RU2845635C1 - Method for all-round view of space with optoelectronic system and device for its implementation - Google Patents
Method for all-round view of space with optoelectronic system and device for its implementationInfo
- Publication number
- RU2845635C1 RU2845635C1 RU2025102252A RU2025102252A RU2845635C1 RU 2845635 C1 RU2845635 C1 RU 2845635C1 RU 2025102252 A RU2025102252 A RU 2025102252A RU 2025102252 A RU2025102252 A RU 2025102252A RU 2845635 C1 RU2845635 C1 RU 2845635C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scanning
- optical
- azimuthal
- plane
- space
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в прицельно-обзорных оптико-электронных системах (ОЭС), в частности в теплопеленгаторах кругового обзора с матричным фотоприёмником (МФП).The invention relates to the field of optical-electronic instrument making and can be used in sighting and survey optical-electronic systems (OES), in particular in circular-view thermal direction finders with a matrix photodetector (MPD).
Известен способ кругового обзора матричным фотоприёмным устройством и устройство для его осуществления (патент РФ №2445644, опубл. 20.03.2012). Способ включает формирование оптической системой изображения окружающей обстановки на фоточувствительной поверхности МФП и круговое вращение оптической системы с МФП. С целью получения четкого видеоизображения с МФП бег изображения при сканировании на время экспонирования МФП компенсируют вращением многогранной преломляющей призмы, причем угловая скорость преломляющей призмы ω п с числом граней M, скорость вращения оптической системы с МФП ω ск и азимутальное поле зрения β одного кадра МФП связаны соотношением ω п=2πω ск/βM.A method of circular viewing by a matrix photodetector and a device for implementing it are known (RU Patent No. 2445644, published on 20.03.2012). The method includes the formation of an image of the surrounding environment by an optical system on the photosensitive surface of the MFP and circular rotation of the optical system with the MFP. In order to obtain a clear video image from the MFP, the run of the image during scanning during the exposure time of the MFP is compensated by rotating a multifaceted refractive prism, wherein the angular velocity of the refractive prism ω n with the number of faces M , the rotation speed of the optical system with the MFP ω sk and the azimuthal field of view β of one frame of the MFP are related by the ratio ω n = 2 πω sk / βM .
Описанный выше способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего азимутальную платформу с приводом и блоком управления приводом, оптическую систему, установленную на этой платформе, и МФП, установленный в фокальной плоскости оптической системы. В данное устройство с целью получения качественного электронного изображения с МФП при постоянной скорости сканирования окружающего пространства введены поворотная платформа с датчиком угла поворота, оптический компенсатор, установленный перед МФП на поворотной платформе и выполненный в виде преломляющей призмы с четным числом M граней, а также блок формирования синхросигналов, вход которого соединен с датчиком угла, а выход - со входом кадровой синхронизации МФП, при этом ось поворотной платформы соединена с осью азимутальной платформы мультипликатором с коэффициентом передачи К м, равным K м=2π/βM.The method described above can be implemented using a device comprising an azimuthal platform with a drive and a drive control unit, an optical system mounted on this platform, and an MFP mounted in the focal plane of the optical system. In order to obtain a high-quality electronic image from the MFP at a constant scanning speed of the surrounding space, this device includes a rotary platform with a rotation angle sensor, an optical compensator mounted in front of the MFP on the rotary platform and made in the form of a refractive prism with an even number M of faces, as well as a synchronization signal generation unit, the input of which is connected to the angle sensor, and the output is connected to the frame synchronization input of the MFP, wherein the axis of the rotary platform is connected to the axis of the azimuthal platform by a multiplier with a transmission coefficient K m equal to K m =2 π / βM .
