УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА СО СЛУЧАЙНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЯРКОСТЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам для определения параметров движения объектов и может быть использовано для измерения составляющих вектора скорости движения летательных и плавательных аппаратов различного назначения относительно подстилающей поверхности.

Известно устройство по авторскому свидетельству №838561, MKП⁸ G01Р 3/36, выданному А.М.Абакумову, И.А.Бережному, П.К. Кузнецову, В.Ю.Мишину, В.И.Семавину, В.И.Цейлеру. Для повышения быстродействия и точности измерения составляющих вектора скорости движения объекта со случайным распределением яркостей в устройстве, содержащем установленный в плоскости, параллельной плоскости движения объекта, оптический фильтр с переменным в направлении измеряемой составляющей вектора скорости коэффициентом светопропускания и размещенные за ним приемники излучения, граница оптического сопряжения которых перпендикулярна направлению измеряемой составляющей вектора скорости, выходы приемников излучения соединены со входами элемента сравнения сигналов, применен оптический фильтр, коэффициент светопропускания которого в сечениях, перпендикулярных границе оптического сопряжения приемников излучения, изменяется по экспоненциальному, симметричному относительно границы оптического сопряжения закону, а выходы приемников излучения дополнительно соединены со входами элемента суммирования сигналов, выход которого через дифференцирующее устройство подключен к первому входу делительного устройства, а второй вход последнего соединен с выходом элемента сравнения сигналов.

Недостатком устройства является существенная чувствительность к низкочастотным шумам в изображении и изменениям освещенности сцены, которые обуславливают наличие мультипликационной погрешности, что приводит к ограниченной точности измерения вектора скорости движения.

Наиболее близким из известных технических решений к данному изобретению является устройство для измерения вектора скорости движения изображения протяженного объекта со случайным распределением яркостей по авторскому свидетельству №1085389, МКП G01P 3/36, выданному А.М.Абакумову, П.К.Кузнецову, В.Ю.Мишину, Д.Н.Проскуровскому, В.И.Семавину. Это изобретение принято авторами за прототип. Устройство содержит проекционную оптическую систему, вычислительный блок, оптоэлектронный канал обработки информации, включающий блок сравнения, последовательно соединенные блок суммирования и блок дифференцирования, а также приемник излучения в виде прямоугольника, выходы которого соединены с соответствующими входами блока суммирования, причем приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, изменяющимся по экспоненциальному закону, а выход блока дифференцирования соединен с первым входом вычислительного блока. Для повышения точности измерений в устройство введен второй оптоэлектронный канал обработки информации, включающий блок сравнения, последовательно соединенные блок суммирования и блок дифференцирования, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также приемник излучения, выходы которого соединены с соответствующими входами блока суммирования, в каждый оптоэлектронный канал обработки информации введен второй блок сравнения, причем приемник излучения выполнен четырехквадрантным, границы оптического сопряжения квадрантов приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, выходы противолежащих квадрантов соединены соответственно с входами первого и второго блоков сравнения, выходы которых соединены с соответствующими входами вычислительного блока.

