответствующий назначению устройства фотопреобразователь преобразует полученное оптическое изображение в телевизионный сигнал, который поступает в вычислительное устройство для вычисления азимутов интересующих объектов.

От удаленного объекта лучи света, достигающие поверхность сферы 2, распространяются практически параллельно лучам 1. После преломлений на сфере 2 и отражения от сферы 4, фотопреобразователя достигают только лучи 1, 3, 5.

Продолжения 8 лучей 5 пересекаются между собой на диаметре сфер, образуя мнимое изображение объекта 9 в виде штриха.

На проекции, использованной в фиг.1, видна длина штриха и его расположение. Диаметр сфер и расстояние до объектива выбираются так, чтобы штрих располагался в плоскости фокусировки объектива и в поле его зрения.

Расположение штриха на диаметре сфер следует из симметрии сфер. Все параллельные лучи, падающие на сферу после преломления и отражения, дадут мнимое изображение, расположенное на диаметре сфер, параллельном этим лучам.

На фиг.2 представлена проекция оптической системы в направлении лучей от объекта. При этом лучи 1 и параллельный им диаметр сфер 2, 4, 7 представляются в виде точек.

Благодаря симметрии сфер 2, 4, 7 лучи 1, расположенные в вертикальной плоскости, а также преломленные лучи 3 и 5 и продолжения 8 лучей 5 остаются в этой же плоскости, в которой также лежат диаметры сфер 2, 4, 7, параллельные лучам 1.

Благодаря этой же симметрии лучи, не лежащие в вертикальной плоскости, ход которых был рассчитан по специальному алгоритму, дают мнимое изображение на диаметре сферы, параллельном падающим лучам (на фиг.2 показаны эти лучи 5).

Параллельные лучи образуют мнимое изображение в виде линии (штриха 9), не имеющей толщины. Это означает полное отсутствие геометрических аберраций. Единственной аберрацией является конечная длина штриха 9, которая используется в предлагаемом изобретении для определения направления на объект, т.к. штрих 9 располагается на диаметре сфер 2-7, строго параллельном лучам 1, пришедшим от объекта.

Мнимое изображение штрих 9 направлено строго на объект его породивший, даже если объект не находится в горизонтальной плоскости. Оптическая система практически не изменяет своих параметров, если штрих 9 отклоняется от горизонтальной плоскости на ±10°, что достаточно для практического применения системы.

Сферические кольцевые зеркала 7 используются для более полного использования излучения. На фиг.3 показан ход лучей 10, параллельных лучам 1 от того же объекта, отраженных от сферического кольцевого зеркала наименьшего диаметра из сфер 7 и прошедших в объектив 6. Продолжение этих лучей 11 образуют мнимое изображение объекта 9 на том же диаметре, что и лучи от сферы 4, т.к. все сферы имеют общий центр и единственный, общий для всех сфер, диаметр, который направлен на объект. При этом длина штриха 9 увеличивается и увеличивается соответственно точность определения азимута и расстояния до объекта.

Для того чтобы кольцевые сферические зеркала 7 работали эффективно, они должны располагаться на сферах меньшего диаметра, так чтобы лучи от меньшего зеркала проходили внутри кольца большего зеркала.

Зеркальная система моделировалась на ЭВМ. Результаты моделирования использованы в фиг.1-3.

В качестве приемника излучения в заявляемом устройстве могут быть использованы не только ПЗС-матрица с оптическими фильтрами на входе, но и различные другие типы устройств, отличающиеся как по спектральным характеристикам, так и по принципу работы: ЭОП, пироЭОП, тепловизионная матрица (охлаждаемая и неохлаждаемая), видикон, пировидикон и др. Использование предлагаемых устройств позволяет не только изготовить систему, чувствительную в нужном спектральном диапазоне от ультрафиолетового (λ ˜ 0,2 мкм) до дальнего инфракрасного (λ ˜ 25 мкм), но и выбрать наиболее оптимальное фотоприемное устройство с точки зрения других его параметров, таких как чувствительность, размер чувствительной площади фотоприемника, массо-габаритные характеристики и т.д.

Помимо вычисления координат объекта, как предлагается в устройстве-прототипе, в качестве спецвычислителя можно использовать, например, одноплатный компьютер, который позволяет осуществлять обработку сформированного изображения с помощью специальных программ. Предлагаемое устройство позволит реализовать такие функции, как вычитание неподвижного фона, рекурсивное накопление последовательности кадров, селекция статических и динамических изображений (детектор движения), повышение контрастности изображения. Результатом использования предлагаемого алгоритма обработки сформированного сигнала является существенное повышение дальности обнаружения объекта и разрешающей способности устройства, а также снижение вероятности ложного срабатывания системы в целом. Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.4.