Известно устройство кругового обзора (патент РФ №2608845, опубл. 25.01.2017), содержащее азимутальную платформу с приводом; оптико-электронный модуль, установленный на азимутальную платформу и содержащий объектив, оптический компенсатор, установленный на поворотную платформу, снабженную датчиком углового положения оптического компенсатора; МФП, установленный в фокальной плоскости объектива и снабжённое блоком формирования телевизионного сигнала, к входу кадровой развертки которого подключен выход датчика углового положения оптического компенсатора. Устройство снабжено также механизмом прерывистого движения, соединенным через механическую передачу с приводом, и механическим дифференциальным устройством, соединенным своим первым входом через механическую передачу с приводом, вторым входом - с выходом механизма прерывистого движения, причем выход механического дифференциального устройства жестко соединен с осью поворотной платформы. Данное устройство реализует способ, при котором сканирование азимутальной платформы, вращение оптического компенсатора и повороты механизма прерывистого движения, а также работа электронного затвора МФП жестко синхронизированы между собой, причем момент времени начала зоны рабочих углов оптического компенсатора совпадает во времени с началом экспонирования изображения наблюдаемого пространства и концом поворота механизма прерывистого движения, а момент времени конца зоны рабочих углов - с моментом окончания экспонирования изображения наблюдаемого пространства и началом поворота механизма прерывистого движения.A circular viewing device is known (RU Patent No. 2608845, published on 25.01.2017), comprising an azimuth platform with a drive; an optoelectronic module mounted on the azimuth platform and comprising a lens, an optical compensator mounted on a rotary platform equipped with an angular position sensor of the optical compensator; an MFP mounted in the focal plane of the lens and equipped with a television signal generation unit, to the frame scan input of which the output of the angular position sensor of the optical compensator is connected. The device is also equipped with an intermittent movement mechanism connected via a mechanical transmission to the drive, and a mechanical differential device connected by its first input via a mechanical transmission to the drive, and by its second input to the output of the intermittent movement mechanism, wherein the output of the mechanical differential device is rigidly connected to the axis of the rotary platform. This device implements a method in which scanning of the azimuth platform, rotation of the optical compensator and rotation of the intermittent motion mechanism, as well as operation of the electronic shutter of the MFP are rigidly synchronized with each other, wherein the moment of the beginning of the zone of working angles of the optical compensator coincides in time with the beginning of exposure of the image of the observed space and the end of rotation of the intermittent motion mechanism, and the moment of the end of the zone of working angles - with the moment of the end of exposure of the image of the observed space and the beginning of rotation of the intermittent motion mechanism.
Известен способ обзора пространства оптико-электронной системой, реализуемый в процессе функционирования теплопеленгатора (патент РФ №2396574, опубл. 10.08.2010). Способ предусматривает обзор пространства двухкоординатным сканирующим зеркалом и формирование временных интервалов, в которых скорости вращения и сдвига изображения в плоскости неподвижного МФП близки или равны нулю, что позволяет формировать кадр практически без искажений. Данное изобретение за счет увеличения времени экспозиции МФП при повышенной скорости сканирования и расширенной зоне обзора обеспечивает повышение эффективности и дальности обнаружения ИК объектов. Недостаток описанного выше способа состоит в низкой эффективности распознавания низкоконтрастных наблюдаемых объектов при повышенной скорости сканирования. Это связано с тем, что увеличение времени экспозиции кадра достигается путем вращения дополнительного отражателя (дефлектора) в направлении противоположном направлению сканирования с угловой скоростью близкой или равной угловой скорости сканирования. Неизбежные и слабо контролируемые при данной реализации способа отклонения в значениях угловых скоростей являются источником искажений получаемых с выхода МФП изображений в виде «смаза» (motion blur). Размытие в направлении сканирования препятствует получению четких изображений и ухудшает условия распознавания объектов, особенно при невысоком контрасте их деталей.A method for scanning space with an optical-electronic system is known, which is implemented during the operation of a thermal direction finder (RU Patent No. 2396574, published on 10.08.2010). The method involves scanning space with a two-coordinate scanning mirror and forming time intervals in which the rotation and shift speeds of the image in the plane of a fixed MFP are close to or equal to zero, which allows forming a frame practically without distortion. This invention, due to an increase in the exposure time of the MFP at an increased scanning speed and an expanded viewing area, provides an increase in the efficiency and range of detecting IR objects. The disadvantage of the above-described method is the low efficiency of recognizing low-contrast observed objects at an increased scanning speed. This is due to the fact that an increase in the frame exposure time is achieved by rotating an additional reflector (deflector) in the direction opposite to the scanning direction with an angular velocity close to or equal to the angular velocity of scanning. Inevitable and poorly controlled deviations in angular velocity values in this implementation of the method are the source of distortions in the images obtained from the output of the MFP in the form of "motion blur". Blurring in the scanning direction prevents obtaining clear images and worsens the conditions for recognizing objects, especially with low contrast of their details.
