СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛЕЙ ЗРЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G02B23/10 G02B17/08 

Предлагаемое техническое решение относится к области телевидения, а именно к способам наблюдения Земли из космоса с использованием матричной телевизионной системы для измерения ориентации визирной оси телекамеры по изображению горизонта Земли с помощью построения местной вертикали.

Задачей изобретения является создание телевизионной системы наблюдения подстилающей поверхности Земли с борта ИСЗ, позволяющей в условиях нестабильности ориентации ИСЗ осуществлять точную привязку наблюдаемого района к подспутниковой точке. В требуемой системе оптическая ось системы детального наблюдения поверхности Земли должна быть жестко совмещена с оптической осью построителя местной вертикали, и такая система должна передавать потребителю изображение подстилающей поверхности Земли с отмеченным на нем в каждом телевизионном кадре текущим положением подспутниковой точки.

Известен и широко применяется способ построения местной вертикали с зеркальным конусом и использованием четырех одноэлементных фотоприемников [Ивандиков Я.М. Оптические приборы наведения и ориентации космических аппаратов. М, Машиностроение, 1979. - 208 с, с.100], (Фиг.2). Вариант этого способа использует в фокальной плоскости не 4 одноэлементных фотоприемника, а ПЗС-матрицу (Фиг.3) [Виленчик Л.С., Кравченко А.С., Курков И.Н., Разин А.И., Розвал Я.Б. Способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ. Патент РФ 2154284, от 10.08.2000]. Этот метод обладает умеренной точностью 2…3° и формирует «обращенное изображение», то есть изображение космоса находится внутри поля зрения, а изображение Земли на периферии поля зрения. Дополнительные ошибки ориентации возникают из-за неизбежной неточности совмещения визирных осей узкоугольной телекамеры наблюдения Земли и построителя местной вертикали.

Лучшее качество изображения и точность получают при коаксиальной схеме с совмещением оптических осей узкоугольной телекамеры и широкоугольного построителя местной вертикали, использующего кольцевой отражатель [Ивандиков Я.М. Оптические приборы наведения и ориентации космических аппаратов. М., Машиностроение, 1979. - 208 с., с.102]. В этой схеме широкоугольная оптическая система располагается в слепом пятне узкоугольной системы (Фиг.4). Недостатками такого решения являются формирование «обращенного изображения» и то, что вести наблюдение с помощью одного телевизионного фотоприемника можно либо в узком, либо в широком поле зрения с переключением режима работы с помощью специального затвора.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сути является способ одновременного наблюдения в двух полях зрения при коаксиальном расположении широкоугольной системы и узкоугольной системы, выполненной по двухзеркальной схеме, когда для обеспечения возможности одновременной работы каналов широкоугольную систему размещают в слепом пятне узкоугольной системы, и используют два матричных фотоприемника (Фиг.5), [Патент РФ №2305303 «Оптико-электронная комплексированная система наблюдения и распознавания, работающая в УФ, видимой и ИК областях спектра» и его описание http://ns1.npkgoi.ru/r_1251/investigations/fractal_opt/data2/stat/2003/fo_st2.pdf].

Особенностью двухзеркальной системы по указанному способу является использование первичного выпуклого и вторичного вогнутого зеркал.

Основным недостатком последнего упомянутого способа является использование двух фотоприемных матриц, причем формируемое широкоугольное поле зрения формирует изображение во всем широком угле, а не в требуемой кольцевой зоне, содержащей изображение горизонта Земли. Кроме того, конечная точность взаимной юстировки матриц снижает точность измерения положения подспутниковой точки по изображению широкоугольной системы.

В результате, так же как во всех рассмотренных выше способах, использующих коаксиальное построение системы с двумя полями зрения, при использовании способа по Фиг.5 не удается достичь экономного построения в одной фокальной плоскости (на одной фотоприемной матрице) изображений узкого поля зрения для наблюдения подстилающей поверхности Земли и изображения горизонта Земли для измерения положения на этом изображении подспутниковой точки.

