СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЗАИМНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЮСТИРОВКИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С МАТРИЧНЫМ ФОТОПРИЕМНИКАМИ Российский патент 2016 года по МПК G01M11/02 G01B11/27 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля и измерения параметров теле-тепловизионных приборов и может быть использовано при измерении с высокой точностью пространственных углов остаточной несоосности и взаимного разворота каналов комбинированных оптико-электронных систем (КОЭС), например, телевизионных (ТВ) и тепловизионных (ТПВ) каналов, использующих матричные фотоприемные устройства (МФПУ), а также изменения их разворота и остаточной несоосности в диапазоне рабочих температур.

Известен способ контроля остаточной несоосности каналов КОЭС с МФПУ с помощью специальной миры (перекрестья) и коллиматора. При этом мира испускает калиброванный поток энергии, положение изображения миры на поверхности МФПУ в каждом из каналов КОЭС анализируется, выходные сигналы сравниваются между собой и соответствующими регулировками добиваются совпадения изображений миры [Патент России №2244950].

Однако способ основан на субъективных оценках и не обеспечивает необходимой точности определения параметров ОЭС и высокого качества настройки КОЭС.

Кроме того, имеются три неопределенности, затрудняющие настройку:

плоскость МФПУ может быть по-разному наклонена к фокальной плоскости объектива каждой из ОЭС в составе КОЭС;

известный способ не позволяет ответить на вопрос о степени расхождения по азимуту и углу места между осью коллиматора и осью каждого из объективов ОЭС, входящих в состав КОЭС;

- всегда имеется взаимный остаточный разворот полей зрения каналов КОЭС; метод не в состоянии определить наличие и измерить степень этого разворота.

К тому же, предложенная в известном способе ориентация групп штрихов миры под различными углами вокруг оптической оси коллиматора представляется избыточной, поскольку все МФПУ ОЭС имеют строгую осевую симметрию и их пространственное разрешение под различными углами к оптической оси является детерминированным и заранее известным. К недостаткам известного способа также следует отнести:

- ограниченную точность измерения взаимного пространственного положения оптических осей каналов КОЭС, вследствие:

конечных размеров элементов (пикселов) МФПУ; конечных размеров элементов миры;

ограниченной точности определения положения изображения миры (перекрестья) на строке и в кадре;

низкой чувствительности способа к взаимному развороту изображений в каналах;

- непригодность известного способа для оперативного контроля остаточной несоосности каналов при изменении температуры окружающей среды, в том числе, в полевых условиях, когда изменение температуры может привести к значительным неконтролируемым пространственным отклонениям оптических осей и полей зрения каналов КОЭС.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным за прототип является способ, при котором мира имеет аналогичную, описанной выше, ориентацию групп штрихов под различными углами вокруг оптической оси коллиматора, но настройка ОЭС производится с использованием объективного анализа посредством измерения отношения сигнал-шум на полученном изображении миры с помощью стандартных электронных приборов, например, осциллографа [Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. «Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов», Казань, 2006 г., изд. «Отечество», стр. 370].

Однако и в этом случае заявленные выше неопределенности и отмеченные недостатки остаются.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения:

- остаточной пространственной несоосности каналов КОЭС,

- размеров, положения границ и взаимного разворота полей зрения каналов КОЭС;

в том числе, в диапазоне рабочих температур, а также при работе КОЭС в полевых условиях.

