Устройство для селекции объектов с известной спектральной характеристикой Советский патент 1983 года по МПК H04N7/18 

Изобретение относится к прикладно му телевидению и может использоваться для наблюдения за объектами с известной спектральной характеристикой На .изменяющемся окружающем фоне, осо бенно в тех случаях, когда велик диапазон изменений величины сигнала фо на и значительно превшиает величину сигнала изучаемого объекта, т.е. ког да объект малоконтрастный, а именно при применении телевидения в астро-. номии, медицине, технике интерскопии и т.д. Наиболее близким к предлагаемому устройству по своему функциональному назначению и построению является уст ройство, содержащее оптический блок, две цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных телевизионного датчика, усилителя и вычитателя,- сумматор, синхрогенератор и видеоконтрольнцй блок. При зтомвыход каждого из усилителей соединен также с неинвертирующим входо вычитателя другой цепи, а управляющи входы телевизионных датчиков соединены с первым выходом ,синхрогенератора Cl3. К недостаткам устройства относятся значительная.величина сигнала фона, отсутствие подавления флуктуационных помех телевизионного датчика, отсутствие подавления структурных помех фотоэлектрического преобразователя изображения (ФЭПИ). Цель изобретения - повышение различимости объектов с известной спектральной характеристикой за счет уве личения отношения полезного сигнала к сигналу помехи. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее оптичес кий блок две цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных телевизионного датчика усилителя и вычитателя, сумматор, синхрогенератор и видеоконтрольный блок, при этом выход каждого из усилителей соединен также с неинвертирующим вхо дом вычитателя другой цепи, а управляющие входы телевизионных датчиков соединены с первым выходом синхрогенератора, введены синхронный коммутатор, блок памяти и блок управления а между оптическим блоком и оптическими входами телевизионных датчиков установлен блок формирования и смены спектральных зон, причем два информационных входа синхронного коммутатора подключены к выходам вычитателей, управляющий вход - к выходу блока формирования и смены спектральных зон, а выход - к первому входу сумматора, выход которого через блок памяти подключен к входу видеоконтрольного блока/ второй выход блока памяти - к второму входу сумматора, первый выход синхрогенератора подключен также к первому управляющему входу блока памяти, а второй выход - к входу блока управления, выходы которого соединены с управляющим входом блока формирования и смены спектральных зон, с вторым управляющим входом блока памяти и управляющим входом видеоконтрольного блока. На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства. Устройство содержит оптический блок 1, блок 2 формирования и смены спектральных зон, телевизионные датчики 3 и 4, усилители 5 и 6, вычитатели 7 и 8, синхронный коммутатор 9, сумматор 10, блок 11 памяти, видеоконтрольный блок 12, синхрогенератор 13 и блок 14 управления. Оптический блок 1 может быть выполнен в виде одного объектива с расщипителем световых потоков либо в виде двух объективов, имеющих одно поле зрения. Блок 2 формирования и смены спектральных зон может быть выполнен в виде набора спектральных фильтров или дихроичных зеркал, пе реключаемых механически, либо в виде электро- и магнитооптических фильтров, переключаемых соответственно электрическими или магнитными сигналами. Телевизионныедатчики 3 и 4 могут быть выполнены по известным схемам передающих камер (за исключением оптической части} на любых известных ФЭПИ ( передающие трубки, ПЭС-матрищ- с усилителями света и без них, и включать в свой состав различные узлы линейной обработки видеосигнала . (апертурные и гамма-корректоры, схемы фиксации, схемы выделения сигналов нормированной длительности и т.п.). Выходной сигнал может быть представлен как в аналоговой, так и в цифровой форме. В последнем случае в-телевизионных датчиках должен быть установлен НЛП, а все последующие блоки выполнены в виде узлов цифровой обработки сигналов, при этом могут отсутствовать усилители 5 и б. Преобразование аналоговой формы сигнала в цифровую может быть осуществлено в любой части устройства, начиная от телевизионных датчиков 3 и 4 и кончая видеоконтрольным блоком 12. В случае аналоговой форьФл сигнала блок 11 памяти может быть выполнен с использованием ПЭС-матриц с электрическим вводом сигнала либо запоминающих трубок, а в случае цифровой формы сигнала - в виде известных электрических или магнитных запоминающих узлов для цифровых сигналов. Видеоконтрольный блок 12 может представлять собой любые регистрирующие устройства: магнитофон, фоторегистратор, осциллограф и т.