СПОСОБ КРУГОВОГО ОБЗОРА МАТРИЧНЫМ ФОТОПРИЕМНЫМ УСТРОЙСТВОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01S17/88 G02B23/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности, к способам формирования электронного изображения окружающего пространства при его круговом сканировании оптическими системами с фотоприемными устройствами (ФПУ) и может быть использовано при создании сканирующих устройств кругового обзора в системах обнаружения и распознавания объектов. Возможная реализация предлагаемого способа представлена в устройстве кругового обзора, приведенном в настоящем изобретении.

Изобретение основано на формировании кадров электронного изображения с помощью матричного ФПУ (МФПУ) при сканировании окружающего пространства с постоянной угловой скоростью с компенсированием смещения оптического изображения в фокальной плоскости объектива вращением оптического элемента - оптической призмы.

В системах кругового обзора (СКО) с непрерывным сканированием используются многоэлементные фотоприемные линейки, обеспечивающие формирование панорамного электронного изображения при постоянной скорости сканирования (патент US №4221966, заявлено 05.03.1979 г., опубликовано 09.09.1980 г.). В этой системе на вращающейся по азимуту платформе с приводом вращения и датчиком углового положения установлена оптическая система - зеркальный объектив с корректирующей линзой. В фокальной плоскости объектива установлено многоэлементное ФПУ в виде линейки фоточувствительных элементов. Привод платформы подключен к блоку управления, а ФПУ - к процессорному блоку с дисплеем. Управление СКО осуществляют компьютерной системой команд и управления.

Известна СКО с непрерывным сканированием (патент RU №2189049, заявлено 03.10.2001 г, опубликовано 10.09.2002 г.), в которой применено два оптических канала, установленных на вращающейся платформе с приводом и датчиком углового положения. Оптические каналы последовательно переключаются на фоточувствительную линейку оптическим переключателем. Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности наблюдения СКО за счет увеличения поля оперативного систематического обзора по вертикали при обеспечении минимальных потерь времени наблюдения всего поля обзора, затраченного на переключение зон обзора.

Недостатком способов кругового обзора с применением ФПУ на линейках является малое время экспонирования (как правило, равное 64 мкс - стандартное время одной телевизионной строки), что требует для получения качественного изображения высокого уровня освещенности на местности.

Матричные ФПУ (МФПУ) имеют существенно большее время экспонирования - время кадра, что позволяет вести обнаружение объектов при освещенности на местности в единицы люкс. Применение МФПУ в системах кругового обзора сдерживается необходимостью фиксирования изображения внешней обстановки на матрице ФПУ на время кадра (для стандартной телевизионной кадровой развертки 40 мс). Чтобы не потерять качество телевизионного изображения, смещение оптического изображения на МФПУ за время кадра не должно превышать размера телевизионной строки.

Известно применение телекамер с МФПУ и импульсной лазерной подсветкой для наблюдения объектов (патент RU №2263931, заявлено 13.07.2004 г, опубликовано 10.11.2005 г.). В этом устройстве импульсная подсветка играет роль фотозатвора, высвечивая внешнюю обстановку на время, равное или меньшее времени считывания элементов строки (для стандартного телевизионного сигнала 64 мкс), что уменьшает размазывание изображения окружающего пространства на матрице ФПУ при сканировании.

Недостатки этого способа состоят в высокой вероятности самообнаружения и необходимости достаточно высокой мощности импульсной подсветки при дальнем обнаружении объектов.

Известна система кругового обзора, в которой проблемы обнаружения и распознавания объектов при круговом обзоре на больших дальностях решается путем комбинированного использования множества неподвижных широкопольных оптических систем с МФПУ и узкопольной оптической системы с МФПУ с азимутальным приводом (патент RU №2356063, заявлено 27.11.2007 г., опубликовано 20.05.2009 г.). Поля обзора широкопольных оптических систем перекрывают сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков, а узкопольная оптическая система позволяет распознать объект на больших дальностях.

Недостаток этого способа состоит в громоздкости системы кругового обзора. Для обнаружения объектов бронетанковой техники на расстояниях до 5 км оптимальное поле зрения оптической системы должно быть в пределах 10 градусов, а это значит, что число оптических каналов при круговом обзоре должно быть не менее 36. Для уменьшения оптических каналов требуется существенное увеличение поля зрения, что неизбежно ведет к соответствующему уменьшению дальности обнаружения объектов. Дополнительный оптический канал с приводом еще более усложняет конструкцию изделия.

Целью предлагаемого способа является получение качественных видеокадров с помощью МФПУ при круговом обзоре окружающего пространства с постоянной скоростью сканирования.