Возникновение неизбежного смаза является основной проблемой при формировании цифровых изображений в сканирующих системах кругового обзора. Этот смаз обусловлен непрерывным движением формируемого ОЭС изображения в плоскости МФП со скоростью, пропорциональной угловой скорости азимутального сканирования. Величину смаза обычно определяют как расстояние, на которое переместится изображение в плоскости МФП за время экспозиции кадра, выраженное в единицах фоточувствительных элементов (пикселей) МФП. Уменьшение величины смаза в сканирующих системах кругового обзора можно достигать двумя путями: либо уменьшать экспозицию до величины, при которой смаз становится приемлемым, либо каким-либо образом стабилизировать ось визирования ОЭС на время экспозиции кадра. Первый путь минимизации смаза не находит широкого применения на практике ввиду невозможности в таком случае регистрации слабоконтрастных и малоразмерных целей. Для сканирующих систем кругового обзора компенсация смаза посредством стабилизации оси визирования ОЭС на время экспозиции кадра является предпочтительной и может быть реализована различными методами с разной степенью эффективности.The occurrence of inevitable blur is the main problem in the formation of digital images in scanning systems of circular review. This blur is caused by the continuous movement of the image formed by the OES in the plane of the MFP at a speed proportional to the angular velocity of azimuthal scanning. The amount of blur is usually defined as the distance that the image moves in the plane of the MFP during the exposure time of the frame, expressed in units of photosensitive elements (pixels) of the MFP. The amount of blur in scanning systems of circular review can be reduced in two ways: either by reducing the exposure to a value at which the blur becomes acceptable, or by somehow stabilizing the OES sighting axis during the exposure time of the frame. The first way of minimizing blur is not widely used in practice due to the impossibility of recording low-contrast and small-sized targets in this case. For scanning all-round view systems, blur compensation by stabilizing the OES sighting axis during the frame exposure time is preferable and can be implemented using various methods with varying degrees of efficiency.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков способом того же назначения, что и заявляемый, является принятый за прототип способ обзора пространства оптико-электронной системой (патент РФ №2457504, опубл. 27.07.2012, Rapid survey of a circular zone using an IR scanning system with a photodetector array, N.I. Pavlov, A. Ya. Prilipko, Journal of Optical Technology, v.80, №5, 2013, pp. 313-315), включающий сканирование пространства по азимутальной и угломестной координатам, формирование изображения зоны обзора пространства в плоскости МФП, покадровое экспонирование фоточувствительных элементов МФП, перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью МФП, сканирование пространства по азимутальной координате с угловой скоростью, равной ω аз =Δϕ аз ƒ к , где ω аз - угловая скорость сканирования; Δϕ аз - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра; ƒ к - кадровая частота МФП. Для увеличения времени экспозиции МФП и повышения чувствительности аппаратуры при осуществлении обзора пространства с высокой кадровой частотой и угловым разрешением в прототипе дополнительно формируют колебательную составляющую движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования, удовлетворяющую соотношению Δω аз =A(2π ƒ к )Cos(2π ƒ к t), где Δω аз - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону, А - амплитуда колебаний, удовлетворяющая условиюThe closest method for the same purpose as the claimed one in terms of the