Существенным недостатком устройства является чувствительность к низкочастотным шумам в изображении, что объясняется неравномерностью коэффициентов фотопреобразования по поверхности фотоприемной структуры (геометрические шумы). Другим существенным недостатком устройства является чувствительность к изменению освещенности сцены, что обуславливает наличие мультипликационной погрешности. За счет этих недостатков устройство в целом обладает низкой точностью определения параметров вектора скорости движения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения параметров вектора скорости движения за счет уменьшения чувствительности к низкочастотным шумам при одновременном уменьшении чувствительности к изменению освещенности сцены.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем проекционно-оптическую систему, вычислительный блок, два оптоэлектронных канала обработки информации, каждый из которых включает два блока сравнения, последовательно соединенные блок суммирования и блок дифференцирования, а также приемник излучения в виде прямоугольника, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока суммирования канала, причем приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, изменяющимся по экспоненциальному закону, а выход блока дифференцирования соединен с первым входом вычислительного блока, причем приемник излучения выполнен четырехквадрантным, границы оптического сопряжения квадрантов приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, выходы противоположных квадрантов соединены соответственно с входами первого и второго блоков сравнения оптоэлектронного канала обработки информации, причем введены два дополнительных блока суммирования, три дополнительных блока сравнения, блок деления, приемник излучения, смещенный относительно первого приемника излучения, выполненый четырехквадрантным, причем границы оптического сопряжения приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, а выходы смещенного приемника излучения соединены с соответствующими входами первого дополнительного блока суммирования, выход которого связан с первыми входами второго дополнительного блока суммирования и третьего дополнительного блока сравнения, второй вход второго дополнительного блока суммирования и третьего дополнительного блока сравнения подключены к выходу первого блока суммирования, выход третьего дополнительного блока сравнения подсоединен к второму входу вычислительного блока и первому входу блока деления, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока, выход второго дополнительного блока суммирования подключен ко второму входу блока деления и к третьему входу вычислительного блока, два входа первого дополнительного блока сравнения соответственно связаны с первым и третьим выходами дополнительного приемника, второй и четвертый выходы которого соответственно подключены к двум входам второго дополнительного блока сравнения, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного блока, выход первого дополнительного блока сравнения соединен с пятым входом вычислительного блока, причем выходы первого и второго блоков сравнения соответственно подключены к шестому и седьмому входам вычислительного блока.

На Фиг.1 представлена блочная схема устройства, обозначения на которой соответствуют: 1 - проекционно-оптическая система; 2, 3 - первый и второй оптоэлектронные каналы обработки информации; 4 - приемник излучения; 5 - блок суммирования; 6 - блок дифференцирования; 7, 8 - первый и второй блоки сравнения; 9 - вычислительный блок; 10 - дополнительный приемник излучения; 11 - первый дополнительный блок суммирования; 12 - второй дополнительный блок суммирования; 13 - первый дополнительный блок сравнения; 14 - второй дополнительный блок сравнения; 15 - третий дополнительный блок сравнения; 16 - блок деления.

Устройство содержит проекционно-оптическую систему 1, вычислительный блок 9, два оптоэлектронных канала 2, 3 обработки информации, каждый из которых включает блоки сравнения 7, 8, блок суммирования 5 и блок дифференцирования 6, а также приемник излучения в виде прямоугольника, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока суммирования 5 канала, причем приемник излучения 4 выполнен с коэффициентом фотопреобразования, изменяющимся по экспоненциальному закону, а выход блока дифференцирования 6 соединен с первым входом вычислительного блока 9, причем приемник излучения выполнен четырехквадрантным, границы оптического сопряжения квадрантов приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, выходы противоположных квадрантов соединены соответственно с входами первого и второго блоков сравнения 7, 8 оптоэлектронного канала 2 обработки информации. Дополнительный приемник излучения 10, смещенный относительно первого приемника излучения 4, имеет выходы, подсоединенные к соответствующим входам первого дополнительного блока суммирования 11, выход которого связан с первыми входами второго дополнительного блока суммирования 12 и третьего дополнительного блока сравнения 15, вторые входы второго дополнительного блока суммирования 12 и третьего дополнительного блока сравнения 15 подключены к выходу первого блока суммирования 5. Выход третьего дополнительного блока сравнения 15 подсоединен к второму входу вычислительного блока 9 и к первому входу 16а блока деления 16, выход которого соединен с входом блока дифференцирования 6, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока 9. Выход второго дополнительного блока суммирования 12 подключен ко второму входу 16б блока деления 16 и к третьему входу вычислительного блока 9. Два входа первого дополнительного блока сравнения 13 соответственно связаны с первым и третьим выходами дополнительного приемника 10, второй и четвертый выходы которого соответственно подключены к двум входам второго дополнительного блока сравнения 14, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного блока 9. Выход первого дополнительного блока сравнения 13 соединен с пятым входом вычислительного блока 9, причем выходы первого и второго блоков сравнения соответственно подключены к 6 и 7 входам вычислительного блока 9.

