Телевизионное устройство для измерения оптико-физических параметров объектов Советский патент 1992 года по МПК H04N17/00 

Изобретение относится к прикладному телевидению, в частности к телевизионным измерительным системам оптико-физических параметров протяженных объектов, и может быть использовано для дистанционного определения загрязнений акваторий геологических и астрофизических исследованиях, в метеорологии для определения состояния атмосферы и т.д.

Известно устройство Поляровизор позволяющее проводить одновременное исследование поляризованной и неполяризованной компонент двумерного оптического сигнала изображения.

Поляровизор содержит приемный блок, состоящий из двух оптико-электронных каналов, содержащих объективы и телевизионные камеры поляризационного модулятора, расположенного перед первой телевизионной камерой и синхрогенератора, блок

обработки информации, состоящий из устройства обработки видеосигнала, двух логарифмических ус/тшелей, нормирующего усилителя и узла памяти. При этом выходы синхрогенератор.1 подключены к управляющим входам телевизионных камер и устройства обработки видеосигнала, информационные входы которого соединены с выходами первой телевизионной камеры через последовательно включенный нормирующий усилитель, а с выходом второй телевизионной камеры - непосредственно, первый и второй выходы устройства обработки видеосигнала соединены через последовательно включенные логарифмические усилители с соответствующими входами устройства обработки видеосигнала, третий выход которого соединен с первым входом пульта управления, зторой выход которого соединен с входгми видеоконтрольного усVJ

СО

ю со

ч

тройства и узла памяти, а третий вход через последовательно включенный амплитудный анализатор - с соответствующим входом блока обработки видеосигнала.

Однако поляривизор имеет малые функциональные возможности, не позволяющие наблюдать пространственное распределение азимута плоскости поляризации линейно-поляризованного оптического сигнала и пространственное распределение эллиптичности частично поляризованного оптического сигнала. Кроме того, недостатком является низкая точность воспроизводимого на экране ВКУ-изображе- ния вследствие нелинейных аналоговых методов обработки видеосигнала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является видеополяриметр, содержащий первый, второй, третий линейные поляризаторы, первую, вторую и третью телевизионные камеры, нормирующий усилитель, сумматор, первый и второй вычитатели, первый второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок вычисления степени поляризации блок вычисления азимута поляризации, буфер, первый, второй и третий цифроанало- говые преобразователи, цветокорректи- рующую матрицу, цветное видеоконтрольное устройство, устройство задержки синх- росмеси, тактовый генератор и синхро- генератор, при этом синхровыходы синхро- генератора соединены с соответствующими синхровходами трех телевизионных камер и через последовательно включенное устройство задержки синхросмеси - с соответствующими синхровходами цветности видеоконтрольного устройства, выход гашения синхрогенератора соединен с входами гашения трех телевизионных камер, выход тактового генератора соединен с тактовыми входами синхрогенератора, трех аналого-цифровых преобразователей, буфера, блока вычисления степени поляризации, блока вычисления азимута поляризации и устройства задержки синхросмеси первый, второй и третий линейные поляризаторы оптически связаны с оптическими входами соответствующих телевизионных камер, При этом выход первой телевизионной камеры соединен через последовательно включенный сумматор с входом первого аналого-цифрового преобразователя и со вторыми входами первого и второго вычита- телей непосредственно, выход второй теле- визионной камеры соединен через последовательно включенные нормирующий усилитель и первый вычиз атель с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьей телевизионной камеры соединен через последовательно включенный второй вычитатель с входом третьего аналого-цифрового преобразователя и со вторым входом сумматора и

третьим входом первого вычитателя непосредственно, выходы первого аналого-цифрового преобразователя соединены через последовательно включенный буфер с соответствующими входами первого цифроана0 лотового преобразователя и вторыми входами блока вычисления степени поляризации непосредственно, выходы второго аналого-цифрового преобразователя соединены через последовательно включенный

5 блок вычисления степени поляризации с входами второго цифроаналогового преобразователя и вторыми входами блока вычисления азимута поляризации непосредственно, выходы третьего аналого-цифрового

0 преобразователя соединены через последовательно включенный блок вычисления азимута поляризации с соответствующими входами третьего цифроаналогового преобразователя и с третьими входами блока вы5 числения степени поляризации непосредственно, выходы первого, второго и третьего цифроаналоговых преобразователей соединены через последовательно включенную цветокорректирующую матрицу с соответ0 ствующими входами цветного видеоконтрольного устройства. Работа известного устройства основана на реализации метода определения первых трех параметров вектора Стокса и их относительных функциона5 лов степени поляризации и азимута плоскости поляризации частично линейно- поляризованного светового потока,

