УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА Советский патент 2014 года по МПК G01S13/88 

Изобретение относится к области оптической обработки сигналов изображений и может быть использовано в системах сопровождения и целеуказания для определения координат объектов, изменяющих свою форму во время наблюдения.

Известно оптическое устройство, использующее корреляционную связь между регистрируемым изображением и эталонным изображением объекта наблюдения для определения координат объекта наблюдения в регистрируемом изображении (см., например, D. Casasent, T.K. Luu "Photo-DKDP light valve in optical processing", Applied Optics, т 18, №19, 1979 г., стр.3307; пат. Франции №2211147, М.кл. G06K 9/00, 16 августа 1974 г.; "Оптическая голография" под ред. Г. Колфилда, М., "Мир", 1983 г., том 2, стр.553).

Известное устройство представляет коррелятор с частотной плоскостью, формирующий сигнал взаимной корреляции между эталонным изображением объекта, записанным в виде голограммы Фурье-спектра объекта слежения и регистрируемым изображением. Пространственное положение максимума сигнала корреляции отражает смещение объекта наблюдения в регистрируемом изображении.

Известное устройство не позволяет осуществить определение координат объекта, изображение которого отличается от эталонного изображения, например, вследствие изменения ракурса, угла поворота, масштаба объекта слежения или изменения взаимного положения узлов, составляющих объект.

Известно также устройство (см. пат. США №4277137, МКИ F41G 7/22, НКИ 350/162 SF, опубл. 07.07.1981 г.), позволяющее осуществить определение координат априорно известного объекта, изменяющего свой масштаб, ракурс и угол поворота. Известное устройство содержит матрицу голограмм спектров Фурье эталонных изображений объекта, каждое из которых отличается масштабом, ракурсом, углом поворота.

Недостатком известного устройства является ограниченная область применения, что связано с необходимостью предварительного получения матрицы голограмм для выбранного объекта слежения и механической заменой матрицы при смене одного объекта слежения другим.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для определения координат, описанное в статье D. Casasent, T.K. Luu "Photo-DKDP light valve in optical processing, т.18, №19, 1979 г., стр.3307. Указанное устройство является прототипом заявляемого устройства и содержит последовательно размещенные на одной оптической оси пространственно временной модулятор света, расположенный в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье, первый светоделитель, объектив прямого преобразования Фурье, узел записи голограмм, размещенный в задней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье, объектив обратного преобразования Фурье, передняя фокальная плоскость которого совмещена с узлом записи голограмм, а также источник когерентного поляризованного светового потока, оптически сопряженный через второй светоделитель, кристаллическую четвертьволновую пластину и поляризатор с узлом записи голограмм и фотоприемник, расположенный в задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье на одной оптической оси с четвертьволновой пластиной и поляризатором, выход которого подключен к электронному анализирующему блоку. Устройство-прототип позволяет сформировать сигнал взаимной корреляции эталонного и входных изображений, поступающих на вход пространственно-временного модулятора света последовательно во времени. Недостатком устройства-прототипа является низкая точность определения координат объекта в случае рассогласования эталонного и входных изображений, например, вследствие изменения объектом своего ракурса, масштаба, угла поворота или взаимного расположения узлов, составляющих объект. В этом случае сигнал взаимной корреляции снижается в интенсивности, пространственно уширяется и может содержать несколько максимумов, что является причиной снижения точности определения координат объекта и появления неоднозначности в определении координат объекта.

Использование в качестве эталонного изображения одного из входных изображений малоэффективно, т.к. сигнал корреляции содержит в этом случае помимо максимума взаимной корреляции изображений объекта также максимумы взаимной корреляции изображений участков фона наблюдения, наличие которых приводит к неоднозначности в определении координат объекта.

