СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2010 года по МПК G01S17/50 G01S17/58 

Изобретение относится к оптической и оптико-электронной технике и может быть использовано для регистрации движущихся точечных и малоразмерных объектов, например искусственных и естественных небесных тел.

Известны способы регистрации движущихся объектов, заключающиеся в формировании оптического изображения движущихся объектов на светочувствительной поверхности приемника излучения, экспонировании (например, за счет срабатывания створчатого затвора) в течение выбранного временного интервала и привязке к системе единого времени начала и конца экспонирования. Последующее измерение координат начала и конца следа, оставленного изображением объекта на светочувствительной поверхности, позволяет получать траекторию объекта с привязкой ко времени [1]. Из-за обмера на траектории всего двух точек точность регистрации невысока. Кроме того, при вхождении объекта в кадр после начала экспонирования, либо при выходе объекта из кадра до окончания экспонирования, получить траекторию объекта невозможно, т.к. на следе остается только одна точка, привязанная ко времени.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ регистрации движущихся объектов, заключающийся в многократном прерывании потока излучения при экспонировании и преобразовании потока в периодическую последовательность световых импульсов равной длительности и равного периода следования (например, за счет срабатывания обтюраторного затвора). Световые импульсы равной длительности обеспечивают формирование на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде равновеликих штрихов, разделенных равновеликими пробелами. Привязка к системе единого времени начала и конца каждого светового импульса и измерение координат начала и конца каждого штриха позволяет повысить точность регистрации траекторий объектов, в том числе и объектов, начало или конец следа которых не укладывается в кадр [2]. Но при отсутствии информации о направлении движения объекта, а также в случае, когда объект пересекает кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования, определение траектории становится невозможным.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа регистрации движущихся объектов.

Технический результат - возможность регистрации объектов с заранее неизвестными направлениями движения и объектов, пересекающих кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования.

Это достигается тем, что в способе регистрации движущихся объектов, заключающемся в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха, в отличие от известного, устанавливают продолжительность периода следования импульсов пропорциональной текущему времени.

При этом либо длительность импульса излучения в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность паузы постоянна, либо длительность паузы в каждом периоде следования импульсов, пропорциональна текущему времени, а длительность импульса излучения - постоянна.

На фиг.1 приведена временная диаграмма формирования световых импульсов, на фиг.2 представлены изображения траекторий трех подвижных точечных объектов на светочувствительной поверхности, на фиг.3 приведена временная диаграмма световых импульсов, сформированных этими объектами в процессе экспонирования. На чертежах обозначено: Е_им - амплитуда светового импульса при экспонировании, t - текущее время, Т^н _эк - начало процесса экспонирования, Т^к _эк - конец процесса экспонирования, Т_эк - общая продолжительность процесса экспонирования, t¹ _им - длительность первого светового импульса, t² _им - длительность второго светового импульса, t^N-1 _им - длительность (N-l)-го светового импульса, t^N _им - длительность N-го светового импульса, t_п - длительность паузы; хоу - система координат с началом в верхнем левом углу кадра, 1 - траектория объекта, входящего в кадр после начала процесса экспонирования (после момента Т^н _эк); 2 - траектория объекта, выходящего из кадра до окончания процесса экспонирования (до момента Т^к _эк); 3 - траектория объекта, пересекающего кадр за время, меньшее Т_эк (входящего в кадр после момента Т^н _эк и выходящего из кадра до момента Т^к _эк); x₁, y₁, х₂, y₂, x₃, y₃, x₄, y₄ - линейные координаты в кадре начальных и конечных точек штрихов, зарегистрированных на светочувствительной поверхности; Т¹ _эк; Т² _эк; Т³ _эк - продолжительности экспонирования 1-го, 2-го и 3-го объектов; t₁, t₂, t₃, t₄, - моменты привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.

Для независимой привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени длительность каждого светового импульса при постоянной паузе устанавливают пропорциональной текущему времени, например, следующим образом.

Назначают длительность i-го светового импульса (продолжительность экспонирования в i-м периоде)

где t° - постоянная составляющая светового импульса, остающаяся неизменной в каждом периоде,

Δt - временной дискрет, характеризующий увеличение длительности импульса данного периода по сравнению с предыдущим,

* - знак операции умножения.