п., либо интерфейсный блок, предназначенный для передачи видеосигнала к другим устройствам систем.. При конкретном исполнении связи могут быть выполнены в виде шины, т.е. нескольких линий, подающих слож ный сигнал. Например, с телевизионного синхрогенератора 13 могут посту пать такт 1рующие импульсы строк и полей, смесь гасящих и синхронизирующих импульсов, а в случае цифрового представления сигнала и при приме нении ПЭС-матриц, - тактирующие импульсы элементов и стол&цов. При применении параллельного цифрового кода видеосигнал может подаваться по шине в несколько проводов. Различимость объектов при телевизионном Наблюдении определяется отношением Ц величины сигнала от объекта изучения к величине помехи Ф-результирующий сигнал объекта изучейия, результируюпщй сигнал помехи. При этом результирующий сигнал поме хи ОПР состоит из трех компонент: сигнала фона Uft , сигнала структу ной помехи Uyic фотоэлектрического преобразователя изображения, входящего в телевизионный датчик 3 или 4, сигнала флуктуационной помех UM . т.е. V- j p V i Работа устройства поясняется на примере наблюдения солнечных протуберанцев. Наблншение протуберанцев осложняется из-за большой яркости поверхности Солнца. Для протуберанцев, н ходящихся у края диска Солнца, фоном являетая фотосфера, а на самом диске поверхность Солнца. Благодаря прозрачности протуберан цев лучистый поток от них складывает ся с лучистым пот-оком фона, и в результате динамический Д :апазон яркос ной составляет . Динамический диапазон телевизионных датчиков 3 и составляет приблизительно 10 и т.д наблюдение солнечных протуберанцев помощью такой системы невозможно. Ес ли применить устройства подавления флуктуационных помех, то потребуется накопитель с динамическим диапазо ном более. 10 (« , что трудно осуществимо даисе при цифровой кодировании телевизионного сигнала. Кром того, структурная помеха ФЭПИ не по золит различить на телевизионном эк ране сигнал, составляющий 10 час общего сигнала.. В данн9М устройстве эта задача р шается следующим образом. Первоначал но выбираются спектральные зоны, затем организуются необходимые циклы и подцикл ; работы устройства. Выбор зон. Благодаря разнице температур солнечной поверхности (5800 К/ и температуры пазов протуберанцев (7000- 8000 К можно выбрать две спектральные зоны так, что первая зона будет лежать в коротковолновой области спектра, где динамический диапазон составляет 10 а вторая зона - в длинноволновой области спектра, где динамический диапазон более 10 5, т.е. контраст меньше, чем в первой зоне {при других применениях предлагаемого устройства необходимо выбирать, зоны исходя из максимальной разнищ в контрастах с учетом отрицательного контраста), В этом случае, зоны должны иметь полностью или частично взаимно обратные характеристики. В дальнейшем поверхность Солнца будем называть фоном, а протуберанц - объектом изучения. Работа устройства в цикле, . В начальный момент (первый подцикл) блок 2 формирования и смены спектральных зон обуславливает работу в первой зоне телевизионного датчика 3 и во . второй зоне телевизионного датчика 4. При этом выходной видеосигнал телевизионного датчика 3 }(у имеет вид WV -nc-O;. где U(h. - сигнал фона в первой зо- не, иQg - сигнал объекта изучения в первой зоне, сигнал структурной помехи ФЭПИ первого датчика 3, и щ - сигнал флуктуационной помехи первого датчика 3. Видеосигнал телевизионного датчика 4 соответственно имеет вид Оф - сигнал от фона на второй зоне, UQPJJ - сигнал от объекта изучения во второй зоне, у - сигнал структурной помехи второго датчика 4, Una сигнал флуктуационной помехи второго датчика 4. видеосигналы телевизионных датчиков 3 и 4 через усилители 5 и 6 по-. ступают на входы вычитателей 7 и 8, при этом коэффициенты пропускания лучистого потока на оптические входы телевизионных датчиков 3 и 4 в блоке 2 формирования и смены зон спектральных зон выбираются так, чтобы иф -ифаНо так как контраст в зонах различен, IJoSi видеосигнал от телевизионного датчика. 3 поступает на инвертирующий вход вычитателя 7 и на