Техническая сущность и принципы работы предложенного пассивного несканирующего телевизионного устройства для определения азимута и (или) координат объекта поясняются соответствующими чертежами:

Фиг.1 - Оптическая схема предлагаемой зеркальной системы (вид сбоку)

Фиг.2 - Оптическая схема предлагаемой зеркальной системы (вид со стороны объекта)

Фиг.3 - Оптическая схема хода лучей при отражении от кольцевого зеркала наименьшего диаметра, где:

1. параллельные лучи излучения от удаленного объекта, прошедшие в объектив;

2. сфера из материала, прозрачного для излучения, имеющего специально подобранный коэффициент преломления;

3. лучи излучения от объекта, вошедшие в сферу и преломленные на поверхности внешней сферы;

4. кольцевое зеркало в толще сферы располагается на сфере меньшего диаметра, имеющей общий центр с внешней сферой;

5. лучи излучения, вышедшие из сферы;

6. входная линза (входной зрачок) объектива;

7. сферические кольцевые зеркала, имеющие общий центр с внешней сферой и с зеркалом 4;

8. продолжения лучей излучения 5, прошедших в объектив, используемые для построения мнимого изображения;

9. мнимое изображение объекта в виде тонкого отрезка, полученное от кольцевого сферического зеркала;

10. лучи, параллельные лучам 1 от того же объекта, отраженные от сферического кольцевого зеркала наименьшего диаметра и попавшие в объектив 6;

11. продолжения лучей 10, образующие мнимое изображение объекта 9.

Лучи излучения, отраженные от кольцевых сферических зеркал 7, на рис.1 не показаны с целью упрощения рисунка. Не показаны также лучи излучения, не попавшие в объектив.

Фиг.4 - структурная схема предлагаемого телевизионного устройства

Кольцевые сферические зеркала для видимого и ближнего ИК диапазона длин волн могут изготавливаться следующим способом;

1. изготовление менисков путем шлифовки и полировки стекла или прессовки пластмассы;

2. нанесение кольцевых зеркал на мениски путем напыления в вакууме или химического осаждения;

3. склеивание менисков оптическим клеем, коэффициент преломления которого близок к материалу менисков.

Точность изготовления менисков для современной технологии составляет 1 мкм, такого же порядка будет размытие штриха 9, обусловленное погрешностями изготовления менисков, являющихся частью сфер. При проектировании изображения штрихов 9 в плоскость ПЗС-матрицы происходит уменьшение изображения и соответствующее уменьшение размытия штриха. Поэтому размытие штриха значительно меньше, чем, например, размер пикселя ПЗС-матрицы. Следовательно, разрешающая способность системы определяется числом пикселей в ПЗС-матрице.

Расчеты показывают, что для обнаружения объекта размером 10-20 м на расстоянии 10 км необходима матрица с числом пикселей 1200×1024.

В приборах широкого потребления (цифровых фотоаппаратах) появились матрицы с числом пикселей до 4000×3000, что в перспективе позволит увеличить дальность обнаружения объектов до горизонта, т.е. 25 км с вышки высотой 30 м при условии соответствующей метеорологической дальности.

Источники информации

Патент России на изобретение №2154284 (приоритет от 08.09.1999). Способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ.

Изобретение относится к телевидению. Предлагаемое устройство решает задачу наблюдения круговой панорамы местности и определения направления на объект, например лесной пожар, маяк, пуск ракеты и т.д. Изображение круговой панорамы создается в плоскости чувствительной поверхности фотоприемника. В изображении панорамы все объекты представляются в виде тонких штрихов, расходящихся вдоль радиуса от центра развертки по направлению к объектам. Для создания такого изображения применено специальное зеркальное оптическое устройство, представляющее собой систему кольцевых сферических зеркал. Объект дает изображение штриха, который регистрируется, и по его положению определяется горизонтальное направление в сторону появившегося возмущения. Достигаемым техническим результатом является повышение дальности, разрешающей способности и понижение вероятности ложного срабатывания. Изобретение может использоваться в самых различных спектральных диапазонах, зависящих от типа приемника излучения и параметров изготовления оптического устройства. 4 ил.

Пассивное несканирующее телевизионное устройство для определения азимута и расстояния до объекта, в котором выход телевизионного сигнала соединен с рабочим входом спецвычислителя, отличающееся тем, что перед объективом телевизионного устройства установлено всенаправленное по азимуту оптическое зеркальное устройство - система из нескольких сферических кольцевых зеркал, которые формируют мнимое изображение удаленного объекта в плоскости, проходящей строго через общий центр сфер, в виде штриха, расположенного на диаметре сфер, при этом ось объектива проходит через общий центр всех сфер, а зеркала являются кольцевыми фигурами вращения на поверхности этих сфер, причем поверхность внешней сферы имеет тонкопленочное просветляющее покрытие, а материал, из которого изготовлены сферические элементы, выбирается исходя из требуемого спектрального диапазона приемника излучения, на чувствительную поверхность которого фокусируются лучи света, прошедшие через объектив, полученное оптическое изображение в фотопреобразователе преобразуется в телевизионный сигнал, который поступает в спецвычислитель, в качестве которого используется ЭВМ, реализующая функции обработки изображения - вычитание неподвижного фона, рекурсивное накопление последовательности кадров, селекцию статических и динамических изображений, повышение контрастности и определение азимута объекта по направлению соответствующего ему штриха и расстояния до объекта относительно начала координат, лежащего в общем центре сфер, при этом диаметр сфер и расстояние до объектива выбираются так, чтобы штрих на диаметре сфер располагался в плоскости фокусировки объектива и в поле его зрения.