Указанная цель достигается тем, что способ контроля пространственной юстировки комбинированных оптико-электронных систем (КОЭС) с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), основанный на формировании действительного изображения калиброванных источников излучения (мир) в плоскости МФПУ, воспроизведении получаемой видеоинформации в одном из телевизионных стандартов с учетом размаха и взаимного положения сигналов в каждом из каналов, заключается в том, что:

- миру каждого из каналов выполняют в виде последовательности штрихов, создающих высокую пространственную частоту (ВПЧ) в направлении строки МФПУ, при этом штрихи миры вытянуты в направлении кадровой развертки;

- изображения ВПЧ штрихов миры, создаваемых объективом ОЭС в плоскости МФПУ, создают близкими к частоте Найквиста конкретно для каждого канала КОЭС, но не равными ей,

- возникающий фазовый сдвиг изображения штрихов миры на всей ее длине относительно элементов (пикселов) МФПУ выбирают превышающим размер пиксела МФПУ в 2……10 раз;

- дополнительно наносят на краях обеих мир пару штрихов с низкой пространственной частотой (НПЧ);

- левые границы центральных штрихов ВПЧ обеих мир выполняют на одной вертикали;

- положение нижней границы миры канала 1 и верхней границы канала 2 выполняют таким образом, чтобы они касались друг друга;

- при контроле каналов КОЭС измеряют взаимное смещение пучностей и перетяжек в последовательности сигналов ВПЧ и вычисляют степень отклонения оптической оси каждого из каналов КОЭС в направлении строчной развертки и сумму отклонений осей двух каналов в направлении строчной развертки (азимутальном направлении)

Δβ=Δβ₁±Δβ₂=n_шт1∗k₁+n_шт2∗k₂,

где n_шт1 и n_шт2 - число импульсов смещения левых границ центральных штрихов;

- определяют размах сигнала U_CMAX в каждом канале КОЭС в пучности центральной части миры;

- определяют граничные строки N_C1 и N_C2 для каналов 1 и 2 соответственно, на которой сигнал от миры в пучности остается наиболее близким к U_CMAX;

- изменяют номер строки на единицу N₁+1 и N₂-1 в одном из каналов и производят измерения амплитуд сигналов U_x1 и U_x2;

- вычисляют доли строки δ₁ канала 1 (и δ₂ канала 2), на которую сместились вертикальные границы изображения миры, по формуле:

δ=δ₁+δ₂=U_x1/U_cmax1+U_x2/U_cmax2;

- вычисляют размах сигнала от штрихов НПЧ обоих каналов; и по соотношению

амплитуд U_нч1 и U_нч2, вычисляют угол паразитного поворота линии визирования (ЛВ) каналов по вертикали

Δε=(U_НЧ1-U_HЧ2)∗δ/U_НЧ1.

Способ контроля остаточной пространственной несоосности, а также размеров, положения границ и взаимного разворота полей зрения каналов КОЭС с матричными фотоприемниками (МФПУ) в диапазоне рабочих температур, основанный на формировании калиброванных потоков энергии для каждого из каналов КОЭС с помощью мир, в котором изображения мир каждого из каналов сравниваются между собой посредством анализа формы выходных сигналов и выравниваются соответствующими регулировками направления оптических осей ОЭС.

При этом:

- пространственная частота изображения штрихов миры n₁ и n₂ в плоскости изображения для каждого из каналов выбирается близкой к частоте Найквиста, но не равной;

- число штрихов каждой миры выбирается достаточно большим, чтобы накапливающийся сдвиг изображения миры в плоскости изображения относительно пикселов МФПУ заведомо превышал размер элемента (пикселе) МФПУ в 2…10 раз;

- последовательность штрихов миры в плоскости изображения должна быть ориентирована вдоль направления строчной развертки;

- левые границы центральных штрихов обеих мир (n₁/2 и n₂/2) находятся на одной вертикали;

- нижняя граница миры канала 1 и верхняя граница канала 2 совпадают между собой.

Частота Найквиста каналов КОЭС определяется выражением: N_H=f₀/2o, где:

f₀ - фокусное расстояние объектива конкретного канала;

2о -шаговое расстояние в изображении штрихов миры в картинной плоскости;

о - размер пикселе МФПУ;

предлагаемая мира с помощью объектива ОЭС создает в картинной плоскости изображение штрихов с шаговым расстоянием:

Δ_ПЧ=о_Н*(1±k), где:

k - степень отклонения изображения шагового расстояния изображения миры от шагов пикселов МФПУ, обычно, 0,1>k>0,005; а число штрихов миры больше 2/k (n_шт>2/k).