Эффективным техническим решением, обеспечивающим повышение точности определения координат объекта, изменяющегося во времени, является создание устройства, обеспечивающего формирование эталонного изображения непосредственно в течение времени наблюдения. При этом эталонное изображение может быть сформировано в результате суммирования сигналов входных зарегистрированных изображений, каждое из которых центрировано относительно объекта наблюдения. Создание подобного устройства в настоящее время невозможно из-за отсутствия оптических дефлекторов, обеспечивающих пространственное смещение изображений для центрирования последних относительно объекта наблюдения. Имеющиеся в настоящее время дефлекторы не рассчитаны на сканирование изображений и предназначены для сканирования светового потока с плоским волновым фронтом (см., например, "Справочник по лазерной технике" под ред. Ю.В. Байбородина и др. Киев: "Техника", 1978 г., стр.185).

Целью изобретения является повышение точности определения координат объектов, изменяющихся во времени. Поставленная цель достигается тем, что, в известном устройстве, содержащем последовательно размещенные на одной оптической оси пространственно-временной модулятор света, расположенный в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье, первый светоделитель, объектив прямого преобразования Фурье, узел записи голограмм, размещенный в задней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье, объектив обратного преобразования Фурье, передняя фокальная плоскость которого совмещена с узлом записи голограмм, а также источник когерентного поляризованного светового потока, оптически сопряженный через второй светоделитель, кристаллическую четвертьволновую пластину и поляризатор с узлом записи голограмм и фотоприемник, расположенный в задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье на одной оптической оси с четвертьволновой пластиной и поляризатором, выход которого подключен к электронному анализирующему блоку, дополнительно введены двухкоординатный дефлектор, блок формирования управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора, второй пространственно-временной модулятор света, первый и второй модуляторы поляризации светового потока, первый и второй затворы, при этом двухкоординатный дефлектор расположен между поляризатором и узлом записи голограмм, входы двухкоординатного дефлектора подключены в выходам блока формирования управляющих напряжений, вход которого подсоединен к выходу электронного анализирующего блока, выходная плоскость второго пространственно-временного модулятора света оптически сопряжена через первый светоделитель с объективом прямого преобразования Фурье и находится в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье, а входная плоскость второго пространственно-временного модулятора света оптически сопряжена с задней фокальной плоскостью объектива обратного преобразования Фурье, первый модулятор поляризации светового потока расположен между источником когерентного светового поляризованного потока и вторым светоделителем, второй модулятор поляризации светового потока расположен между вторым светоделителем и кристаллической четвертьволновой пластиной, первый затвор расположен между первым и вторым светоделителем, второй затвор размещен между объективом обратного преобразования Фурье и входной плоскостью второго пространственно-временного модулятора света.

Введение двухкоординатного дефлектора между поляризаторами узлом записи голограмм позволяет управлять фазовым компонентом восстановленного голограммой спектра Фурье изображения и осуществить пространственное смещение изображения в задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье. Введение второго пространственно-временного модулятора света, входная плоскость которого оптически сопряжена с задней фокальной плоскостью объектива обратного преобразования Фурье позволяет осуществить суммирование смещенных изображений, восстановленных голограммой и накопление на выходной поверхности второго пространственно-временного модулятора света эталонного изображения объекта.

Размещение выходной плоскости второго пространственно-временного модулятора света в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье в результате оптического сопряжения выходной плоскости через первый светоделитель с объективом прямого преобразования Фурье позволяет получить спектр Фурье эталонного изображения в плоскости узла записи голограмм и сформировать на поверхности фотоприемника сигнал корреляции эталонного изображения и входного зарегистрированного изображения. Введение первого модулятора поляризации позволяет изменять направление распространения светового потока после прохождения второго и первого светоделителей и формировать на поверхности голограммы спектр Фурье либо эталонного, либо входного зарегистрированного изображений. Введение второго модулятора поляризации позволяем управлять амплитудой восстановленного голограммой и смещенного изображения объекта наблюдения и управлять процессом формирования эталонного изображения.

Первый и второй затворы необходимы для обеспечения работоспособности устройства. Подключение входа блока формирования управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора к выходу электронного анализирующего блока позволяет осуществить автоматическое центрирование накапливаемых вторым пространственно-временным модулятором изображений объекта наблюдения и формирование эталонного изображения, обеспечивающего повышение точности определения координат объекта, изменяющегося во времени.

