АППАРАТУРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПРОСТРАНСТВОМ НА ФОНЕ ЯРКОГО УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА Российский патент 2009 года по МПК G01S17/06 

Изобретение относится к устройствам для выявления объектов на участке пространства на фоне яркого удаленного источника света, например, против Солнца.

Проблема наблюдения за пространством против Солнца с помощью аппаратурных средств заключается в том, что оптический тракт подвергается чрезмерно высокой освещенности, что приводит к быстрому повреждению фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы изображения.

Известны различные устройства, применяемые для защиты оптического тракта аппаратуры наблюдения за пространством, используемые в космических телескопах.

Известно, например, светозащитное устройство космического аппарата, предназначенное для защиты оптико-электронных приборов от воздействия внешних тепловых и световых потоков, состоящее из силовой рамы и створок, причем на силовой раме установлен электропривод, кинематически связанный с шарнирно закрепленной на раме дополнительной крышкой с подвижными боковыми створками, снабженными механизмом раскрытия (см. патент РФ №2089467 от 06.01.94, МПК B64G 01/22).

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не обеспечивает непрерывного наблюдения за пространством, т.к. оптический канал большую часть времени защищен от воздействия светового потока и открывается только на момент фотографирования. В результате нужная информация может быть утрачена.

Известно также светозащитное устройство космического телескопа, предназначенное для защиты космических телескопов и аппаратуры наблюдения космических аппаратов от засветок солнечным светом и для защиты отдельных элементов конструкции, содержащее тубус и экран, соединенный с приводом, при этом привод выполнен двухстепенным с осями вращения, перпендикулярными друг другу и продольной оси тубуса, а экран соединен с приводом при помощи выносного механизма, который может быть выполнен в виде раздвижной штанги или в виде нескольких шарнирно соединенных звеньев (см. патент РФ №2093872 от 28.03.94, МПК B64G 04/00, G02B 23/16).

Данное устройство может обеспечить непрерывное наблюдение на фоне Солнца, т.к. есть возможность защиты аппаратуры от засветок с помощью внешних команд, управляющих положением экрана в процессе наблюдения. Однако конструкция устройства является сложной, громоздкой, инерционной и неуместной для использования с малогабаритной наземной аппаратурой типа цифровых фото- и видеокамер для проведения непрерывных наблюдений за участком пространства в заданном телесном угле.

В качестве прототипа выбрана аппаратура видеонаблюдения, выполненная на основе стандартной цифровой видеокамеры (телекамеры), содержащая размещенные в корпусе объектив с управляемой диафрагмой и многоэлементный фотоприемник в виде ПЗС матрицы, а также дополнительное устройство защиты оптического тракта от излучения яркого удаленного источника света (Солнца или его бликов), выполненное, например, в виде защитного козырька или бленды, или светофильтра, или того и другого, и третьего вместе (см. статью «Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете» гл.5.1, автор Куликов Александр Николаевич, адрес статьи в Интернете:

http://www.master.by/article/televizionnoe_nabljudenie_pri_yarkom_solnechnom_svete.).

Управляемая диафрагма позволяет регулировать освещенность фотоприемного устройства, но не обеспечивает его защиту при прямом попадании интенсивного светового излучения в объектив. Поэтому возникает необходимость использовать указанные выше средства защиты от прямого попадания светового излучения. Однако эти приемы защиты направлены на сужение зоны обзора, т.к. вынуждают заблаговременно закрывать (или сильно затенять) участок пространства, на котором может появиться яркий источник света (Солнце), что грозит потерей информации.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритной аппаратуры наблюдения за пространством, на базе цифровой фото- и видеорегистрирующей аппаратуры, которая обеспечит надежное наблюдение в заданном телесном угле, в том числе на фоне яркого удаленного источника света (ЯУИС) без снижения обзорности, с возможностью выявления объектов на регистрируемом изображении в области ореола ЯУИС.

Поставленная задача решается следующим образом.