Поясним работу предлагаемого устройства для измерения вектора скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркостей. Проекционно-оптическая система 1 проецирует изображение объекта, скорость которого определяется, на приемники излучения первого и второго оптоэлектронного канала (2, 3). Приемник излучения 4 имеет сектора (4₁₁ ¹,4₁₂ ¹,4₁₃ ¹,4₁₄ ¹), электрически несвязанные между собой, причем с их выходов снимаются сигналы (f₁₁ ¹, f₁₂ ¹, f₁₃ ¹,1₁₄ ¹) соответственно. Сигналы f₁₁ ¹, f₁₂ ¹, f₁₃ ¹, f₁₄ ¹ суммируются в блоке суммирования 5. На выходе блока суммирования 5 имеет место сигнал ф₁ ¹=f₁₁ ¹+f₁₂ ¹+f₁₃ ¹+f₁₄ ¹. Сигналы f₁₁ ¹ и f₁₃ ¹ вычитаются в первом блоке 7 сравнения. На выходе блока сравнения 7 имеем сигнал Δ₁₂ ¹=f₁₁ ¹-f₁₃ ¹.Сигналы f₁₂ ¹ и f₁₄ ¹ вычитаются во втором блоке сравнения 8. На выходе блока сравнения 8 имеем сигнал Δ₁₁ ¹=f₁₂ ¹-f₁₄ ¹. Дополнительный приемник излучения 10 имеет четыре сектора (10₁₁ ¹, 10e₁₂ ¹, 10₁₃ ¹, 10₁₄ ¹), электрически несвязанных между собой, причем с их выходов снимаются сигналы (f₂₁ ¹, f₂₂ ¹, f₂₃ ¹ f₂₄ ¹) соответственно. Сигналы f₂₁ ¹, f₂₂ ¹, f₂₃ ¹ f₂₄ ¹ суммируются в первом дополнительном блоке суммирования 11 и на выходе первого дополнительного блока суммирования 11, имеет место сигнал ф₂ ¹=f₂₁ ¹+f₂₂ ¹+f₂₃ ¹+f₂₄ ¹. Сигналы f₂₁ ¹ и f₂₃ ¹ вычитаются в первом дополнительном блоке сравнения 13. На выходе первого дополнительного блока сравнения 13 имеем сигнал Δ₂₂ ¹⁼f_2l ^l-f₂₃ ¹. Сигналы f₂₂ ¹ и f₂₄ ¹ вычитаются на втором дополнительном блоке сравнения 14. На выходе второго дополнительного блока сравнения 14 имеем сигнал Δ₂₁ ¹=f₂₂ ¹-f₂₄ ¹. Сигналы ф₁ ¹ и ф₂ ¹ подаются на входы третьего дополнительного блока сравнения 15. На выходе третьего дополнительного блока сравнения 15 имеем сигнал (ф₁ ¹-ф₂ ¹)=N¹. Сигналы ф₁ ¹ и ф₂ ¹ подаются также на входы второго дополнительного блока суммирования 12. На выходе второго дополнительного блока суммирования 12 имеем сигнал (ф₁ ¹+ф₂ ¹)=∑¹. Сигнал N¹ с выхода третьего дополнительного блока сравнения 15 подается на первый вход блока деления 16. Сигнал ∑¹ с выхода второго дополнительного блока суммирования 12 подается на второй вход блока деления 16. На выходе блока деления 16 имеем сигнал $$F^1=\frac{N^1}{{\Sigma }^1}$$ . Сигнал F¹ с выхода блока деления 16 подается на вход блока дифференцирования 6, на выходе которого имеем сигнал, равный производной по времени $$\frac{d{F}^1}{dt}$$ от сигнала F¹. Сигналы $$\frac{d{F}^1}{dt}$$ , N¹, ∑¹, Δ₂₂ ¹, Δ₂₁ ¹, Δ₁₁ ¹, Δ₁₂ ¹ подаются на входы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 вычислительного блока 9. На входы 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 вычислительного блока 9 подаются аналогичные сигналы со второго оптоэлектронного канала обработки информации 3. Вычислительный блок 9 предназначен для вычисления коэффициентов c₁, c₂, a₁, a₂, в₁, в₂ и решения системы уравнений

$$\{\begin{array}{c}{с}_1=V_x{a}_1+V_y{b}_1\\ {с}_2=V_x{a}_2+V_y{b}_2\end{array},$$

где V_x, V_y - искомые координатные составляющие вектора скорости.

