Способ спектрозонального обнаружения объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01J3/50 

Изобретение относится к оптоэлектро- нике и предназначено преимущественно для аэрокосмической разведки природных ресурсов и других аналогичных исследований.

Цель изобретения - упрощение способа за счет визуального обнаружения в реальном масштабе времени,за также повышение эффективности устройства при визуальном наблюдении.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства для спектрозо- нального обнаружения объекта: на фиг.2 - примеры спектральных зависимостей коэффициентов отражения объекта и фона; на фиг.З - примеры зависимостей А Пр в преобразованном изображении от коэффициента отражения в исходном изображении; на фиг.4 - эпюры напряжений, подаваемых на светофильтр и преобразователь.

Способ включает операции получения ряда спектрозональных изображений объекта и их тематическую обработку. При этом осуществляется последовательная и циклическая смена выделяемых спектрозональных изображений и выполнение тематической обработки, в процессе которой каждый элемент каждого спектрозонального изображения окрашивают в цвет в соответствии с коэффициентом отражения этого элемента, причем участки изображения, имеющие совпадающие с обнаруживаемым объектом спектральные коэффициенты отражения, окрашивают в один из основных цветов и сохраняют этот цвет за такими участками п ри обработке всего ряда спектрозональных изображений. Выделение спектрозональных изображений производят дискретно или плавно, а их циклическую смену и последующую обработку проводят

Ё

00

го ю о

00

со

периодически, причем наблюдение производят интегрально по времени.

Устройство содержит три функционально связанных блока: управляемый светофильтр 1, блок 2, электронно-оптического преобразователя и блок 3 синхронизации, а кроме того фотоприемник 4, объектив 5, полупрозрачное зеркало 6, линзы оборачивающей системы 7, 8, окуляр 9.

Управляемый светофильтр 1 состоит из поляризатора 10, анализатора 11, стеклянных подложек. 12,13, прозрачных электродов 14, 15, изолирующей прокладки 16 слоя жидкого кристалла 17.

Блок 2 электронно-оптического преоб- разователя состоит из стеклянных подложек 18, 19,. прозрачных электродов 20 ,21, слоя фотопроводника 22, диэлектрического зеркала 23, изолирующей прокладки 24, слоя жидкого кристалла 25, полупрозрачно- го зеркала 26, поляризатора 27, анализатора 28, конденсатора 29, осветителя 30, источника питания 31.

Блок 3 синхронизации состоит из задающих генераторов 32, 33, блоков коммутации 34, 35, усилителей 36, 37, распределителя импульсов 38, генератора импульсов 39. Выходы генераторов 32, 33 соединены со вхо- дами блоков 34, 35, ко вторым входам которых подключены первый и второй выхо- ды распределителя 38, вход которого соединен с выходом генератора 39.

Представленные на фиг.2 кривая 40 - спектральный коэффициент отражения объекта, кривая 41 - спектральный коэффици- ент отражения фона.

,э уиг. 3 приведены зависимости длины волны Я Пр в преобразованных псевдоок- рашенных изображениях от коэффициента отражения г соответствующих элементов исходного изображения для зон А - кривая 42, Б - кривая 43, В - кривая 44.

Устройство работает следующим образом. С помощью управляемого светофильтра 1 из исходного изображения, на котором находится объект 0, последовательно выделяют ряд спектрозональных изображений, затем с помощью блока 3 электронно-оптического преобразователя, воспроизводят в условных цветах, при этом каждый элемент спектрозонального изображения окрашивают в цвет в соответствии с коэффициентом отражения этого элемента, причем участки изображений, имеющие совпадающие с обнаруживаемым объектом спектраль- ные коэффициенты отражения, окрашивают в один из основных цветов и сохраняют этот цвет за такими участками при обработке всего ряда спектрозональных изображений. Для удобства визуального наблюдения циклически повторяют последовательное выделение спектрозональных изображений и последующую их обработку со скоростью не ниже 20 циклов в секунду, наблюдение же проводят интегрально по времени с постоянной, превышающей время цикла. При этом, если какой-либо элемент изображения имеет совпадающие с обнаруживаемым объектом коэффициенты отражения на всех спектрозональных изображениях, то при быстрой их смене наблюдатель Н будет воспринимать этот элемент окрашенным в выбранный основной цвет. Если же хотя бы в одной из спектральных зон коэффициент отражения элемента изображения отличается от коэффициента отражения обнаруживаемого объекта, то результирующий цвет этого элемента, воспринимаемый наблюдателем, будет отличаться от выбранного основного цвета. Причем, поскольку выбранный цвет является основным, т.е. цветом, который невозможно получить смешением каких-либо других цветов, то никакая иная комбинация коэффициентом отражения обнаруживаемого объекта, не дает в результате смешения соответствующих этим коэффициентам цветов выбранного основного цвета. Следовательно, в выбранный основной цвет будут окрашены только области, неразличимые по спектральным коэффициентам отражения с обнаруживаемым объектом.