неинвертируюс1ий вход второго вичитателя 8, а видеосигнал от телевизионного датчика 4, соответственно, - на неинвертирующий вход вьзчитателя 7 и инвертирующий вход вычитателя 8. В

результате на выходе первого вмчита теля 7 видеосигнал имеет вид

и вым/Ч и Б. + и...пс+0,,ш),

после преобразования гЮлучим ,--а-., -UoH2 U nc-Uinc ш 15

так как

.Фа°

т.е. после вычитателя 7 сигнал фона Оф значительно уменьшен, хотя величина флуктуационной помехи возросла, а величина сигнала структурной помехи остается неопределенной.

Соответственно видеосигнал на выходе вычитателя 8 имеет вид

J Bbi4 °i% Jo6/Vu.Jinc,2.nc TlOm. где также

|aal«-f

видеосигналы вычитателей 7 и 8 поступают на синхронный коммутатор 9, который под действием управляющего сигнала с блока 2 формирования и смены спектральных зон пропускает на свой информационный выход видеосигнала с того Ёычитателя 7 или 8, на входе которого сигнал от объекта изучения в первой зоне Uog--) положителен. В первый подцикл таким видеосигналом является видеосигнал первого вычитателя 7. Этот видеосигнал поступает на первый вход cy дмaтopa 10, на второй вход которого поступает видеосигнал с блока 11 памяти, выходной видеосигнал с сумматора 10-поступает на вход блока 11 памяти, где хранится до слёйУющего подцикла. После первого подцикла в блоке 11 памяти хранится видеосигнал (J, , равный

Цтс- r- -iBbiw O этой подцикл заканчивается. По сигналу с блока- 14 управления 14 блок 2 формирования и смены спектральных зон изменяет спектральные зоны работы телевизионных датчиков 3 и 4 Гак, что в первой зоне работает телевизионный датчик 4, а во второй - телевизионный датчик-3. В этом подцикле видеосигнал на выходе перво го вычитателя 7 имеет вид

fUiBbiM,aaUg,-Uo5, + Uop,, .

65

а на выходе вы итателя 8

а&ЫЧа; ч .пс Tf «JiuПо окончанию переходных процессов с управляющего выхода блока 2 формирования .и смены спектральных зон поступает сигнал управления на управляющий вход синхронного коммутатора 9, и на его информационный выход проходит сигнал от второго вычитателя 8, т„е. сигнал, в котором сигнал от объекта изучения в первой зоне (JQg- положителен. Выходной видеосигнал сумматора 10, который хранится после второго подцикла в блоке 11 памяти, имеет вид

Лт: - 1 { 1&ыЧ1 аът.: а.иф иобг оБ2 и;пс-и2пс и1 °,иф

Jo6 -Uoe2-U1пc- JQ.nc f20ш-2a U0

,2(Uo6p,-Uo5i)t2LOw

Таким образом, после двух подциклов в блоке 11 памяти хранится видеосигнал, в котором исключены сигналы структурных помех ФЭПИ обоих телевизионных датчиков 3 и 4. По прошествии 2 подциклов в блоке 11 памяти хранится сигнал вида

UuNic--2Ncx,(Uos,-Uoe,MYNau,.

