УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЮСТИРОВКИ НАПРАВЛЕНИЯ ВИЗИРНОЙ ОСИ ДВУХКАМЕРНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2007 года по МПК H04N5/30 

Изобретение относится к телевизионной технике, а именно к аппаратуре прикладного телевидения, используемой в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство для юстировки направления угла поля зрения телевизионной системы наблюдения кометы Галлея [1, с.147-150], которое содержит установленные на общем основании две телевизионные камеры: «узкоугольную» (с длиннофокусным объективом) и «широкоугольную» (с короткофокусным объективом), при этом последняя используется в качестве датчика наведения телевизионной системы. В качестве фотоприемников в каждой из телевизионных камер применены матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), причем в пространстве геометрические центры фотоприемников совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния. Дополнительно к телевизионному датчику наведения в телевизионной системе предусмотрен второй - аналоговый датчик наведения. Оба датчика наведения выполняют раздельно или совместно управление поворотной платформой космического аппарата, что позволяет изменять направление визирной оси телевизионной системы (направление угла поля зрения телевизионной системы) как в плоскости орбиты, так и в перпендикулярной ей плоскости. Электронный блок телевизионной системы, осуществляя два режима работы: дежурный и основной, - обеспечивает коммутацию полных телевизионных сигналов от каждой из телевизионных камер для последующей записи видеоинформации на бортовой магнитофон, передачи накопленной информации на Землю и воспроизведения изображения на экране видеомонитора Центра управления полетом.

Однако по сравнению с прототипом для относительно простых и массовых аппаратов может быть заложено априори управление поворотной платформой, а следовательно, и направлением визирной оси телевизионной системы только от одного (не телевизионного датчика) наведения. Это, в свою очередь, приводит к необходимости задания жестких требований на размещение телевизионной системы на поворотной платформе, в частности на направление визирной оси телевизионной системы относительно посадочной плоскости ее основания. Для двухкамерной телевизионной системы это означает повышенные требования на параллельность оптических осей телевизионных камер между собой и их параллельность относительно посадочной плоскости основания. При этом допустимая величина ошибки в направлении оси визирования должна быть подтверждена метрологической проверкой в процессе настройки телевизионной системы на предприятии-изготовителе.

Задача изобретения - повышение точности регулировки направления визирной оси телевизионной системы путем уменьшения ошибки в параллельности оптических осей телевизионных камер между собой и ошибки в их параллельности относительно посадочной плоскости основания при сохранении эксплуатационных значений угловых полей зрения каждой из камер.

Поставленная задача в заявляемом устройстве юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы решается тем, что в устройство, содержащее установленные на основании телевизионной системы первую («широкоугольную») телевизионную камеру, вторую («узкоугольную») телевизионную камеру, геометрические центры фотоприемников которых совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, коммутатор видеосигналов и видеомонитор, при этом выходы первой и второй телевизионных камер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов, введены генератор электрического сигнала «центральный крест» и последовательно расположенные и оптически связанные лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости и перпендикулярном к плоскости ее изображения, а пятно лазерного зонда находится в узловой точке на вертикальной оси симметрии отражательной таблицы «сетчатое поле»; каждая из телевизионных камер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, вход генератора электрического сигнала «центральный крест» подключен к выходу коммутатора видеосигналов, а выход - к входу видеомонитора, причем базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер кратно размеру клетки отражательной таблицы «сетчатое поле», проекции геометрических центров фотоприемников находятся в узловых точках отражательной таблицы «сетчатое поле», а частота и фаза кадровой и строчной разверток первой и второй телевизионных камер «привязаны» по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых конструктивных элементов, к числу которых относятся: генератор электрического сигнала «центральный крест», лазерный целеуказатель; канал, выполненный в основании телевизионной системы, и механизм углового перемещения направления оптической оси по горизонтали и вертикали для каждой из телевизионных камер; наличием связей между элементами, а именно: электрическими связями генератора электрического сигнала «центральный крест» соответственно с коммутатором видеосигналов и видеомонитором; электрическими связями телевизионных камер между собой по сигналу синхронизации, кинематическими связями каждой из телевизионных камер с механизмом углового перемещения направления оптической оси, оптической связью лазерного целеуказателя с отражательной таблицей «сетчатое поле»; формой выполнения элемента, а именно: формой отражательной таблицы «сетчатое поле», а также параметром элемента, а именно: параметром базового расстояния между центрами фотоприемников телевизионных камер.

Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

В заявляемом решении юстировка направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы осуществляется при помощи:

- отражательной таблицы «сетчатое поле» и маркерного сигнала «центральный крест» путем совмещения центра телевизионного изображения с геометрическим центром электронного креста;

- лазерного целеуказателя, излучение от которого производится через канал, выполненный в основании телевизионной системы и позволяющий с высокой точностью (ограниченной только возможностями технологии изготовления самого канала) обеспечить необходимое направление лазерного зонда.

Следовательно, по техническому результату и методам его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 изображен внешний вид отражательной тест-таблицы «сетчатое поле»; на фиг.3 и фиг.4 соответственно показаны изображения с экрана видеомонитора от первой и второй телевизионных камер, наблюдаемые в процессе юстировки телевизионной системы.

Заявляемое устройство юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, см. фиг.1, содержит отражательную таблицу 1, установленную в плоскости изображения телевизионной системы, состоящей из первой («широкоугольной») телевизионной камеры 2, второй («узкоугольной») телевизионной камеры 3, коммутатора видеосигналов 4 и видеомонитора 5; а также лазерный целеуказатель 6 и генератор электрического сигнала «центральный крест» 7, при этом лазерный целеуказатель 6 через канал 8 в основании 9 телевизионной системы формирует в плоскости отражательной таблицы 1 пятно 10 видимого спектра, телевизионная камера 2 кинематически связана с механизмом 11 углового перемещения ее оптической оси, а телевизионная камера 3 - с механизмом 12 углового перемещения ее оптической оси, выходы телевизионных камер 2 и 3 подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов 4, выход сигнала синхронизации приемника от первой телевизионной камеры 2 подключен к входу внешней синхронизации телевизионной камеры 3, а выход коммутатора видеосигналов 4 через генератор 7 электрического сигнала «центральный крест» - к видеомонитору 5.

Отражательная таблица 1 «сетчатое поле» используется в качестве оптического теста при выполнении процесса юстировки телевизионной системы. Тест-таблица содержит две большие (левую и правую) перекрывающиеся таблицы «сетчатое поле», ограниченные реперами и смещенные по горизонтали относительно друг друга на величину базового разнесения геометрических центров фотоприемников, которое кратно размерам клетки большой таблицы, а также две малые таблицы «сетчатое поле» (левую и правую), ограниченные реперами и расположенные симметрично относительно геометрического центра тест-таблицы, причем каждая большая и малая таблицы имеют отношение ширины к высоте, равное формату фотоприемника, размеры клетки большой таблицы кратны с коэффициентом k размерам клетки малой таблицы, число клеток М по горизонтали для каждой большой таблицы определяется по соотношению:

М=m×1/k×f₂/f₁, а число клеток N по вертикали по соотношению:

N=n×1/k×f₂/f₁, где m и n - соответствующее число клеток по горизонтали и вертикали для каждой малой таблицы, k - коэффициент кратности клеток, f₁ и f₂ - фокусные расстояния для первой и второй телевизионных камер.

Пример выполнения отражательной таблицы 1 для величины базового разнесения геометрических центров фотоприемников в 4 большие клетки, отношения фокусных расстояний (f₂/f₁), равного 4, и коэффициента кратности клеток (k), равного 2, показан на фиг.2.

Таблица содержит 20 больших клеток по горизонтали и 12 больших клеток по вертикали. Геометрический центр таблицы отмечен точкой «О». Слева от центра «О» со смещением по горизонтали на две большие клетки отмечена точка «А», а справа, также со смещением на две большие клетки - точка «В». Со смещением вертикально вниз относительно центра «О» на четыре большие клетки на таблице отмечена точка «С». Левая большая таблица отмечена горизонтальными клиновидными реперами, а правая большая таблица - вертикальными клиновидными реперами. Размер одной большой клетки по горизонтали и вертикали принят равным одной четвертой величины базового разнесения по горизонтали оптических осей телевизионных камер. Предположим, что величина указанного базового расстояния составляет 68 мм, тогда размер клетки - (17×17) мм.

Две малые таблицы (левая и правая), ограниченные ромбовидными реперами, расположены симметрично относительно геометрического центра «О». Каждая из этих таблиц содержит 8 малых клеток по горизонтали и 6 малых клеток по вертикали. Размеры малой клетки вдвое меньше соответствующих размеров большой клетки, т.е. в нашем примере они составляют (8,5×8,5) мм.