Длительность импульса в 1-м периоде будет равна Для последующих периодов

Назначают длительность паузы постоянной и для всех периодов следования импульсов и равной t_п.

Эта последовательность импульсов с нарастающей длительностью и с постоянной паузой показана на фиг.1. Общая продолжительность процесса экспонирования Т_эк представляется зависимостью

где N - количество периодов.

В соответствии с приведенной зависимостью, а также с учетом технических характеристик объектива и приемника излучения выбирают конкретную реализацию процесса регистрации движущихся объектов.

Например, регистрации подлежат точечные объекты, средняя видимая угловая скорость которых составляет ω=2 угл. рад./с. Изображения объектов формируются на светочувствительной поверхности размером 10×10 мм при помощи объектива с фокусным расстоянием f=500 мм. Качество объектива обеспечивает кружок рассеяния d_кр=0,03 мм. Общая продолжительность процесса экспонирования Т_эк≈0,5 с. Многократное прерывание светового потока в процессе экспонирования осуществляется при помощи быстродействующего электромеханического затвора.

При выбранных ранее соотношениях для длительности импульса и длительности паузы t_п постоянную составляющую назначают такой, чтобы за время t⁰ изображение объекта оставляло на светочувствительной поверхности штрих длиной L⁰, позволяющей произвести его точный обмер. Т.к. ширина штриха составит d_кр, то его минимальная длина должна быть в несколько, например, в 4…6 раз больше, т.е. L⁰=0,12-0,18 мм.

Учитывая, что средняя линейная скорость изображения объекта V=f*tg(ω)=500*tg(2)=17,5 мм/с, назначают t⁰=L⁰/V=0,01 с. Для паузы выбирают такое же значение, т.е. t_п=0,01 с. Величину временного дискрета выбирают такой, чтобы обеспечивалась надежная идентификация каждого штриха по приращению его длины. Для этого назначают, например, значение Δt в 5 раз меньшее, чем t⁰, т.е. At=0,002 с.

Тогда и т.д.

Так как t_п=t⁰=0,01 с, то расстояние, которое проходит изображение объекта во время паузы, т.е. величина пробелов между штрихами L_п, а также расстояние, которое проходит изображение объекта за время t⁰, будут равны L_п=L⁰=0.01*V=0,175 мм. Расстояние, проходимое за время At, будет равно ΔL=0.002*V=0,035 мм.

Соответственно длина 1-го штриха составит 2-го штриха составит L²=0,245 мм, 3-го штриха составит L³=0,280 мм и т.д.

Если ориентироваться на заданную продолжительность процесса экспонирования Т_эк=0,5 с, то после подстановки в выражение (2) значений , t_п Δt находят, что в заданную продолжительность «вкладываются» 14,41 периодов экспонирования, т.е. полных периодов будет N=14. Максимальная длительность светового импульса в последнем (14-м) периоде составит t¹⁴ _нм=0,01+14*0,002=0,038 с. Длина последнего (14-го) штриха при линейной скорости изображения объекта 17,5 мм/с составит L¹⁴=0,665 мм. Уточненное значение продолжительности процесса экспонирования составит Т_эк=0,486 с.

Отметим, что приведенные геометрические характеристики прерывистого следа соответствуют объекту, движущемуся с угловой скоростью 2 угл. град./с. Для объектов с другими угловыми скоростями эти характеристики будут другими.

Неизвестный объект может входить в кадр после начала процесса экспонирования. Этот случай изображен на фиг.2 (траектория 1) и фиг.3 (временная диаграмма а). Движущийся объект 1 экспонируется в течение времени т¹ _эк и на фотоприемник попадает 4 полных световых импульса. В результате регистрируется конечная часть траектории (4 полных штриха), что позволяет определить скорость, направление движения и траекторию объекта. Подобная информация получается по неизвестному объекту, выходящему из кадра до окончания процесса экспонирования (фиг.2, траектория 2 и фиг.3, диаграмма б). За время экспонирования Т² _эк на фотоприемник попадает восемь полных световых импульсов и соответственно начальная часть зарегистрированной траектории содержит 8 полных штрихов, достаточных для определения скорости, направления движения и траектории объекта.