в этом видеосигнале отношение Ч составит

.2 OJoMrUogi2 Шоб-1-Uoga) 2№.иф42УгГОц, Яа Оф+Ош

При точной установке коэффициентов пропускания в блоке 2 формирования и смены спектральных зон, правиль ном выборе зон и коэффициентов преобразования телевизионных датчиков , Uoea. . Тогда результирующее отношение Ч равно

.

где V|). Uo5t

- отношение сигнала от vn объекта изучения к флуктуационной помехе в выходном видеосигнале телевизионного датчика (3 или 4.

По прошествии 2N подциклов по сигналу блока 14 управления с блока 11 памяти видеосигнал поступает на видеоконтрольный блок 12, синхронизируемый блоком 14 управления, а блок 11 памяти обнуляется. На этом закан.чивается цикл. Повторение циклов осуществляется iio сигналам блока 14 управления. Во время работы телевизионные датчики 3 и 4 и блок 14 управления тактируются сигналами от телевизионного са$нх1зогенвратора 13.

Для расчёта количества подциклов .можно применить формулу

.

где tW3 - ближайцше целое число «.

В приведенном примере для фикса. ции простра1нственного положения про10туберанца достаточноФр - , тогда динамический диапазон К блока 11 памяти рассчитывается по формуле;

Wi - : ;

(600;: i

15

В рассматриваемом. примере,К |.р - 8000 2 V . эначительно меньше, чем-при применении накопления без данного устройства. ( В случае последовательного включения устройств спектральной селркции и подавления Алуктуационных помех ( накопление) требуется .динамический диапазон блока 11 памяти равный -2 .

V - :

где Ц). отношение сигнала фона к ; сигналу Алуктуационной и структурной помехи, фактически равное динамическому диапазону телевизионной системы. . Применение предлагаемого устройства позволяет уменьшить этот диапазон: в фф раз. В случае t|) 1 в абсолютном больиенстве систем, не имеющих устройств подавления флуктуационг HbJjJ помех, объект изучения не различается, а в системах, где имеются такие подавители, основным мешающим фактором становятся структурны помехи. При этом выигрыш А) в отношении полезный сигнал к сигнгшу ,при неограниченном объеме блока памяти, составляет 1

I . А/

Т.е.при значительной величине структурной помехи- по сравнению с флуктуационной помехой накопление не дает выигрьша.

Предложенное устройство лишено этого недостатка и позволяет различить объект изучения в тех случаях, когда известные устройства этого не обеспег чивают, и увеличивает отношение полезного сигнала к сигналу помехи,

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ ОБЪЕКТОВ С ИЗВЕСТНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ, содержащее оптический блок, две цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединен- ных телевизионного датчика, усилителя и вычитателя, сумматор, синхрогенератор и видеоконтрольный блок, при этом выход каждого из усилителей соединен также с неинвертирующим входом вычитателя другой цепи, а управляющие входы телевизионных датчиков соединены с первым выходом синхрогенератора, отличающее ся тем, что, с целью увеличения отношений полезного сигнала к сигналу помехи, в него введены- синхронный коммутатор, блок памяти и блок управления, а между оптическим блоком и оптическими входами телевизионных датчиков установлен блок формирования и смены спектральных зон, причем два информационных входа синхронного коммутатора подключены к выходам вычитателей, управляющий вход - к выходу блока формирования и смены спектральных зон, а выход - к первому входу сумматора, выход которого через блок памяти подключен к входу видеоконтрольного блока, второй выход блока памяти - к второму входу сумматора, первУй выход синхрогенератора подключен также W к первому управлякяцему входу блока пайяти, а второй выход - к входу блока управления, выходы которого соединены с управляющим входом блока формирования и смены спектральных зон, с вторым управлякндим входом блока памяти и управляющим входом видеоконтрольного блока. 00 о о 4