Оптическое сопряжение входной поверхности второго пространственно-временного модулятора света с задней фокальной плоскостью объектива обратного преобразования Фурье может быть выполнено, например, с помощью проекционного объектива и зеркал, расположенных между задней фокальной плоскостью объектива обратного преобразования Фурье и входной поверхностью второго пространственно-временного модулятора света. При этом количество зеркал должно быть нечетным для согласования направлений координатных осей изображений, вводимых в устройство через первый и второй пространственно-временные модуляторы света. В качестве пространственно-временных модуляторов света могут быть использованы фотоэлектрические преобразователи типа "Кристалл", в узле записи голограмм может быть использован, например, фототермопластик типа ФТПН-Л.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 - общий вид предлагаемого устройства;

на фиг.2 - схема функциональная электронного анализирующего блока и блока формирования управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора.

Устройство для определения координат объекта (см. фиг.1) содержит последовательно размещенные на одной оптической оси пространственно-временной модулятор света 1, расположенный в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье 3, первый светоделитель 2, объектив прямого преобразования Фурье 3, задняя фокальная плоскость которого совмещена с узлом записи голограмм 4, объектив 5 обратного преобразования Фурье, передняя фокальная плоскость которого совмещена с узлом записи голограмм, а также источник 6 когерентного поляризованного светового потока, выход которого через первый модулятор 7 поляризации, а также через первый выход второго светоделителя 8, второй модулятор 9 поляризации светового потока, кристаллическую четвертьволновую пластину 10, поляризатор 11 и двухкоординатный дефлектор 12, (например, пьезоэлектрический дефлектор) оптически сопряжен с узлом записи голограмм.

Второй выход второго светоделителя через затвор 13 и первый светоделитель, например, поляризационный светоделитель, оптически сопряжен с выходными плоскостями первого 1 и второго 14 пространственно-временных модуляторов света, находящихся в передней фокальной плоскости объектива прямого преобразования Фурье. В задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье на одной оптической оси с элементами поз.9-12 находится фотоприемник 15, например, передающая телевизионная камера ПТУ-32. Выход фотоприемника соединен с входом электронного анализирующего блока 16, формирующего электрический импульс, временное положение которого совпадает с максимумом видеосигнала, вырабатываемого фотоприемником 15. Выход электронного анализирующего блока соединен с входом блока 17 формирования управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора. Выходы блока 17 соединены с управляющими входами двухкоординатного дефлектора 12. Выход электронного анализирующего блока является выходом устройства. Задняя фокальная плоскость объектива обратного преобразования Фурье оптически сопряжена с входной плоскостью второго пространственно-временного модулятора света 14 при помощи зеркал 19, 20, 22 и проекционного объектива 21, например, типа "0-2". Между объективом 5 обратного преобразования Фурье и зеркалом 19 расположен второй затвор 18. Устройство также содержит источники стирающих световых импульсов 23, 24, в качестве которых могут быть использованы лампы-вспышки ИФК-120. Источники световых обесцвечивающих импульсов 23, 24 предназначены для обеспечения работы пространственно-временных модуляторов света 1, 14 типа "Кристалл" и располагаются перед входными поверхностями пространственно-временных модуляторов света. При использовании пространственно-временных модуляторов света другого типа, например, жидкокристаллических, применение источников стирающих импульсов не обязательно.

Функциональная схема одного из вариантов реализации электронного анализирующего блока и блока формирования управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора представлена на фиг.2.

Выход фотоприемника 15 подсоединен к входу электронного анализирующего блока 16, содержащему узел 25 выделения максимума видеосигнала, узел 26 выделения кадровых синхроимпульсов и узел 27 выделения строчных синхроимпульсов, входы которых являются входом блока 16.