Благодаря тому, что каждый штрих привязан к системе единого времени автономно, предлагаемый способ позволяет определять траекторию всего лишь по двум полным штрихам. Рассмотрим более подробно траекторию 3. За время экспонирования Т³ _эк на фотоприемник попадает два полных световых импульса. На траектории регистрируются координаты четырех точек, являющихся началами и окончаниями двух полных штрихов. Какая-либо априорная информация скорости и направлении движения объекта, а также о времени входа и выхода из кадра отсутствует.

После измерения линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов, получают

X₁=9,764 мм, y₁=0,681 мм,

х₂=9,293 мм, у₂=0,461 мм,

х₃=9,057 мм, у₃=0,351 мм,

х₄=8,539 мм, у₄=0,109 мм.

По измеренным координатам находят длину первого зарегистрированного штриха

L_рег1=[(x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²]^1/2=[(9,764-9,293)²+(0,681-0,461)²]^1/2=0,519 мм

По этим же координатам находят длину пробела между штрихами, т.е. расстояние L_п, которое проходит изображение объекта за время паузы t_п, а также расстояние L⁰, которое проходит изображение объекта за время t⁰

L_п=L₀=[(x₂-x₃)²+(y₂-y₃)²]^1/2=[(9,293-9,057)²+(0,461-0,351)²]^1/2=0,26l мм.

Соответственно находят ΔL=L_п/5=0,052 мм.

Для нахождения неизвестного номера периода n₁, соответствующего первому зарегистрированному штриху, с учетом соотношений (1) и (2) из полученных значений составляют уравнение

L_рег1=L⁰+n₁*ΔL=0,261+n₁*0,052=0,519 мм; откуда n₁=4,961.

Так как истинное значение n₁ всегда является целочисленным, то принимают n₁=5. Аналогичные вычисления выполняют для второго штриха

L_рег2=[(х₃-х₄)²+(у₃-у₄)²]^1/2=[(9,057-8,539)²+(0,351-0,109)²]^1/2=0,572 мм

L_рег2=L⁰+n₂*ΔL=0,261+n₂*0,052=0,572 мм; откуда n₂=5,975=6.

Таким образом, изображение неизвестного объекта движется в кадре справа налево с линейной скоростью V_н=L_п/t_п=0,261/0,01=26,1 мм/с. Угловая скорость неизвестного объекта составляет ω=arctg(V_н/f)=2,98 угл. гр./с.

По вычисленным n₁ и n₂ привязывают линейные координаты начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.

t₁=Т^н _эк+t¹ _им+t_п+t² _им+t_п+t³ _им+t_п+t⁴ _им+t_п=Т^н _эк+4*t⁰+4*t_п+10*Δt=Т^н _эк+0,1 с;

t₂=t₁+t⁰+5*Δt=T^н _эк+0,1+0,01+5*0,002=Т^н _эк+0,12 с;

t₃=t₂+t_п=T^н _эк+0,12+0,01=Т^н _эк+0,13 с;

t₄=t₃+t⁰+6*Δt=T^н _эк+0,13+0,01+6*0,002=Т^н _эк+0,152 с.

Таким образом, многократное прерывание потока излучения при экспонировании, то есть преобразование потока в периодическую последовательность световых импульсов, длительность которых и соответственно период следования пропорционален текущему времени, привязывание ко времени начала и конца каждого импульса, формирования на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде штрихов и пробелов и измерения координат начала и конца каждого штриха позволяет регистрировать все попадающие в кадр движущиеся объекты, в том числе объекты, пересекающие кадр за время меньшее продолжительности экспонирования и объекты с неизвестными направлениями движения, что значительно расширяет точность и достоверность регистрации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Быков О.П. Первое фотографическое наблюдение ИСЗ в СССР. Международная конференция «Околоземная астрономия», п.Терскол, 2007, Тезисы, стр.4.

2. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. - М.: Недра, 1986, стр.52-66, рис.15.

Способ заключается в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха. Продолжительность периода следования импульсов устанавливают пропорциональной текущему времени. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа регистрации движущихся объектов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регистрации движущихся объектов, заключающийся в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха, отличающийся тем, что устанавливают продолжительность периода следования импульсов пропорциональной текущему времени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса излучения в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность паузы - постоянна.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность паузы в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность импульса излучения - постоянна.