Для реализации данного метода плоскости пропускания поляризатора устанав0 ливаются относительно, например, горизонта под углами 0, 45 и 90° соответственно для первого, второго и третьего линейных поляризаторов Обозначая выходные сигналы первый, второй и третьей телевизионной

5 камеры как I (0°), I (45°), I (90°) соответственно, записывают алгоритмы вычисления первых трех параметров вектора Стокса. I I (0°) + I (90°) Q I (0°) -1 (90°)

0U 2I(45°)-I(0°}-I(900),

где первый параметр I характеризует интенсивность оптического сигнала, второй параметр Q характеризует преимущественную горизонтальную линейную поляризацию и

5 третий параметр U характеризует преимущественную линейную поляризацию под углом 45°.

Оцифрованные видеосигналы I, Q, U поступают на блоки вычисления степени поляризации и азимута плоскости линейной

поляризации Р и а. Именно эти величины и представляют интерес для визуального анализа, поскольку они являются относительными величинами, т.е. независимыми от входной экспозиции. Кроме того, с их помощью можно создать количественное описание поляриметрических свойств объектов.

Блоки вычисления функционируют в соответствии с выражениями

Р

V+U2

a |arctg()

Результаты вычислений, а также задержанный в буфере на необходимое для временного совмещения сигналов Р, I и а сигнал 1 после цифроаналогового преобразования подаются на цветокорректирую- щую матрицу, обеспечивающую преобразование координат цветового пространства, связанного с выходными сигналами телевизионных каналов со стандартизованной системой XYZ величин, принятой в цветном телевидении по стандарту PAL

Однако данное техническое решение не позволяет измерять и визуально исследовать все поляриметрические характеристики оптического изображения.

Известно, что световой поток полностью описывается четырьмя параметрами вектора Стокса, где четвертый параметр V характеризует преимущественную право- циркулярную поляризацию. Функционально связанная с ней относительная величина /с-эллиптичность, численно равная отношению осей эллипса, описываемого электрическим вектором светового сигнала.

Определение четвертого параметра вектора Стокса и эллиптичности особенно важно при исследованиях аэрозольного состава атмосферы поскольку при рассеянии света на мелкодисперсном аэрозоле по эллиптичности можно судить о диэлектрической проницаемости частиц и соответственно о физической природе и составе аэрозолей.

Следовательно, исследование двумерного распределения эллиптичности при наблюдении в надир, например, с вертолета позволяет определить величину загрязнений и область их распространения в атмосфере. Кроме того, при поляриметрических исследованиях необходимо знать именно совокупность поляризационных параметров объекта, т.е. степень поляризации, азимут и эллиптичность, а не традиционную для

телевизионных систем интенсивность входного оптического сигнала.

Цель изобретения - повышение точности измерения поляризационных характеристик оптического сигнала.

Это достигается за счет того, что в видеополяриметр, содержащий первый и второй линейные поляризаторы, первую, вторую и третью телевизионные камеры, первый и

0 второй вычитатели, первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок вычислений степени поляризации, блок вычисления азимута поляризации, первый буфер, первый, второй и третий

5 цифроаналоговые преобразователи, коммутатор, цветокорректирующую матрицу, цветное видеоконтрольное устройство, тактовый генератор, синхрогенератор и блок задержки синхросмеси, выходы которого

0 соединены со синхровходами цветного видеоконтрольного устройства R, G, В - входы которого соединены через последовательно включенную цветокорректирующую матрицу с выходами первого, второго и третьего

5 цифроаналогового преобразователя соответственно, входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, причем первые входы коммутатора соединены с выходами блока вычисления степени

0 поляризации через последовательно включенный первый буфер, а третьи входы коммутатора соединены с выходами блока вычисления азимута поляризации, при этом выход тактового генератора соединен с так5 товыми входами первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, первого буфера, блока вычислений степени поляризации блока задержки синхросмеси и синхрогенератора, синхровыходы которого

0 соединены с синхровыходами блока задержки синхросмеси и синхровходами первой, второй и третьей телевизионных камер, входы гашения которых соединены с выходами гашения синхрогенератора, дополнительно