Блок формирования 17 управляющих напряжений двухкоординатного дефлектора содержит два управляемых генератора 28, 29 пилообразного напряжения. Первый управляющий вход генератора 28 пилообразного напряжения соединен с выходом узла выделения кадровых синхроимпульсов 26, первый управляющий вход генератора 29 пилообразного напряжения соединен с выходом узла 27 выделения строчных синхроимпульсов. Второй управляющий вход генератора пилообразного напряжения 28 и второй управляющий вход генератора пилообразного напряжения 29 соединены с выходом узла выделения максимума видеосигнала 25. Выходы генераторов пилообразных напряжений 28, 29 соединены с управляющими входами двухкоординатного дефлектора 12 (см. фиг.1).

Работа устройства состоит из последовательного повторения трех состояний. В первом состоянии осуществляется запись голограммы спектра Фурье входного изображения, проецируемого на входную поверхность модулятора света 1. При этом световой поток от источника когерентного поляризованного светового потока 6 через модулятор 7, затвор 13 и первый выход первого светоделителя 2 освещает выходную поверхность первого пространственно-временного модулятора света 1.

Спектр Фурье входного изображения, находящегося на входной поверхности пространственно-временного модулятора света 1, формируются объективом 3 прямого преобразования Фурье на поверхности узла записи голограмм 4.

Одновременно с выхода второго светоделителя 8 часть светового потока источника когерентного поляризованного светового потока 6 через второй модулятор поляризации 9, кристаллическую четвертьволновую пластину 10, поляризатор 11, двухкоординатный дефлектор 12 направляется на узел записи голограмм 4, образуя опорный луч для записи голограммы.

Результат взаимодействия опорного луча и спектра Фурье входного изображения фиксируется в виде голограммы Фурье спектра поверхностью фоточувствительного материала узла записи 4, например, поверхностью фототермопластика типа ФТПН-Л.

В первом состоянии устройства на двухкоординатный дефлектор 12 и модуляторы поляризации 7, 9 не подаются напряжения и световой поток проходит через указанные элементы без изменения поляризации и направления распространения. Затвор 17 при этом закрыт, препятствуя прохождению света на входную поверхность пространственно-временного модулятора света 14.

Во втором состоянии устройства осуществляется корреляция входного изображения, записанного узлом записи голограмм 4 и эталонного изображения, хранящегося в виде распределения потенциального рельефа пространственно-временным модулятором света 14.

При этом на модулятор поляризации 7 подается полуволновое напряжение и плоскость поляризации прошедшего модулятор 7 светового потока оказывается ортогональной плоскости поляризации падающего на вход модулятора 7 светового потока.

В результате изменения плоскости поляризации светового потока на выходе модулятора 9 и изменения направления отражения света поляризационным делителем 2, световой поток, прошедший светоделитель 8, затвор 13 и светоделитель 2 освещает выходную плоскость пространственно-временного модулятора света 14.

Объектив прямого преобразования Фурье при этом формирует на поверхности узла записи голограмм спектр Фурье эталонного изображения, хранящегося пространственно-временным модулятором света 14, сигнал корреляций формируется на поверхности фотоприемника 15 после прохождения дифрагированного узлом записи голограмм 4 светового потока через объектив 5 обратного преобразования Фурье.

Опорный луч во втором состоянии устройства не попадает на вход фотоприемника, т.к. на модулятор 9 подается четвертьволновое напряжение и плоскость поляризации светового потока, прошедшего модулятор 9 и четвертьволновую пластину 10 оказывается заблокированной поляризатором 11. Так же, как и в первом состоянии устройства, затвор 17 закрыт, благодаря чему световой поток не попадает на входную поверхность пространственно-временного модулятора света 14. Фотоприемником 15 осуществляется считывание распределения света, представляющего собой сигнал корреляции и преобразование распределения света в видеосигнал.

Обработка видеосигнала производится в электронном анализирующем блоке 16 (см. фиг.2). Узел 25 выделения максимума видеосигнала формирует импульс напряжения, временное положение которого совпадает с временным положением максимума видеосигнала.