В аппаратуре для наблюдения за пространством на фоне яркого удаленного источника света, содержащей объектив с управляемой диафрагмой и многоэлементный фотоприемник, размещенные в корпусе оптического тракта регистрации изображения, а также устройство защиты оптического тракта от излучения яркого удаленного источника света, согласно изобретению, аппаратура снабжена внешним корпусом, на нижнем основании которого закреплен корпус оптического тракта регистрации изображения, а устройство защиты оптического тракта, размещенное в полости внешнего корпуса, состоит из светонепроницаемого малоразмерного по отношению к объективу экрана в форме диска с диаметральным сквозным резьбовым отверстием и механизма перемещения светонепроницаемого экрана относительно объектива, при этом механизм перемещения экрана содержит первый и второй шаговые электродвигатели. Вал с резьбой первого шагового электродвигателя взаимодействует с диаметральным сквозным резьбовым отверстием светонепроницаемого экрана по типу подвижного соединения винт - гайка, и параллельно указанному валу зафиксирован относительно корпуса первого шагового электродвигателя стержень для стопорения поворота светонепроницаемого экрана при перемещении его вдоль по валу, сам корпус первого шагового электродвигателя зафиксирован на плоской планке, выполненной с возможностью поворота на двухкоординатном шарнире в плоскости, параллельной основанию внешнего корпуса аппарата, под воздействием второго шагового электродвигателя, при этом корпус второго шагового электродвигателя и двухкоординатный шарнир зафиксированы на верхнем основании внешнего корпуса. Первый и второй шаговые электродвигатели соединены с выходами электронного блока управления устройством защиты оптического тракта, подключенного к сигнальному выходу блока многоэлементного фотоприемника и к управляющему входу диафрагмы объектива.

Технический результат заключается в экранировании прямых плоскопараллельных и части рассеянных в атмосфере лучей от ЯУИС (Солнца) не только диафрагмой объектива оптической системы, но и малоразмерным легкоуправляемым экраном, размещаемым перед объективом и автоматически выставляемым по двум координатам на направление ЯУИС по командам электронного блока управления устройством защиты оптического тракта.

Плоская планка может быть выполнена в виде удлиненной прочной пластины, на одном конце которой закреплен первый шаговый электродвигатель, а на противоположном конце выполнена Г-образная вилка, в которую входит штифт, закрепленный в гайке, навинченной на вал второго шагового электродвигателя и опирающейся на боковую стенку внешнего корпуса аппарата.

Внешний корпус аппарата выполнен разъемным, состоящим из нижнего основания и закрепленного на нем коробчатого кожуха с верхним основанием, при этом в боковой грани коробчатого кожуха, обращенной к объективу, выполнено входное оптическое окно.

На фиг.1 показан вид сбоку заявляемой аппаратуры (разрез А-А фиг.2). На фиг.2 показан вид сверху на заявляемую аппаратуру (разрез Б-Б, фиг.1). На фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема соединений.

Во внешнем корпусе 1 размещены оптический тракт регистрации изображения, состоящий из собственного корпуса 2, объектива 3, регулируемой диафрагмы 4 и многоэлементного фотоприемника 5, светонепроницаемый малоразмерный экран 6 с диаметральным сквозным резьбовым отверстием, первый шаговый электродвигатель 7, второй шаговый электродвигатель 8. Корпус 2 оптического тракта регистрации зафиксирован на нижнем основании 9 внешнего корпуса 1. Светонепроницаемый малоразмерный экран 6 установлен на валу с резьбой 10 первого шагового электродвигателя 7 и взаимодействует с ним по принципу винт - гайка, т.е. может перемещаться вдоль вала 10 при его вращении, опираясь на стержень 11, препятствующий повороту экрана 6. Шаговый электродвигатель 7 зафиксирован на конце плоской планки 12 посредством держателя 13. Сама планка 12 установлена на двухкоординатный шарнир 14, зафиксированный на верхнем основании 15 внешнего корпуса 1. На этом же основании 15 крепится второй шаговый электродвигатель 8 посредством держателя 16, охватывающего его боковую поверхность. На противоположном конце плоской планки 12 выполнена вилка 17, в которую входит штифт 18, закрепленный в гайке 19, навинченной на вал 20 второго шагового электродвигателя 8 и опирающейся на корпус 1 (фиг.2). Боковая грань корпуса 1, обращенная к объективу 3, выполнена из светопрозрачного материала и представляет собой входное оптическое окно 21. Аппаратура содержит электронный блок управления 22 устройством защиты оптического тракта, который может быть размещен как внутри внешнего корпуса 1, так и вне корпуса 1 (на фиг.1, 2 не приведен). Выходы блока 22 электрически соединены с управляющими и питающими входами шаговых электродвигателей 7 и 8 и с управляющим входом диафрагмы 4 объектива 3, а вход блока 22 подключен к сигнальному выходу многоэлементного фотоприемника 5 (фиг.3).