В заявляемом решении телевизионные камеры 2 и 3 должны быть синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы горизонтальной и вертикальной разверток по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника. На фиг.1 режим Genlock обеспечивается путем подачи на вход внешней синхронизации камеры 3 ССП от камеры 2.

Предположим, что в качестве телевизионной камеры 2 использован камерный модуль VNI-702, выпускаемый ЗАО "ЭВС" (г.С.-Петербург), а фокусное расстояние объектива составляет 30 мм. Фотоприемником этого модуля служит матрица ПЗС с числом элементов 768(Н)×576(V) размером мишени 1/2 дюйма или (6,4×4,8) мм при формате 4/3. Поэтому эксплуатационное значение углового поля зрения первой телевизионной камеры составляет 12(Н)×7,8(V) град.

Пусть в качестве телевизионной камеры 3 использован тот же камерный модуль, но фокусное объектива составляет 120 мм. Тогда эксплуатационное значение углового поля зрения второй телевизионной камеры составит 3(Н)×2(V) град.

В заявляемом решении в качестве видеомонитора 5 целесообразно использовать монитор с преобразователем «сигнал - свет», выполненным на базе жидкокристаллического экрана, в котором по сравнению с кинескопом на электронно-лучевой трубке отсутствуют координатные искажения растра.

В качестве лазерного целеуказателя 6 может быть применен лазерный модуль KLM-650/5 от фирмы «ФТИ-Оптроник» (г.С.-Петербург), который обеспечивает длину волны лазерного излучения 650 нм, начальный диаметр пучка излучения не более 3,4 мм и мощность лазерного излучения не менее 5 мВт.

Канал 8 предназначен для задания направления лазерного излучения от целеуказателя 6. Канал 8 может быть выполнен в виде «канавки» в основании 9 телевизионной системы методом точного фрезерования.

Генератор 7 предназначен для формирования электрического сигнала «центральный крест». Размер «креста» по вертикали и горизонтали занимает соответственно всю высоту и ширину экрана монитора. Входным сигналом для генератора 7 является полный телевизионный сигнал с выхода коммутатора видеосигналов 4 размахом (1±0,2) В на нагрузке (75±3,75) Ом.

На выходе генератора 7, на нагрузке (75±3,75) Ом, вырабатывается полный телевизионный сигнал размахом (1±0,2) В суммарного изображения, составляющими которого являются входной видеосигнал и сигнал «центральный крест». Формирование второго сигнала предпочтительно выполнить путем замещения соответствующего по координате первого сигнала. Схемное решение генератора 7 может быть выполнено на базе известного на российском рынке процессора PIC16F873-201/SP.

Устройство для юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы (см. фиг.1) работает следующим образом.

Телевизионные камеры 2 и 3 работают одновременно в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной разверток от сигнала синхронизации приемника камеры 2.

Коммутатор видеосигналов 4 по внешней команде подает на вход генератора 7 полный телевизионный сигнал от телевизионной камеры 2 или от телевизионной камеры 3. В генераторе 7 в видеосигнал добавляется маркерный сигнал «центральный крест». Суммарный сигнал изображения воспроизводится на видеомониторе 5.

Сначала ориентируют положение отражательной таблицы 1 так, чтобы при взгляде на нее регулировщик мог зафиксировать пятно от лазерного целеуказателя в точке «С».

Затем приступают к анализу телевизионных изображений. Предположим, что на выход телевизионной системы коммутируется видеосигнал от первой телевизионной камеры 2.

Плавно регулируя в небольших пределах «вперед - назад» положение отражательной таблицы 1, вписывают по реперам в растр фотоприемника изображение ее большой правой таблицы (см. фиг.3). Размеры вписанной области составляют 16(H)×12(V) больших клеток. Формат этой области 4/3, а ее геометрический центр совпадает с точкой «В» на таблице 1.

Затем при помощи предусмотренных в конструкции телевизионной камеры 2 регулировок механизма 11 углового перемещения направления оптической оси «широкоугольной» камеры 2 добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра телевизионного изображения «В» отражательной таблицы 1 с геометрическим центром электронного креста.

Далее, не меняя пространственного положения отражательной таблицы 1, коммутируют на выход телевизионной системы сигнал изображения от второй телевизионной камеры 3. При этом экране видеомонитора 5 должно наблюдаться изображение малой левой таблицы с центром в точке «А» и ограниченной ромбовидными реперами (см. фиг.4). Формат этой области - 4/3, а число малых клеток наблюдаемого телевизионного изображения составляет 8(H)×6(V). Затем аналогично, используя регулировки механизма 12 углового перемещения направления оптической оси «узкоугольной» камеры 3, добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра «А» с геометрическим центром электронного креста.