5 введены ослабитель, круговой правоцирку- лярный поляризатор, четыре идентичных светофильтра, четвертая телевизионная камера, третий вычитатель, второй буфер, четвертый аналого-цифровой преобразова0 тель, первый, второй и третий делители и блок вычисления эллиптичности. При этом первый и второй линейные поляризаторы оптически связаны через соответственно второй и третий светофильтры с оптически5 ми входами второй и третьей телевизионных камер, круговой правоциркулярный поляризатор оптически связан через четвертый светофильтр с оптическим входом четвертой телевизионной камеры, а оптический вход первой телевизионной камеры оптически связан через первый светофильтр с ослабителем. Выход первой, второй, третьей и четвертой телевизионной камеры соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого аналого-цифрового преобразователей соответственно, выходы первого из которых соединены со вторыми входами первого, второго и третьего вычи- тателей непосредственно и через последовательно включенный второй буфер со вторыми входами первого, второго и третьего делителей и первым входом блока вычисления степени поляризации, а выходы второго, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей соединены каждый через последовательно включенный соответствующий вычитатель с первыми входами первого, второго и третьего делителей и соответствующими входами блока вычисления степени поляризации, выходы первого, второго и третьего делителей соединены с соответствующими нечетными входами коммутатора, причем выходы первого делителя соединены также с первыми входами блока вычисления азимута поляризации, вторые входы которого соединены с выходами второго делителя, выходы третьего делителя соединены также с первыми входами блока вычисления эллиптичности, вторые входы которого соединены с выходами блока вычисления степени поляризации, а выходы - с шестыми входами коммутатора, причем синхровходы и входы гашения четвертой телевизионной камеры соединены с соответствующими выходами синхро- генератора, а выход тактового генератора соединен с тактовыми входами четвертого аналого-цифрового преобразователя, трех делителей, второго буфера и блока вычисления эллиптичности.

Для определения пространственного распределения эллиптичности вводится дополнительный оптоэлектронный канал обработки входного оптического сигнала, прошедшего круговой правоциркулярный поляризатор. Последующая нормировка телевизионных сигналов, пропорциональных параметрам вектора Стокса к величине интенсивности (первого параметра 1), позволяет снизить размерность видеоинформации до трех переменных, представляемых на цветном ВКУ и полностью характеризовать поляризационные свойства объектов в псевдоцветах.

Существенными отличиями предлагаемого устройства от известных является введение новых блоков и связей между ними, а также новых связей между известными блоками, которые позволяют реализовывать возможность измерения двумерного распределения четвертого параметра Стокса и эллиптичности. С этой точки зрения наиболее важными дополнительно введенными блоками являются круговой правоциркулярный поляроид, ослабитель, блоки деления и блок вычисления эллиптичности.

Дополнительным отличием является усложнение структуры известных блоков вычисления степени поляризации и азимута

0 поляризации за счет увеличения размерности (разрядности и количества) входных сигналов.

На чертеже представлена структурная схема телевизионного устройства для изме5 рения оптико-физических параметров объектов,

В состав структурной схемы предлагаемого устройства входят ослабитель 1, первый и второй линейные поляризаторы 2, 3;

0 круговой правоциркулярный поляризатор 4; светофильтры 5-8; первая - четвертая телевизионные камеры 9-12. синхрогенератор 13, первый - четвертый аналого-цифровые преобразователи 14-17, тактовый генератор

5 18, второй буфер 19, первый, второй и третий вычитатели 20-22, первый, второй, третий делители 24-26, блок 27 задержки синхросмеси, блок 23 вычисления степени поляризации, первый буфер 28, блок 29 вы0 числения азимута поляризации, блок 30 вычисления эллиптичности, коммутатор 31, первый, второй и третий цифроаналоговые преобразователи 32-34, цветокорректирую- щую матрицу 35, цветное видеоконтрольное

5 устройство 36.

Телевизионное устройство содержит последовательно оптически связанные ослабитель 1, светофильтр 5 и первую телевизионную камеру 9, выход которой соединен

0 с входом первого аналого-цифрового преобразователя 14, Оно также содержит последовательно оптически связанные первый линейный поляризатор 2, светофильтр 6 и вторую телевизионную камеру 10, выход ко5 торой соединен с входом второго аналого- цифрового преобразователя 15, последовательно оптически связанные третий линейный поляризатор 3, светофильтр 7 и третью телевизионную камеру 11, выход которой

0 соединен с входом третьего аналого-цифрового преобразователя 16. Кроме того, устройство содержит последовательно оптически связанные круговой правоциркулярный поляризатор 4, четвертый светофильтр

5 8 и четвертую телевизионную камеру 12, выход которой соединен с входом четвертого аналого-цифрового преобразователя 17. Выходы первого аналого-цифрового преобразователя соединены непосредственно со вторыми входами первого, второго, третьего делителей 24, 25, 26 и первым входом блока 23 вычисления степени поляризации. Вторые, третьи и четвертые входы блока 23 соединены с первыми входами первого, второго, третьего вычитателей 24, 25 и 26 соответственно.