Работа аппаратуры осуществляется следующим образом. Электронный блок 22 управления устройством защиты оптического тракта автоматически обрабатывает цифровое видеоизображение, поступающее от многоэлементного фотоприемника 5, определяя превышение максимума динамического диапазона чувствительности (м.д.д.ч.) многоэлементного фотоприемника 5 и анализируя пороговый сигнал. При превышении м.д.д.ч. блок 22 локализует область засветки фотоприемника 5 ЯУИС, определяя ее координаты и размеры. Полученные данные используются для определения угловых координат положения ЯУИС и степени его затенения, после чего вырабатываются управляющие сигналы, подаваемые на соответствующие входы первого и второго шаговых электродвигателей 7 и 8, а также управляемой диафрагмы 4 объектива 3.

После получения управляющего сигнала от блока 22 второй шаговый электродвигатель 8 поворачивает планку 12 вместе с закрепленным на ней первым шаговым электродвигателем 7 на соответствующий угол в плоскости, параллельной нижнему основанию 9 внешнего корпуса 1. Поворот планки 12 происходит посредством перемещения штифта 18 в пазе вилки 17 гайкой 19, поступательно перемещаемой по принципу винт - гайка шаговым электродвигателем 8 вдоль его вала 20. Гайка 19 в процессе перемещения опирается на плоскую боковую поверхность внешнего корпуса 1. Поворот планки 12 осуществляется относительно оси двухкоординатного шарнира 14. При этом происходит горизонтальное ориентирование экрана 6, установленного на валу 10 шагового электродвигателя 7. Одновременно с этим первый шаговый электродвигатель 7 перемещает экран 6 вдоль своего вала 10 в соответствующее положение, обеспечивая его вертикальное ориентирование. Перемещение экрана 6 осуществляется за счет его навинчивания или свинчивания по резьбе вала 10 (в зависимости от заданного направления вращения шагового электродвигателя 7), при этом экран постоянно в процессе продольного перемещения опирается на стержень 11, препятствующий его провороту.

После установки экрана 6 в направлении на ЯУИС шаговый электродвигатель 7 ориентирует плоскость экрана 6 относительно фокальной плоскости объектива на соответствующий угол по сигналу от блока 21, посредством его поворота на оси вала двигателя, при этом экран выходит из соприкосновения со стержнем 11. Данная операция необходима для выравнивания размеров области затенения фотоприемника 5 с размерами области ореола ЯУИС, проецируемой на фотоприемник объективом 3.

После проведения данных операций и при неизменном положении ЯУИС превышение м.д.д.ч. не наблюдается, одновременно становится возможным наблюдение объектов на фоне ЯУИС.

При изменении положения ЯУИС в течение времени происходит вновь превышение м.д.д.ч., после чего выполняются все перечисленные операции.

Так как предполагается, что Солнце или другой экранируемый ЯУИС будет перемещаться по регистрируемому изображению пространства, а через некоторое время уйдет за его границы, то в процессе динамического отслеживания положения ЯУИС экран автоматически выведется за область обзора объектива. Кроме того, если устройство обесточивалось или в течение длительного времени (задаваемая величина) не происходило превышение м.д.д.ч., например, солнце заволокло облаками, то экран выводится за область обзора объектива по сигналам, формируемым блоком 22.

Заявляемая аппаратура выполнена на базе устройств, освоенных промышленностью, отличается малыми габаритами, удобна в использовании. Создание программного обеспечения для реализации заданного алгоритма работы блока 22 на сегодняшний день также является решаемой задачей.