В предлагаемом способе кругового обзора при постоянной угловой скорости сканирования окружающего пространства вышеперечисленные недостатки устраняют путем компенсации бега оптического изображения по фоточувствительной поверхности МФПУ. Компенсацию осуществляют вращением оптической преломляющей призмы, которую размещают в сходящихся лучах оптической системы перед МФПУ.

Для полной компенсации бега оптического изображения по МФПУ скорость вращения призмы, число ее граней, поле зрения оптической системы и скорость сканирования должны быть жестко связаны соотношением

ω_п=2π·ω_ск/β·N,

где ω_п - угловая скорость преломляющей призмы;

ω_ск - угловая скорость сканирования;

β - азимутальное поле зрения МФПУ;

N - число граней преломляющей призмы.

Например, скорость сканирования оптической системой с полем зрения 6° при условии отсутствия разрывов изображения между кадрами равна 150°/с. В соответствии с формулой скорость четырехгранной призмы при этом условии должна быть 1125°/с=3,125 об/с.

Расчеты показывают, что время фиксации кадра составляет примерно одну треть от всего времени кадра, т.е. примерно 13 мс для стандартных телекамер с МФПУ (в остальное время - 27 мс - происходит переброс оптического изображения на следующий кадр). Это время более чем в 200 раз превышает стандартное время экспонирования линейкой ФПУ или МФПУ с подсветкой объектов лазерным излучателем (64 мкс) и позволяет получать качественное видеоизображение при достаточно низких уровнях освещенности на местности.

Способ характеризуется следующими операциями:

- на фоточувствительной поверхности МФПУ формируют оптическое изображение окружающей обстановки;

- сканируют в азимутальной плоскости окружающую обстановку вращением оптической системы с МФПУ;

- преобразуют оптическое изображение в видеосигнал;

- вращают оптическую призму, установленную перед МФПУ, со скоростью ω_п, определяемую формулой ω_п=2π·ω_ск/β·N:

- время экспонирования МФПУ синхронизируют со временем фиксации (стояния) оптического изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ.

Устройство кругового обзора, предлагаемое для реализации предложенного способа, содержит:

- азимутальную платформу с приводом;

- оптическую систему, установленную на этой платформе;

- МФПУ, установленное в фокальной плоскости оптической системы;

- поворотную платформу с датчиком угла поворота;

- оптический компенсатор, установленный на поворотную платформу и выполненный в виде преломляющей призмы с четным числом N граней;

- мультипликатор;

- блок формирования синхроимпульсов (БФСИ).

В предлагаемом устройстве вход БФСИ соединен с выходом датчика угла, а выход - со входом кадровой синхронизации МФПУ. Кроме того, в предлагаемом устройстве ось поворотной платформы соединена с осью азимутальной платформы мультипликатором с коэффициентом передачи Км, равным Км=2π/β·N.

На фиг.1 показана структурная схема, поясняющая способ в соответствии с изобретением и устройство, реализующее предлагаемый способ. Обозначения на фиг.1:1 - оптическая система (объектив), 2 - МФПУ, 3 - азимутальная платформа, 4 - привод азимутальной платформы, 5 - оптическая призма, 6 - поворотная платформа, 7 - мультипликатор, 8 - датчик угла, 9 - блок формирования синхроимпульсов.

На фиг.2 приведены эпюры импульсов с датчика угла 8; синхроимпульсов с БФСИ 9; импульсов, задающих время экспонирования кадра МФПУ; и время экспонирования (выдержка) изображения.

Сущность изобретения поясняется следующим описанием.

Оптическая система 1 формирует оптическое изображение окружающей обстановки на фоточувствительной поверхности МФПУ 2 (фиг.1). Оптическую систему с МФПУ устанавливают на азимутальную платформу 3, которую приводят во вращение в горизонтальной плоскости приводом 4. Оптическую призму 5 устанавливают перед МФПУ на поворотной платформе 6, которую механически связывают с приводом 4 через мультипликатор 7. На оси платформы 6 закрепляют ротор датчика угла 8. Сигналы с датчика угла 8 подают на вход блока формирования синхроимпульсов (БФСИ) 9, выход которого соединяют со входом кадровых синхроимпульсов МФПУ.

При вращении азимутальной платформы 3 по фоточувствительной поверхности МФПУ 2 бежит оптическое изображение окружающей обстановки, попадающей в поле зрения оптической системы 1. Через мультипликатор 7 вращение передают поворотной платформе 6, на которой закреплена оптическая призма 5. При вращении призмы 5, которую располагают в сходящемся пучке оптической системы 1, оптическое изображение смещается в направлении, обратном бегу изображения. Коэффициент мультипликации выбирают таким образом, чтобы скорость бега изображения от сканирования и скорость смещения изображения от вращения призмы были равны друг другу и направлены в противоположные стороны. При выполнении этого условия оптическое изображение окружающей обстановки фиксируется на МФПУ и никуда не смещается. Это условие выполняется при коэффициенте мультипликации Км, равном Км=2π/β·N.