Юстировку направления визирования телевизионной системы считают выполненной, если при коммутации телевизионных изображений центры «А» и «В» отражательной таблицы в них последовательно совпадают с центром электронного маркера, а проекция лазерного зонда сохраняется в точке «С».

Проведем инженерную оценку технического результата предлагаемого изобретения.

При совмещении центров таблицы «А» и «В» с электронным центром точность направления визирной оси телевизионной системы определяется толщиной электронного маркера по горизонтали и вертикали, которая составляет 2 элемента разложения по каждому направлению.

Для углового поля зрения «широкоугольной» камеры 2 по горизонтали, составляющего 12 угловых градусов, и применяемого фотоприемника с числом элементов в строке 768 это обеспечивает следующую величину погрешности (Δ) в непараллельности визирования:

Δ=(12/768×2×π/180×1000) мрад.

В результате получаем величину ошибки направления визирования 0,54 мрад.

Очевидно, что для «узкоугольной» камеры, для которой угловое поле зрения составляет 3 угловых градуса, величина погрешности (Δ) при выполненной юстировке направления визирования будет в четыре раза меньше, т.е. около 0,14 мрад.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства для юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Цыцулин А.К. Телевидение и космос. Санкт-Петербург, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.

Изобретение относится к телевизионной технике, а именно к аппаратуре прикладного телевидения, используемой в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов. Технический результат заключается в повышении точности регулировки направления визирной оси телевизионной системы. Технический результат достигается тем, что юстировка осуществляется в синхронизированных по частоте и фазе телевизионных камерах и выполняется с использованием отражательной таблицы «сетчатое поле», параметры которой учитывают базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер, а также фиксированные и разные по величине значения фокусных расстояний объективов; при помощи лазерного целеуказателя, излучение зонда которого производится в направлении узловой точки на вертикальной оси симметрии упомянутой отражательной таблице через канал, выполненный в основании телевизионной камеры; при помощи механизмов углового перемещения направления оптической оси для каждой из телевизионных камер и при помощи маркерного сигнала «центральный крест». 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, содержащее установленные на основании телевизионной системы первую («широкоугольную») телевизионную камеру, вторую («узкоугольную») телевизионную камеру, геометрические центры фотоприемников которых совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, коммутатор видеосигналов и видеомонитор, при этом выходы первой и второй телевизионных камер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов, отличающееся тем, что в него введены генератор электрического сигнала «центральный крест» и последовательно расположенные и оптически связанные лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости и перпендикулярном плоскости изображения телевизионной системы, а пятно лазерного зонда находится в узловой точке на вертикальной оси симметрии отражательной таблицы «сетчатое поле», каждая из телевизионных камер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, вход генератора электрического сигнала «центральный крест» подключен к выходу коммутатора видеосигналов, а выход - к входу видеомонитора, причем базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер кратно размеру клетки отражательной таблицы «сетчатое поле», проекции геометрических центров фотоприемников находятся в узловых точках отражательной таблицы «сетчатое поле», а частота и фаза кадровой и строчной разверток первой и второй телевизионных камер «привязаны» по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника.2. Устройство для юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы по п.1, отличающееся тем, что отражательная таблица содержит две большие (левую и правую) перекрывающиеся таблицы «сетчатое поле», ограниченные реперами и смещенные по горизонтали относительно друг друга на величину базового разнесения геометрических центров фотоприемников, которое кратно размерам клетки большой таблицы, а также две малые таблицы «сетчатое поле» (левую и правую), ограниченные реперами и расположенные симметрично относительно геометрического центра тест-таблицы, причем для каждой большой и малой таблицы отношение ширины к высоте равно формату фотоприемника, размеры клетки большой таблицы кратны с коэффициентом k размерам клетки малой таблицы, число клеток М по горизонтали для каждой большой таблицы определяется по соотношению

M=m×1/k×f₂/f₁,

а число клеток N по вертикали - по соотношению

N=n×1/k×f₂/f₁,

где m и n - соответствующее число клеток по горизонтали и вертикали для каждой малой таблицы, k - коэффициент кратности клеток, f₁ и f₂ - фокусные расстояния для первой и второй телевизионных камер.