Аппаратура для наблюдения за пространством на фоне яркого удаленного источника света содержит объектив с управляемой диафрагмой и многоэлементный фотоприемник, размещенные в корпусе оптического тракта регистрации изображения, а также устройство защиты оптического тракта от излучения яркого удаленного источника света. Аппаратура снабжена внешним корпусом, на нижнем основании которого закреплен корпус оптического тракта регистрации изображения. Устройство защиты оптического тракта, размещенное в полости внешнего корпуса, состоит из светонепроницаемого малоразмерного по отношению к объективу экрана в форме диска с диаметральным сквозным резьбовым отверстием и механизма перемещения светонепроницаемого малоразмерного экрана относительно объектива. При этом механизм перемещения светонепроницаемого малоразмерного экрана содержит первый и второй шаговые электродвигатели, вал с резьбой первого шагового электродвигателя взаимодействует с диаметральным сквозным резьбовым отверстием светонепроницаемого малоразмерного экрана по типу подвижного соединения винт - гайка. Параллельно указанному валу зафиксирован относительно корпуса первого шагового электродвигателя стержень для стопорения поворота светонепроницаемого малоразмерного экрана при перемещении его вдоль по валу. Сам корпус первого шагового электродвигателя зафиксирован на плоской планке, выполненной с возможностью поворота на двухкоординатном шарнире в плоскости, параллельной верхнему основанию внешнего корпуса аппарата, под воздействием второго шагового электродвигателя, корпус которого и двухкоординатный шарнир зафиксированы на верхнем основании внешнего корпуса. Причем первый и второй шаговые электродвигатели соединены с выходами электронного блока управления устройством защиты оптического тракта, подключенного к сигнальному выходу блока многоэлементного фотоприемника и управляющему входу диафрагмы объектива. Технический результат - создание малогабаритной аппаратуры наблюдения за пространством, на базе цифровой фото- и видеорегистрирующей аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аппаратура для наблюдения за пространством на фоне яркого удаленного источника света, содержащая объектив с управляемой диафрагмой и многоэлементный фотоприемник, размещенные в корпусе оптического тракта регистрации изображения, а также устройство защиты оптического тракта от излучения яркого удаленного источника света, отличающаяся тем, что аппаратура снабжена внешним корпусом, на нижнем основании которого закреплен корпус оптического тракта регистрации изображения, а устройство защиты оптического тракта, размещенное в полости внешнего корпуса, состоит из светонепроницаемого малоразмерного по отношению к объективу экрана в форме диска с диаметральным сквозным резьбовым отверстием и механизма перемещения светонепроницаемого малоразмерного экрана относительно объектива, при этом механизм перемещения светонепроницаемого малоразмерного экрана содержит первый и второй шаговые электродвигатели, вал с резьбой первого шагового электродвигателя взаимодействует с диаметральным сквозным резьбовым отверстием светонепроницаемого малоразмерного экрана по типу подвижного соединения винт - гайка, параллельно указанному валу зафиксирован относительно корпуса первого шагового электродвигателя стержень для стопорения поворота светонепроницаемого малоразмерного экрана при перемещении его вдоль по валу, а сам корпус первого шагового электродвигателя зафиксирован на плоской планке, выполненной с возможностью поворота на двухкоординатном шарнире в плоскости, параллельной верхнему основанию внешнего корпуса аппарата, под воздействием второго шагового электродвигателя, корпус которого и двухкоординатный шарнир зафиксированы на верхнем основании внешнего корпуса, причем первый и второй шаговые электродвигатели соединены с выходами электронного блока управления устройством защиты оптического тракта, подключенного к сигнальному выходу блока многоэлементного фотоприемника и управляющему входу диафрагмы объектива.

2. Аппаратура для наблюдения за пространством на фоне яркого удаленного источника света по п.1, отличающаяся тем, что плоская планка выполнена в виде удлиненной прочной пластины, на одном конце которой закреплен первый шаговый электродвигатель, а на противоположном конце выполнена Г-образная вилка, в которую входит штифт, закрепленный в гайке, навинченной на вал второго шагового электродвигателя и опирающейся на боковую стенку внешнего корпуса аппарата.

3. Аппаратура для наблюдения за пространством на фоне яркого удаленного источника света по п.1 или 2, отличающаяся тем, что внешний корпус выполнен разъемным, состоящим из нижнего основания и закрепленного на нем коробчатого кожуха с верхним основанием, при этом в боковой грани коробчатого кожуха, обращенной к объективу, выполнено входное оптическое окно.