Выходной сигнал, формируемый узлом выделения максимума видеосигнала, подается на вторые управляющие входы генераторов пилообразных напряжений 28, 29. На первые управляющие входы генераторов пилообразных напряжений 28, 29 подаются запускающие импульсы, формируемые соответственно узлами 26, 27 выделения строчных и кадровых синхроимпульсов видеосигнала. Воздействие выходного сигнала формируемого узлом 25 выделения максимума видеосигнала на вторые входы генераторов пилообразных напряжений вызывает остановку генераторов, в результате чего выходные напряжения U_x, U_y, формируемые генераторами 28, 29 оказываются пропорциональными временному сдвигу максимума видеосигнала относительно положения, соответствующего центру экрана, а следовательно пространственному смещению максимума сигнала корреляции относительно центра экрана и пространственным смещениям Δ_x, Δ_y входного изображения относительно эталонного. В третьем состоянии устройства происходит смещение входного изображения, его центровка относительно изображения цели и обновление эталонного изображения. При этом затвор 13 закрывается, блокируя распространение света к выходным поверхностям пространственно-временных модуляторов света 1, 13.

На модулятор 7 не подается напряжение, часть светового потока, отраженная светоделителем 8 поступает через модулятор 9, четверть волновую пластину 10, поляризатор 11 на вход двухкоординатного дефлектора 12. Угловое смещение светового потока α_x, α_y на выходе дефлектора пропорционально напряжениям U_x, U_y (см., например, "Справочник по лазерной технике" под ред. Ю.В. Байбородина и др. Киев: "Техника", 1978 г., стр.193).

В результате воздействия на поверхность голограммы светового потока, имеющего угловое смещение, восстановленное узлом записи голограмм входное изображение будет иметь пространственное смещение δ_x, δ_y в задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье, пропорциональное угловому смещению восстанавливающего голограмму светового потока: δ_x~Fα_x, δ_y~Fα_x, где F - фокусное расстояние объектива обратного преобразования Фурье.

Поскольку угловое смещение светового потока α_x, α_y пропорционально смещению входного изображения относительно эталонного Δ_x, Δ_y, восстановленное голограммой входное изображение в задней фокальной плоскости объектива обратного преобразования Фурье будет иметь смещение δ_x, δ_y пропорциональное или равное смещению входного изображения относительно эталонного Δ_x, Δ_y благодаря чему осуществляется центрирование входного восстановленного голограммой изображения относительно цели. Равенство смещения восстановленного изображения смещению входного изображения достигается выбором питающих напряжений генераторов 28, 29. Обновление эталонного изображения происходит в результате суммирования центрированного входного изображения, проецируемого на входную поверхность пространственно-временного модулятора света 14 с эталонным изображением, хранящимся в виде потенциального рельефа пространственно-временным модулятором света 14.

Проецирование может осуществляться, например, проекционным объективом 21 и зеркалами 19, 20, 22. Затвор 17 при этом находится в открытом состоянии. При использовании в качестве пространственно-временных модуляторов света 1, 14 фотоэлектрических преобразователей "Кристалл", для обновления записанных изображений служат источники световых стирающих импульсов 23, 24. Источник 24, расположенный у входной поверхности пространственно-временного модулятора света 1 вырабатывает световой импульс при переходе устройства из первого во второе состояние, источник 23 вырабатывает световой импульс, освещающий входную поверхность пространственно-временного модулятора света 13 при переходе устройства из второго в третье состояние.

Интенсивность световых импульсов должна быть достаточна для полного стирания изображения с поверхности модулятора света 1 и частичного стирания изображения с поверхности модулятора света 2.

Величина интенсивности светового потока зависит от типа пространственно-временного модулятора света и составляет ориентировочно для прибора типа "Кристалл" 10^-3-10^-4 Дж/см².

Так, например, величина остаточного сигнала сохраняемого пространственно-временным модулятором света "Кристалл" после окончания стирающего импульса с интенсивностью 10^-4 Дж/см² составляет 30%.

В случае отсутствия на поверхности пространственно-временного модулятора света первоначального эталонного изображения, работа устройства осуществляется аналогично.

Отличие будет заключаться в отсутствии сигнала корреляции после окончания второго состояния устройства.