Поскольку в картинной плоскости шаг изображения штрихов миры немного отличается от шага пикселов, то при умеренной непараллельности осей коллиматора и объектива (эта непараллельность ограничивается лишь полем зрения ОЭС), неизбежно возникают пучности и перетяжки сигналов; например, ситуация, когда на какой-то пиксель О₁ будет падать половинная энергия от прозрачного штриха миры, а другая половина - на соседний пиксель O₂, тогда эта пара пикселов не обеспечит контраста, и в этом месте образуется «перетяжка» в последовательности сигналов. На некоторой дальности от пикселя O₂ пиксель О₃ получит почти всю энергию от штриха миры, а сигнал от него обеспечит наибольший размах - пучность.

При фокусировке, по мере приближения фокальной плоскости объектива ОЭС к плоскости МФПУ, размах сигналов на высокой пространственной частоте U_СВ будет возрастать (независимо от угловой ориентации линии визирования ОЭС относительно оси коллиматора), приближаясь к величине сигнала на низкой пространственной частоте (U_CH). Остаточная непараллельность оптических осей коллиматора и объектива ОЭС, неизбежно возникающая при продольной настройке объектива, приведет лишь к смещению положения перетяжки и пучности сигнала U_CB, практически не изменяя ни величины последнего, ни расстояния (в пикселях МФПУ) между пучностью и перетяжкой.

Поскольку, по условию, левые границы центральных штрихов (n₁ и n₂) обеих мир находятся на одной прямой, то процесс первоначальной юстировки каналов КОЭС вдоль строчной развертки сводится к тому, чтобы перетяжки на изображении этих штрихов сводились в одно и то же место строчной развертки на экране регистратора (например, двухлучевого осциллографа). Сведение перетяжек обоих каналов обеспечивает коллинеарность оптических осей каналов КОЭС в азимутальном измерении; сведение производят штатными котировочными средствами, предусмотренными в конструкции каждого из каналов.

Если при изменении температуры произойдет поворот оси канала, перпендикулярной направлению его строчной развертки, то это приведет к сдвигу положения перетяжки на строке в этом канале. Например, если ось канала повернется относительно строительной оси КОЭС на шаговую величину β₀-о/F (сместится на 1 пиксель), то это приведет к смещению перетяжки на число импульсов n_шт=1/k.

Таким образом, точность измерения несоосности каналов КОЭС вдоль по строчной развертке может быть повышена в 1/k раз.

Контроль союстировки каналов КОЭС вдоль кадровой развертки производят следующим образом:

- определяют размах сигнала U_CMAX в каждом канале КОЭС от центральной части миры;

- определяют граничную строку, на которой сигнал от миры остается равным U_CMAX;

- изменяют номер строки на N₁+1 и штатными методами юстировки каналов, предусмотренными в конструкции каналов, добиваются отсутствия сигналов на выходе каждого канала на этой строке.

Если при изменении температуры произойдет разъюстировка осей каналов вдоль кадровой развертки, то смещение изображения миры может составить несколько целых строк и еще некоторую долю строки (долю размера элемента МФПУ). В этом случае определяют температурное смещение вдоль кадровой развертки канала КОЭС следующим образом:

- определяют граничную строку N2, на которой сигнал еще остается равным U_CMAX

- меняют номер строки на соседнюю (N₂±1) и определяют размах сигнала U_X в этой строке;

- вычисляют долю строки δ₁ канала 1 и δ₂ канала 2, на которую сместится граница изображения миры, по формуле:

δ=U_X/U_CMAX.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведены оптические схемы системы «мира - коллиматор - объектив ОЭС - МФПУ» для коаксиальной компоновки апертур объективов каналов (фиг. 1А) и для разделенных апертур каналов (фиг. 1Б). Здесь:

1- блок коллиматора;

2 - мира;

3 - объектив коллиматора;

4 - выходное окно;

5 - блок КОЭС;

6 - объектив ТПВ канала;

7 - объектив ТВ канала;

8 - МФПУ ТПВ канала;

9 - модуль электронной обработки сигналов ТПВ канала;

10 - МФПУ ТВ канала;

11 - модуль электронной обработки сигналов ТВ канала;

12 - регистратор сигналов в виде двухлучевого осциллографа типа ТДС 2022.