Первые входы блока 29 вычисления азимута поляризации соединены с выходами первого делителя 24. Вторые входы блока 29 соединены с выходами второго делителя 25. Первые входы блока 30 вычисления эллиптичности соединены с выходами третьего делителя 26. Вторые входы блока 30 соединены с выходами блока 23 и через последовательно включенный второй буфер 28 - с входами первого цифроаналогового преобразователя 32 через последовательно включенный коммутатор 31. Выходы блока 30 соединены с входами третьего цифроаналогового преобразователя 34 через последовательно включенный коммутатор 31. Выходы блока 29 соединены со входами второго цифроаналогового преобразователя через последовательно включенный коммутатор 31. Выходы первого, второго и третьего цифроаналогового преобразователей 32, 33 и 34 соединены через последовательно включенную цветокорректирующую матрицу 35 с R, G, В-входами цветного видеоконтрольного устройства 36.

Выход тактового генератора 18 соединен с тактовыми входами четырех аналого- цифровых преобразователей 14-17, трех вычитателей 20, 21 и 22, трех делителей 24, 25 и 26, блоков 23, 29 и 30, трех цифроана- логовых преобразователей 31,32 и 33, буферов 19 и 28, блока 27 и синхрогенератора 13.

Синхровыходы синхрогенератора 13 соединены с синхровыходами четырех телевизионных камер 9-12 и через последовательно включенный блок 27 с синхровхо- дами цветного видеоконтрольного устройства 35. Выходы гашения синхрогенератора 13 соединены с соответствующими входами четырех телевизионных камер 9-12.

Телевизионное устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал поступает в синхронно работающие четыре оптикоэлектрон- ных канала, синхронизация которых обеспечивается синхрогенератором 13.

В первом канале оптический сигнал ослабляется ослабителем 1 в два раза. Во втором канале установлен линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет 0° с горизонтом, принятым за плоскость рефренции. В третьем канале оптический сигнал проходит линейный поляризатор 3, плоскость пропускания которого составляет 45° с горизонтом. В четвертом канале оптический сигнал проходит через круговой правоциркулярный поляризатор 4. Прошедшие через оптические элементы световые потоки спектрально ограничиваются в каждом канале светофильтрами 5-8 в соответствии с областью спектральной эффективности кругового поляризатора 4.

Оцифрованные в аналого-цифровых преобразователях 14-17 видеосигналы с телевизионных камер 9-12 соответственно подвергаются параллельной линейной обработке в вычитателях 20, 21, 22 и нелинейной обработке в делителях 24, 25 и 26.

В результате операции вычитания видеосигналов, обозначенных как I (0,5), I (0°), I (45°) и I (0) для соответствующих оптико- электронных каналов на выходе вычитателей 20, 21 и 22, будут сформированы видеосигналы, пропорциональные четырем параметрам вектора Стокса в соответствии с выражениями I I (0,5)

Q I (0°) -1 (0,5) U I (45°) - I (0,5) V I (Q) - I (0,5)

Деление полученных видеосигналов на величину текущего значения видеосигнала с

выхода первого буфера 19 в блоках 24, 25 и 26 позволяет получить видеосигналы, пропорциональные нормированным значениям параметров вектора Стокса

Q-Q/I.U-U/I, V V/I

Коммутатор 31 позволяет визуализировать либо три нормированных параметра Стокса, либо относительные поляризационные параметры.

Нахождение степени поляризации Р, азимута поляризации а и эллиптичности к в соответствующих блоках вычисления этих параметров 23,29 и 30 по следующим решениям

P VQ2 + U2+V2

a,-ctg(U/Q)

vtg(1/2arcsin(V/P))

После цифроаналогового преобразования полученных значений Р, а и к и матрицирования видеосигналов в цветокоррек- тирующей матрице 35 видеосигналы поступают на R, G, В-входы цветного видеоконтрольного устройства 36, с экрана которого они могут быть предъявлены наблюдателю в псевдоцветах, отражающих пространственное распределение количеств вычисленных поляризационных параметров объектов наблюдения,

Для синхронизации операций конвейерной цифровой обработки видеосигналов в видеополяриметре используются тактовый генератор 18 и буферы 19 и 28. В блоке 27 осуществляется коррекция временного рассогласования синхронизации аналоговых видеосигналов на входе и выходе цифровых устройств обработки.

Изобретение позволяет расширить диапазон измеряемых оптических характеристик и полностью контролировать пространственное распределение поляризационных параметров оптического поля, включая второй, третий и четвертый параметры вектора Стокса, или в зависимости от выбора степень поляризации, азимут поляризации и эллиптичность.