При этом вместо сигнала корреляции используется опорный пучок, для чего на модулятор 9 не подается четвертьволновое напряжение во время нахождения устройства во втором состоянии.

При переходе устройства из второго в третье состояние, на поверхности пространственно-временного модулятора света 14 окажется записанным первое входное изображение, которое при следующем цикле работы устройства будет эталонным для второго входного изображения.

Управление формированием эталонного изображения осуществляется подачей напряжения при нахождении устройства в третьем состоянии на модулятор 9. Так, при подаче на модулятор 9 четвертьволнового напряжения, световой пучок, распространяющийся в направлении узла записи голограмм, 4 блокируется поляризатором 11. В результате, обновление эталонного изображения не происходит. Наоборот, при отсутствии напряжения на модуляторе 9 при работе устройства в третьем состоянии, интенсивность прошедшего поляризатор 11 светового потока, освещающего узел записи голограмм, максимальна. Соответственно максимальна и интенсивность восстановленного узлом записи голограмм 4 входного центированного изображения, проецируемого объективом 21 и зеркалами 19, 20, 22 на входную поверхность пространственно-временного модулятора света 14. При этом обновление эталонного изображения происходит с максимальным вкладом от последнего зафиксированного изображения. Подбор напряжения, подаваемого на модулятор 9 при работе устройства 6 в третьем состоянии, интенсивности стирающих импульсов источников 23, 24, а также питающих напряжений генераторов 28, 29 пилообразных напряжений осуществляется при настройке устройства.

В устройстве используются модуляторы поляризации, содержащие электрооптические кристаллы, например, МЛ-3, пространственно-временные модуляторы света типа "Кристалл", узел записи голограмм с использованием фототермопластичного материала, например, ФТПИ-Л, электронные узлы выделения синхроимпульсов строк и кадров, максимума видеосигнала, применяемые в телевизионных устройствах, например, ПТУ-32, генераторы пилообразных напряжений на микросхемах серии 140.

Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность определения координат объектов, изменяющихся во времени за счет формирования постоянного обновляемого эталонного изображения объекта, представляющего собой сумму центрированных относительно объекта входных регистрируемых изображений.

Изобретение относится к области определения координат объектов. Достигаемый технический результат - повышение точности определения координат объектов. Указанный результат достигается за счет того, что устройство содержит источник излучения, пространственно-временной модулятор света с блоком выработки стирающих импульсов, первый светоделитель, объектив прямого преобразования Фурье, блок записи голограмм, объектив обратного преобразования Фурье, второй светоделитель, четвертьволновую пластину, поляризатор, приемник излучения, блок обработки видеосигнала, двухкоординатный дефлектор с блоком управления, второй простанственно-временной модулятор света с блоком выработки стирающих импульсов, два модулятора, два оптических затвора, три отражателя, объектив определенным образом взаимосвязанные между собой. 2 ил.

Устройство для определения координат объекта, содержащее источник излучения, последовательно оптически связанные пространственно-временной модулятор света с блоком выработки стирающих импульсов, первый светоделитель, объектив прямого преобразования Фурье, блок записи голограмм и объектив обратного преобразования Фурье, второй светоделитель, четвертьволновую пластину, поляризатор и последовательно соединенные приемник излучения и блок обработки видеосигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения координат объектов, в него введены двухкоординатный дефлектор с блоком управления, второй пространственно-временной модулятор света с блоком выработки стирающих импульсов, два модулятора, два оптических затвора, три отражателя и объектив, при этом выход источника излучения через оптически связанные первый модулятор, второй светоделитель, второй модулятор, четвертьволновую пластину, поляризатор, двухкоординатный дефлектор и блок записи голограмм оптически связан со входом приемника излучения, выход источника излучения через первый модулятор, второй светоделитель, первый оптический затвор, первый светоделитель, второй пространственно-временной модулятор света, первый отражатель и второй оптический затвор оптически связан с выходом объектива обратного преобразования Фурье, а выход блока обработки видеосигнала подключен ко входу блока управления двухкоординатным дефлектором.