Проведенный анализ показывает, что для достижения высокой точности совмещения изображений широкого кольцевого поля зрения наблюдения горизонта Земли и узкого поля зрения наблюдения подстилающей поверхности целесообразно применить новый способ, который должен использовать коаксиальное совмещение узкоугольной и широкоугольной системы и проекцию обоих изображений на одну фотоприемную матрицу (фиг.1), причем изображение кольцевой широкоугольной зоны должно быть расположено вплотную к изображению узкоугольного канала.

Техническим результатом заявляемого способа является одновременное наблюдение в одной фокальной плоскости одной фотоприемной матрицей изображений кольцевой зоны и узкого поля зрения.

Отличительной особенностью формируемого изображения в фокальной плоскости является отсутствие кольцевой зоны, расположенной между узким углом зрения и внутренним углом широкоугольной кольцевой зоны.

Это достигается тем, что способ формирования изображений различных полей зрения, включающий одновременное формирование двух полей зрения с коаксиально расположенными линзовым объективом формирования первого поля зрения и двухзеркальной системой формирования второго поля зрения, отличается тем, что по предлагаемому способу перед узкоугольным линзовым объективом размещают двухзеркальную систему с двумя встречно направленными выпуклыми зеркалами с отверстиями и светофильтром выравнивания световых потоков за ними, расположенными по оси зрения узкоугольного линзового объектива, причем два выпуклых зеркала совместно с узкоугольным линзовым объективом формируют периферийное, второе поле зрения, представляющее собой в фокальной плоскости кольцевую зону, вплотную примыкающую к изображению узкого поля зрения, при этом оба изображения узкого поля и кольцевой зоны проецируют на одну фотоприемную матрицу.

Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого технического решения.

На Фиг.1 изображен пример реализации заявляемого способа - оптическая схема с коаксиально расположенными широкоугольной и узкоугольной оптическими системами и одной фотоприемной матрицей.

На Фиг.2 изображена схема построителя местной вертикали с зеркальным конусом (аналог); показаны сечение через оптическую ось и план; наружный край поля зрения в пространстве предметов (космос, точки А, В) отображается в фокальной плоскости внутри поля зрения (точки а, b), а внутренний край поля зрения в пространстве предметов (Земля, точки С, D) отображается в фокальной плоскости снаружи поля зрения (точки с, d).

На Фиг.3 изображена фокальная плоскость построителя местной вертикали с зеркальным конусом (аналог); фокальная плоскость построителя местной вертикали с зеркальным конусом, отличающаяся от схемы Фиг.2 использованием матричного фотоприемника вместо четырех одноэлементных фотоприемников.

На Фиг.4 изображена оптическая схема двухрежимного датчика ориентации с коаксиально расположенными узкоугольной и широкоугольной системами (аналог); на фотоприемник с помощью затвора проецируется световой поток либо узкоугольной системы (горизонтальная штриховка затвора), либо широкоугольной системы (вертикальная штриховка затвора).

На Фиг.5 изображена оптическая схема с коаксиально расположенными широкоугольной и узкоугольной оптическими системами и двумя матричными фотоприемниками (прототип).

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

Устройство должно содержать телекамеру с матрицей высокой четкости (на фиг.1 не показана), двухзеркальную систему 10 с двумя встречно направленными выпуклыми зеркалами 11 и 12 (в общем случае асферических, в частности, сферических) для формирования широкоугольной кольцевой зоны 13 и отверстиями в них для формирования узкого поля зрения 14, светофильтр 20 выравнивания световых потоков. Необходимость светофильтра 20 на пути светового потока узкого поля зрения 14 обусловлена различием эффективной светосилы в узком и широком кольцевом поле зрения, возникающем из-за уменьшения эффективного фокусного расстояния при формировании кольцевой широкоугольной зоны наблюдения пригоризонтной части Земли. Также устройство содержит узкоугольный линзовый объектив 30 и фотоприемную матрицу 40, расположенную в фокальной плоскости 41, на которую проецируются изображения пригоризонтной области 42 и подстилающей поверхности 43. Особенностью схемы является то, что поле зрения 31 узкоугольного объектива дальним от него выпуклым зеркалом 11 разделяется на два поля зрения - центральное, проходящее через отверстие в нем, и наружное. Наружное поле зрения формируется путем двукратного отражения света сначала от ближнего от объектива 30 выпуклого зеркала 12, затем от узкой кольцевой зоны около отверстия дальнего от объектива выпуклого зеркала 11. Резьбовая посадка выпуклых зеркал 11 и 12 позволяет регулировать расстояние между ними и их расстояние до объектива 30, благодаря чему возможно при фиксированном фокусном расстоянии узкоугольного объектива 30 регулировать направление и ширину поля зрения 13 узкой кольцевой зоны. Последнее может быть востребовано при использовании устройства на космических аппаратах, располагаемых на орбитах с разными высотами.