Синхронная работа управляемого светофильтра 1 и блока 22 электронно-оптического преобразователя обеспечивается при помощи блока 3 синхронизации. Синусоидальное напряжение с задающих генераторов 32, 33 приобретает необходимую форму после прохождения через управляемые усилители, образованные блоками коммутации 34, 35 и усилителями мощности 36, 37. Бло- . ки коммутации 34, 35 выполнены в виде ряда электронных ключей, коммутирующих регулируемые делители напряжения. Циклическое включение ключей осуществляется с помощью распределителя импульсов 38, выполненного на основе сдвигового регистра и управляемого генератором импуль- сов 39.

При изменении освещенности фона, на котором находится наблюдаемый объект, интенсивность падающего на блок 2 электронно-оптического преобразователя светового потока изменяется и соответственно происходит отклонение режима работы блока 2 электронно-оптического преобразователя. При этом цвет наблюдаемого объекта отклоняется от выбранного основного цвета. Для устранения этого эффекта в схему устройства дополнительно фотопри- емник 4. устанавливаем m п г - гопом потоке. отраженном от наблюдаемого фона. Сигнал с фотоприемника 4,пропорциональный освещенности фона, подается на блок 3 синхронизации и учитывается при формировании режима блока 2 электронно-оптического преобразователя.

Поскольку основных цвета три, то предлагаемым способом можно вести наблюдение одновременно за тремя различными объектами. Для этого нужно включить преобразователь 2 в такой режим, чтобы обнаруживаемые объекты были окрашены соответственно в красный, зеленый и синий цвета.

Для проверки эффективности предлагаемых способа и устройства был изготовлен опытный образец устройства. В качестве светофильтра 1 был использован жидкокристаллический управляемый светофильтр с работающим в нем электрооптическим ори- ентационным эффектом S-типа. Светофильтр представляет собой структуру, состоящую из слоя ориентированного жидкого кристалла, заключенного между двумя стеклянными подложками с нанесенными на них прозрачными электродами. Эта структура помещается между двумя поляризаторами, а к электродам подводится переменное напряжение с частотой (0,1-5) кГц. Управление спектральным пропусканием светофильтра осуществляется изменением амплитуды питающего напряжения.

В качестве преобразователя 2 был использован жидкокристаллический модулятор света, считывание информации с которого осуществляется коллимирован- ным поляризованным потоком белого света от лампы накаливания. Чувствительность модулятора - (1-Ю) мкВт/см2, в области спектра (0,4-0,9) мкм, разрешающая способность - 20 лип/мм. Питание модулятора осуществлялось переменным напряжением с частотой (0,1-5) кГц. Режим преобразования устанавливался изменениям частоты и амплитуды питающего напряжения.

Синхронная работа светофильтра 1 и преобразователя 2 обеспечивалась при помощи синхронизатора 3, блок-схема которого приведена на фиг.1. Синусоидальное напряжение с задающих генераторов 32, 33 приобретало необходимую форму после прохождения через управляемые усилители, образованные блоками 34, 35 и усилителя мощности 36, 37. Блоки 34, 35 выполнены в виде ряда электронных ключей, коммутирующих регулируемые делители напряжения. Циклическое включение ключей осуществлялось с помощью распределителя импульсов 38, выполненного на основе сдвигового регистра и управляемого генератором импульсов 39

На фиг, 4 приведены характерные Формы амплитуд Uoi и (Jos управляющих напряжений, подаваемых соответственно на светофильтр 1 и преобразователь 2 при ра5 боте устройства в трех спектральных зонах. Испытания показали, что устройство хорошо реализует предлагаемый способ наблюдения. Быстродействие элементов устройства обеспечивает воспроизведение

10 преобразованных псевдокрашенных изображений без мельканий.