Устройство, основанное на предлагаемом способе, выполнено следующим образом.

Фоточувствительная поверхность МФПУ 2 установлена в фокальной плоскости оптической системы (фиг.1). МФПУ 2 преобразует оптическое изображение в стандартный видеосигнал, который передается потребителю (система наблюдения, обнаружения и др.). Между оптической системой 1 и МФПУ 2 установлена четырехгранная оптическая призма 5, которая закреплена на поворотной платформе 6. На оси поворотной платформы закреплен датчик угла 8, выход которого соединен со входом БФСИ 9. Выход БФСИ 9 подключен ко входу синхронизации кадровой развертки МФПУ 2. Все вышеперечисленные элементы установлены на азимутальной платформе 3. Привод азимутальной платформы 4 соединен с осью вращения азимутальной платформы 3 и через мультипликатор 7 - с осью вращения поворотной платформы 6.

Устройство работает следующим образом.

Привод 4 приводит во вращение азимутальную платформу 3 с размещенными на ней элементами (фиг.1). Одновременно через мультипликатор 7 привод 4 вращает поворотную платформу 6 с закрепленной на ней оптической призмой 5.

При определенных углах призмы 5 (в диапазоне от минус 15 до плюс 15 градусов между нормалью к плоскости призмы и визирной осью оптической системы) скорости смещения изображения от вращения оптической системы и смещения изображения от вращения призмы выравниваются. Оптическое изображение фиксируется (останавливается) на фоточувствительной поверхности МФПУ 2.

Угловое положение призмы с датчика угла 8 поступает в БФСИ, который формирует импульсы разрешения экспонирования участка окружающего пространства МФПУ 2 (фиг.2, А) и импульсы синхронизации кадровой развертки МФПУ 2 (фиг.2, Б). Электронный затвор МФПУ 2 открыт на время от импульса начала экспонирования (фиг.2, В) до импульса синхронизации кадровой развертки. Время экспонирования показано на фиг.2, Г. Таким образом, осуществляется, во-первых, синхронизация состояния электронного затвора МФПУ 2 с положением оптической призмы 5 - затвор открыт только во время фиксации оптического изображения на МФПУ; во-вторых, синхронизация кадровой развертки со сканированием окружающего пространства.

Устройство содержит азимутальную платформу с приводом и блоком управления приводом, оптическую систему и МФПУ. Оптическая система установлена на азимутальной платформе. МФПУ установлен в фокальной плоскости оптической системы. Оптический компенсатор установлен перед МФПУ на поворотной платформе с датчиком угла поворота и выполнен в виде преломляющей призмы с четным числом N граней. Вход блока формирования синхросигналов соединен с датчиком угла, а выход - со входом кадровой синхронизации МФПУ. Ось поворотной платформы соединена с осью азимутальной платформы мультипликатором с коэффициентом передачи Км, равным Км=2π/β·N. Технический результат - получение качественных видеокадров с помощью МФПУ при круговом обзоре окружающего пространства с постоянной скоростью сканирования. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством (МФПУ), включающий формирование оптической системой изображения окружающей обстановки на фоточувствительной поверхности МФПУ, круговое вращение оптической системы с МФПУ, отличающийся тем, что, с целью получения четкого видеоизображения с МФПУ, бег изображения при сканировании на время экспонирования МФПУ компенсируют вращением многогранной преломляющей призмы, причем угловая скорость преломляющей призмы ω_п с числом граней N, скорость вращения оптической системы с ФПУ ω_ск и поле зрения β одного кадра МФПУ связаны соотношением:
ω_п=2π·ω_ск/β·N,
ω_п - угловая скорость преломляющей призмы;
ω_ск - угловая скорость сканирования;
β - азимутальное поле зрения МФПУ;
N - число граней преломляющей призмы.

2. Устройство кругового сканирования, содержащее азимутальную платформу с приводом и блоком управления приводом, оптическую систему, установленную на этой платформе, и МФПУ, установленное в фокальной плоскости оптической системы, отличающееся тем, что, с целью получения качественного электронного изображения с МФПУ при постоянной скорости сканирования окружающего пространства, в него введены поворотная платформа с датчиком угла поворота, оптический компенсатор, установленный перед МФПУ на поворотной платформе и выполненный в виде преломляющей призмы с четным числом N граней, и блок формирования синхросигналов, вход которого соединен с датчиком угла, а выход - со входом кадровой синхронизации МФПУ, при этом ось поворотной платформы соединена с осью азимутальной платформы мультипликатором с коэффициентом передачи Км, равным Kм=2π/β·N.