Заявляемый способ прошел апробацию на макете, включающем телекамеру на черно-белой КМОП матрице формата 6 мегапикселов, узкоугольный объектив 30 с фокусным расстоянием 8 мм и ручной регулировкой диафрагмы в пределах 1:1,4…1:16, два направленных выпуклостями друг к другу сферических зеркала 11 и 12 с радиусами кривизны 120 мм и отверстиями в центре каждого диаметром 20 мм и светофильтр 20 выравнивания световых потоков. При использовании цветной матрицы это должен быть нейтральный светофильтр, при использовании черно-белой матрицы в эксперименте применялся сине-зеленый светофильтр СЗС-7, несколько улучшающий разрешающую способность телекамеры в узком поле зрения 14. Эксперимент показал возможность реализации предлагаемого способа и достаточную для поставленной цели точность передачи изображения в широкоугольной кольцевой зоне 13 при диафрагме узкоугольного объектива 1:8…1:16.

Особенностями реализации предлагаемого способа являются:

- возможность повышения точности измерения центра растра узкоугольной системы наблюдения относительно подспутниковой точки;

- простота изготовления и отсутствие необходимости юстировки элементов оптической схемы;

- возможность регулировки значений угла зрения широкоугольной кольцевой зоны путем изменения расстояния между выпуклыми зеркалами и между зеркалами и объективом;

- возможность реализации системы наблюдения как в видимом, так и в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн.

Способ может быть использован для наблюдения Земли из космоса с использованием матричной телевизионной системы для измерения ориентации визирной оси телекамеры по изображению горизонта Земли с помощью построения местной вертикали. Способ включает одновременное формирование двух полей зрения с коаксиально расположенными линзовым объективом формирования первого поля зрения и двухзеркальной системой формирования второго поля зрения. Перед узкоугольным линзовым объективом 30 по его оси зрения размещают двухзеркальную систему 10 с двумя встречно направленными выпуклыми зеркалами 11 и 12 с отверстиями и светофильтром 20 выравнивания световых потоков за ними. Два выпуклых зеркала 11 и 12 совместно с узкоугольным линзовым объективом 30 формируют периферийное, второе поле зрения, представляющее собой в фокальной плоскости кольцевую зону 13, вплотную примыкающую к изображению узкого поля зрения 14, при этом оба изображения узкого поля и кольцевой зоны проецируют на одну фотоприемную матрицу 40. Технический результат - одновременное наблюдение в одной фокальной плоскости одной фотоприемной матрицей изображений кольцевой зоны и узкого поля зрения. 5 ил.

Способ формирования изображений различных полей зрения, включающий одновременное формирование двух полей зрения с коаксиально расположенными линзовым объективом формирования первого поля зрения и двухзеркальной системой формирования второго поля зрения, отличающийся тем, что по предлагаемому способу перед узкоугольным линзовым объективом размещают двухзеркальную систему с двумя встречно направленными выпуклыми зеркалами с отверстиями и светофильтром выравнивания световых потоков за ними, расположенными по оси зрения узкоугольного линзового объектива, причем два выпуклых зеркала совместно с узкоугольным линзовым объективом формируют периферийное второе поле зрения, представляющее собой в фокальной плоскости кольцевую зону, вплотную примыкающую к изображению узкого поля зрения, при этом оба изображения узкого поля и кольцевой зоны проецируют на одну фотоприемную матрицу.