Коэффициенты c₁, а_1, b₁ определяются по выражениям

$${с}_1=\frac{d{F}^1}{dt}$$

$$a_1=\frac{(1-F^1){\Delta }_{11}^1-(1+F^1){\Delta }_{12}^1}{L^1{\Sigma }^1}$$

$$b_1=\frac{(1-F^1){\Delta }_{21}^1-(1+F^1){\Delta }_{22}^1}{L^1{\Sigma }^1}$$

где L¹ - расстояние между центрами приемника излучения 4 и дополнительного приемника 10.

Аналогичные коэффициенты с₂, а₂, b₂ вычисляются синхронно во втором оптоэлектронном канале обработки информации 3.

Данное устройство для измерения вектора скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркостей позволяет определять координатные составляющие вектора скорости движения изображения при изменяющейся во времени освещенности сцены и наличии низкочастотных (геометрических) шумов приемников излучения.

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам для определения параметров движения объектов и может быть использовано для измерения составляющих вектора скорости движения летательных и плавательных аппаратов различного назначения относительно подстилающей поверхности. Устройство содержит проекционно-оптическую систему, вычислительный блок, два оптоэлектронных канала обработки информации, каждый из которых включает два блока сравнения, блок суммирования, блок дифференцирования и приемник излучения в виде прямоугольника. При этом в устройство в каждый канал введены два дополнительных блока суммирования, три блока сравнения, блок деления, приемник излучения, смещенный относительно первого приемника излучения. Технический результат заключается в повышении точности определения параметров вектора скорости движения за счет уменьшения чувствительности к низкочастотным шумам при одновременном уменьшении чувствительности к изменению освещенности сцены. 1 ил.

Устройство для измерения вектора скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркостей, содержащее проекционно-оптическую систему, вычислительный блок, два оптоэлектронных канала обработки информации, каждый из которых включает два блока сравнения, блок суммирования и блок дифференцирования, а также приемник излучения в виде прямоугольника, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока суммирования канала, причем приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, изменяющимся по экспоненциальному закону, а выход блока дифференцирования соединен с первым входом вычислительного блока, причем приемник излучения выполнен четырехквадрантным, границы оптического сопряжения квадрантов приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, выходы противоположных квадрантов соединены соответственно с входами первого и второго блоков сравнения оптоэлектронного канала обработки информации отличающееся тем, что в каждый канал дополнительно введены два дополнительных блока суммирования, три дополнительных блока сравнения, блок деления, приемник излучения, смещенный относительно первого приемника излучения, выполненный четырехквадрантным, причем границы оптического сопряжения квадрантов приемника излучения совмещены с диагоналями прямоугольника, приемник излучения выполнен с коэффициентом фотопреобразования, возрастающим к центру прямоугольника в направлении биссектрисы квадранта, а выходы смещенного приемника излучения соединены с соответствующими входами первого дополнительного блока суммирования, выход которого связан с первыми входами второго дополнительного блока суммирования и третьего дополнительного блока сравнения, второй вход второго дополнительного блока суммирования и третьего дополнительного блока сравнения подключены к выходу первого блока суммирования, выход третьего дополнительного блока сравнения подсоединен к второму входу вычислительного блока и первому входу блока деления, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход второго дополнительного блока суммирования подключен ко второму входу блока деления и к третьему входу вычислительного блока, два входа первого дополнительного блока сравнения соответственно связаны с первым и третьим выходами дополнительного приемника, второй и четвертый выходы которого соответственно подключены к двум входам второго дополнительного блока сравнения, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного блока, выход первого дополнительного блока сравнения соединен с пятым входом вычислительного блока, причем выходы первого и второго блоков сравнения соответственно подключены к шестому и седьмому входам вычислительного блока.