Осуществление нормировки значений трех параметров Стокса к текущему значению видеосигнала пропорционально входной интенсивности позволяет уменьшить влияние геометрических и временных условий наблюдения за счет уменьшения глубины автоматической регулировки телевизионных камер по уровню входного светового потока. Это создает дополнительные преимущества за счет уменьшения влияния нелинейности и неидентичности звеньев оптико-электронной обработки.

Формула изобретения

Телевизионное устройство для измерения оптико-физических параметров объектов, содержащее первый и второй линейные поляризаторы, первую, вторую и третью телевизионные камеры, первый и второй вы- читатели, первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок вычисления степени поляризации, блок вычисления азимута поляризации, первый буферный усилитель, первый,второй и третий цифроаналоговые преобразователи, коммутатор, цветокорректирующую матрицу, цветной видеоконтрольный блок, тактовый генератор, синхрогенератор и блок задержки синхросмеси, выходы которого соедине- ны со синхровходами цветного видеоконтрольного устройства R, G, В-вхо- ды которого соединены через последовательно включенную цветокорректирующую матрицу с выходами первого, второго и третьего цифроаналогового преобразователя соответственно, входы которых соедине- ны с соответствующими выходами коммутатора, причем первые входы коммутатора соединены с выходами блока вычисления степени поляризации через последовательно включенный первый буферный усилитель, а третьи входы коммутатора соединены с выходами блока вычисления азимута поляризации, при этом выход тактового генератора соединен с тактовыми входами первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, первого буферного усилителя, блока вычисления степени поляризации, блока вычисления азимута поляризации, блока задержки синхросмеси и синхрогенератора, синхровыхо0 ды которого соединены с синхровходами блока задержки синхросмеси и синхровходами первой, второй и третьей телевизионных камер, входы гашения соединены с выходами гашения синхрогенератора, о т 5 личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены ослабитель, круговой правоцирку- лярный поляризатор, четыре идентичных светофильтра, четвертая телевизионная ка0 мера, третий вычитатель, второй буферный усилитель, четвертый аналого-цифровой преобразователь, первый, второй и третий делители и блок вычисления эллиптичности, при этом первый и второй линейные поля5 ризаторы оптически связаны через соответственно второй и третий светофильтры с оптическими входами второй и третьей телевизионных камер, круговой правоцирку- лярный поляризатор оптически связан

0 через четвертый светофильтр с оптическим входом четвертой телевизионной камеры, а оптический вход первой телевизионной камеры оптически связан через первый свето- фильтр с ослабителем, выход первой,

5 второй, третьей и четвертой телевизионной камеры соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого аналого-цифрового преобразователей соответственно, выходы первого из которых соединены с

0 вторыми входами первого, второго и третьего вычитателей непосредственно и через последовательно включенный второй буферный усилитель со вторыми входами первого, второго и третьего делителей и первым

5 входом блока вычисления степени поляризации, а выходы второго, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей соединены каждый через последовательно включенный соответствующий вычитатель с

0 первыми входами первого, второго и третьего делителей и соответствующими входами блока вычисления степени поляризации, выходы первого, второго и третьего делителей соединены соответствующими нечетны5 ми входами коммутатора, причем выходы первого делителя соединены также с первыми входами блока вычисления азимута поляризации, вторые входы которого соединены с выходами второго делителя, выходы третьего делителя соединены также с первыми

входами блока вычисления эллиптичности, вторые входы которого соединены с выходами блока вычисления степени поляризации, а выходы - с шестым входом коммутатора, причем синхровходы и входы гашения четвертой телевизионной камеры соединены с

соответствующими выходами синхрогене- ратора, а выход тактового генератора соединен с тактовыми входами четвертого аналого-цифрового преобразователя, трех делителей, второго буферного усилителя и блока вычисления эллиптичности.

Изобретение относится к прикладному телевидению, в частности к телевизионным измерительным системам оптико-физических параметров и протяженных объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устр-во содержит ослабитель 1 первый и второй линейные поляризаторы 2, 3,круговой правоциркулярный поляризатор 4,четыре светофильтра 5-8, первую-четвер- тую телевизионные камеры 9-12, синхронизатор 13, первый-четвертый аналого-цифровые преобразователи 14-17, тактовый генератор 18, второй буфер 19. первый, второй, третий вычитатели 20, 21, 22, первый, второй, третий делители 24, 25, 26, блок 27 задержки синхросмеси, первый буфер 28, блок 29 вычисления азимута поляризации, блок 30 вычисления эллиптичности, коммутатор 31, цифроаналоговые преобразователи 32, 33, 34, цветокорректирующую матрицу 35, цветной видеоконтрольный блок 36. 1 ил fe