На фиг. 2 приведена структура нониусной миры для КОЭС. В качестве миры, имеющей широкий спектр излучения, перекрывающий рабочие диапазоны обоих каналов, может быть использована диэлектрическая пластина с нанесенными на ней металлическими полосками. Контраст штрихов миры определяется разностью коэффициентов серости пары штрих-подложка.

На фиг. 3 показаны геометрические соотношения между МФПУ обоих каналов (ТВ и ТПВ) и зоной облучения каналов мирой при их идеальном согласовании.

Фиг. 3А - идеальное взаимное расположение обеих мир;

Фиг. 3Б - форма сигнала ТПВ канала;

Фиг. 3В - форма сигнала ТВ канала.

На фиг. 4 в качестве иллюстраций показаны:

Фиг. 4А - геометрические соотношения между МФПУ обоих каналов (ТПВ и ТВ) и зоной облучения каналов мирой (изображение пикселов ТВ канала смещено в зону ТПВ канала, величина смещения равна вертикальному размеру пикселя ТВ канала);

Фиг. 4Б - форма сигналов ТВ канала для случая, показанного на фиг. 4А.

На фиг. 5 в качестве иллюстраций показаны:

Фиг. 5А - геометрическое соотношение для ТПВ канала между положением зоны облучения каналов мирой и строками ТПВ и ТВ каналов,

Фиг. 5Б - сигнал на выходе ТПВ канала для этого случая.

Фиг. 6 - геометрическое соотношение между положением строк ТПВ и ТВ каналов, когда между границами изображения мир имеется незаполненная прослойка (разрыв), фиксируемая обоими каналами.

Фиг. 6А - взаимное расположение миры, а также ТВ и ТПВ каналов КОЭС.

Фиг. 6Б - сигнал на выходе ТПВ канала для этого случая.

На фиг. 7 показаны геометрические соотношения между МФПУ обоих каналов (ТВ и ТПВ) и зоной облучения каналов мирой, которая содержит на своих краях штрихи с низкой пространственной частотой. Геометрические соотношения между обоими каналами и мирой идеально согласованы.

Фиг. 7Б - сигнал на выходе ТПВ канала КОЭС.

Фиг. 7В - сигнал на выходе ТВ канала КОЭС.

На фиг. 8 МФПУ ТПВ канала КОЭС повернут к мире вокруг оптической оси; МФПУ ТВ канала расположен параллельно мире.

Фиг. 8А - показано расположение изображения мир относительно строки считывания.

Фиг. 8Б - показана форма сигнала, на выходе ТПВ канала, амплитуды сигналов от крайних штрихов ТПВ канала сильно отличаются почти пропорционально углу наклона строки этого канала к мире.

Фиг. 9 - МФПУ ТВ канала КОЭС повернут вокруг оптической оси относительно миры; ТПВ канал расположен параллельно мире.

Фиг. 9А - показано расположение изображения мир относительно строки считывания.

Фиг. 9Б - сигналы на выходе ТВ канала от крайних штрихов миры (с низкой пространственной частотой) отличаются почти пропорционально углу наклона ТВ канала относительно ТПВ канала и миры.