В то же время испытания выявили следующую особенность устройства. При изменении освещенности сцены, на которой

5 находится наблюдаемый объект, интенсивность падающего на преобразователь 2 светового потока изменяется и соответственно происходит отклонение режима преобразо - вателя 2 от режима, предписываемого

0 предлагаемым способом. При этом цвет наблюдаемого объекта отклоняется от выбранного основного цвета. Для устранения этого эффекта в схему устройства целесообразно дополнительно ввести фотоприемник

5 4, устанавливаемый в световом потоке, отраженном от наблюдаемой сцены. Сигнал с фотоприемника 4, пропорциональный освещенности сцены, подается на синхронизатор 3 и учитывается при формировании

0 режима преобразователя 2.

Формула изобретения

1.Способ спектрозонального обнаружения объекта с заданным спектральным распределением коэффициента отражения,

5 включающий получение спектрозональных изображений объекта, окрашивание элементов спектроэональных изображений с последующим обнаружением объекта по окрашенным изображениям, отличающи0 и с я тем, что, с целью упрощения и повышения производительности, получение спектрозональных изображений повторяют во времени циклически, окрашивают элементы изображений, совпадающие с обна5 руживаемым объектом по спектральному коэффициенту отражения, в избранный основной цвет, при этом избранный цвет сохраняют при каждом цикле, а обнаружение объекта осуществляют при наблюдении ии0 тегрально во времени с постоянной времени, превышающей время цикла.

2.Устройство для спектрозонального обнаружения объекта, содержащее последовательно расположенные на оси входной

5 объектив, светофильтр, блок электронно-оптического преобразователя и блок регистрации изображения, включающий объективы и окуляр, от л ичающееся тем. что, с целью повышения быстродействия, в устройство дополнительно введен блок синхпонизации, а в блок регистрации изображения дополнительно введен анализатор, расположенный перед объективами, а также источник излучения с формирующей оптикой и поляризатором, оптически связанные через полупрозрачное зеркало с оптическим выходом электронно-оптического преобразователя, при этом светофильтр выполнен электрически перестраиваемым по длине волны, блок электронно-оптиче- ского преобразователя выполнен в виде преобразователя интенсивность - цвет, а блок синхронизации состоит из первого и второго задающих генераторов, первого и второго блоков коммутации, распределите- ля импульсов, управляемого генератора импульсов и первого и второго усилителей, при этом выходы задающих генераторов соединены с первыми входами блоков коммутации, к вторым входам которых подключены соответственно первый и второй выходы распределителя, вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а выходы блоков коммутации соединены с входами усилителей, выход первого из которых подключен к управляемому светофильтру, а выход второго - к преобразователю интенсивность - цвет.

3. Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что управляемый саетофильтр со- стоит из последовательно расположенных поляризатора, слоя жидкого кристалла, установленного между стеклянными подлож/7

ками с прозрачными проводящими покрытиями на их внутренних сторонах, и анализатора, причем одно из прозрачных покрытий подключено к выходу первого усилителя, а второе заземлено.

4.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что преобразователь интенсивность - цвет состоит из двух прозрачных подложек с прозрачными проводящими покрытиями на их внутренних сторонах, одка из которых является оптическим входом, а вторая - оптическим выходом преобразователя, слоя фотопроводника, диэлектрического зеркала и слоя жидкого кристалла, причем слой жидкого кристалла прилегает к подложке, являющейся оптическим выходом, одно из проводящих покрытий заземлено, а второе подключено к выходу второго усилителя.

5.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что, с целью повышения вероятности обнаружения при изменяющейся освещенности, в него дополнительно введены фотоприемник и полупрозрачное зеркало, а второй усилитель блока синхронизации выполнен с электрически управляемым коэффициентом усиления, причем полупрозрачное зеркало установлено перед входным объективом, фотоприемник оптически связан с полупрозрачным зеркалом, а выход фотоприемника соединен с управляющим входом второго усилителя.

2д 7 8

АПр

HL

500 400

42

Использование: для разведки природных ресурсов4 при визуальных наблюдениях. Сущность изобретения: получают последовательно во времени несколько спектрозональных изображений, окрашивают каждое из разделенных изображений в условные цвета, эти операции повторяют циклически, анализируют изображения в условных цветах и осуществляют наблюдение результатов анализа в одном из основных цветов интегрально по времени с постоянной, пре вышающей время цикла, Устройство содержит жидкокристаллический преобразователь изображений, на входе и выходе которого установлены управляемые электрооптические светофильтры, соединенные с электрической схемой управления, формирующей циклические последовательности управляющих импульсов напряжения питания. 2 с. и 3 з,п.ф-лы. 4 ил.

400 500 600 Фиг.2

г-1

0,01

U,

гог

ФигЛ

Фиг.Э

t,c