Способ основан на формировании действительного изображения калиброванных источников излучения с помощью мир. Миру каждого из каналов комбинированной оптико-электронной системы (КОЭС) выполняют в виде последовательности штрихов, создающих высокую пространственную частоту (ВПЧ) в направлении строки МФПУ и вытянутых в направлении кадровой развертки. Изображения ВПЧ штрихов миры в плоскости МФПУ создают близким к частоте Найквиста, но не равными ей. Фазовый сдвиг изображения штрихов миры на всей ее длине относительно элементов МФПУ выбирают превышающим размер элемента МФПУ в 2…10 раз. Наносят на краях обеих мир пару штрихов с низкой пространственной частотой (НПЧ). Левые границы центральных штрихов ВПЧ обеих мир выполняют на одной вертикали. Нижняя граница миры канала 1 и верхняя граница канала 2 касаются друг друга. При контроле каналов измеряют взаимное смещение пучностей и перетяжек в последовательности сигналов ВПЧ и вычисляют степень отклонения оптической оси каждого из каналов КОЭС в направлении строчной развертки. Вычисляют размах сигнала от штрихов НПЧ обоих каналов и по отношению их амплитуд вычисляют угол поворота линий визирования каналов в направлении, перпендикулярном строчной развертки. Технический результат - повышение точности измерения остаточной пространственной несоосности каналов, размеров, положения границ и взаимного разворота полей зрения каналов, в том числе, в диапазоне рабочих температур и при работе КОЭС в полевых условиях. 9 ил.

Способ контроля пространственной юстировки комбинированных оптико-электронных систем (КОЭС) с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), основанный на формировании действительного изображения калиброванных источников излучения с помощью мир в одном из телевизионных стандартов с учетом размаха и взаимного положения сигналов в каждом из каналов, отличающийся тем, что
- миру каждого из каналов выполняют в виде последовательности штрихов, создающих высокую пространственную частоту (ВПЧ) в направлении строки МФПУ, при этом штрихи миры вытянуты в направлении кадровой развертки;
- изображения ВПЧ штрихов миры, создаваемых объективом ОЭС в плоскости МФПУ, создают близким к частоте Найквиста конкретно для каждого канала КОЭС, но не равными ей;
- возникающий фазовый сдвиг изображения штрихов миры на всей ее длине относительно элементов МФПУ выбирают превышающим размер элемента МФПУ в 2…10 раз;
- дополнительно наносят на краях обеих мир пару штрихов с низкой пространственной частотой (НПЧ);
- левые границы центральных штрихов ВПЧ обеих мир выполняют на одной вертикали;
- положение нижней границы миры канала 1 и верхней границы канала 2 выполняют таким образом, чтобы они касались друг друга;
- при контроле каналов КОЭС измеряют взаимное смещение пучностей и перетяжек в последовательности сигналов ВПЧ и вычисляют степень отклонения оптической оси каждого из каналов КОЭС в направлении строчной развертки
Δβ=Δβ₁±Δβ₂=n_шт1∗k₁+n_шт2∗k₂, где:
n_шт1 и n_шт2 - число импульсов смещения левых границ центральных штрихов;
k₁, k₂ - степень отклонения изображения шагового расстояния изображения миры от шагов пикселов МФПУ, 0,1>k>0,005, а число штрихов миры больше 2/k (n_шт>2/k);
- определяют размах сигнала U_CMAX в каждом канале КОЭС в пучности центральной области миры;
- определяют граничные строки N_C1 и N_C2 для каналов 1 и 2, соответственно, на которой сигнал от миры в пучности остается наиболее близким к U_CMAX;
- изменяют номер строки на единицу в одном из каналов и вновь производят измерения амплитуд сигналов;
- вычисляют долю строки δ₁ канала 1 и долю строки δ₂ канала 2, на которую сместились вертикальные границы изображения миры по формуле:
δ=δ₁+δ₂=U_x1/U_cmax1+U_x2/U_cmax2;
- вычисляют размах сигнала от штрихов НПЧ U_HЧ1 и U_HЧ2 обоих каналов и по отношению амплитуд U_НЧ1 и U_НЧ2 вычисляют угол Δε поворота линий визирования каналов в направлении, перпендикулярном строчной развертке
Δε=(U_HЧ1-U_HЧ2)∗δ/U_1HЧ.