set of essential features is the method for surveying space using an optical-electronic system adopted as a prototype (RU Patent No. 2457504, published on July 27, 2012, Rapid survey of a circular zone using an IR scanning system with a photodetector array, NI Pavlov, A. Ya. Prilipko, Journal of Optical Technology, v. 80, No. 5, 2013, pp. 313-315), including scanning space along azimuthal and elevation coordinates, forming an image of the survey zone of space in the plane of the MFP, frame-by-frame exposure of the photosensitive elements of the MFP, transferring the image of the survey zone from a rotating coordinate system to a fixed coordinate system associated with the plane of the MFP, scanning space along the azimuthal coordinate with an angular velocity equal to ω АЗ = Δϕ АЗ ƒ к , where ω az - angular scanning velocity; Δϕ az - azimuthal scanning step, less than or equal to the angular size of the frame; ƒ к - frame frequency of the MFP. To increase the exposure time of the MFP and increase the sensitivity of the equipment when surveying space with a high frame rate and angular resolution, the prototype additionally forms an oscillatory component of the image movement in the MFP plane in the direction of azimuthal scanning, satisfying the relationship Δω az = A ( 2π ƒ к ) Cos ( 2π ƒ к t ), where Δω az is the additive component of the angular scanning velocity, changing over time according to a harmonic law, A is the amplitude of oscillations, satisfying the condition
A=-Δϕ аз /2π/Cosα 1 , A = -Δϕ az /2π/Cosα 1 ,
а параметр α 1 , лежащий в пределах π/2<α 1 <π, определяют из уравненияand the parameter α 1 , lying within the limits π/2<α 1 <π , is determined from the equation
α 1 -π-tgα 1 =2πσ ϕ /ϕ аз , α 1 -π-tgα 1 =2πσ ϕ /ϕ az ,
где σ ϕ - радиус кружка рассеяния объектива ОЭС, покадровое экспонирование осуществляют в интервале времени (t 0 -Δt, t 0 +Δt) с центром в момент времени t 0 , при котором реализуется условие Cos(2π ƒ к t 0 )=-1, где Δt задают из условияwhere σ ϕ is the radius of the OES lens's circle of confusion, frame-by-frame exposure is carried out in the time interval ( t 0 -Δt, t 0 +Δt ) with the center at the time t 0 , at which the condition Cos ( 2π ƒ к t 0 ) =-1 , where Δt is set from the condition
Δt=α 2 /2π ƒ к , параметр α 2 определяют из уравнения Δt= α2 /2π ƒ k , the parameter α 2 is determined from the equation
α 2 +Sinα 2 /Cosα 1 =2πσ ϕ /ϕ аз . α 2 +Sinα 2 /Cosα 1 =2πσ ϕ /ϕ az .
Существенным недостатком прототипа является низкое качество получаемых с его помощью цифровых изображений из-за наличия в них смаза в направлении азимутального сканирования. Достигаемое в прототипе увеличение времени экспозиции за счет применения изменяющейся во времени по гармоническому закону аддитивной составляющей угловой скорости сканирования не приводит к существенному улучшению качества изображения, особенно для случаев, когда радиус кружка рассеяния объектива ОЭС сравним с размерами фоточувствительных элементов МФП.A significant drawback of the prototype is the low quality of digital images obtained with its help due to the presence of blur in them in the direction of azimuthal scanning. The increase in exposure time achieved in the prototype due to the use of an additive component of the angular scanning velocity changing over time according to the harmonic law does not lead to a significant improvement in image quality, especially for cases where the radius of the OES lens scattering circle is comparable to the dimensions of the MFP photosensitive elements.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков устройством того же назначения, что и заявляемое, является принятый за прототип теплопеленгатор (патент РФ №2458356, опубл. 10.08.2012), содержащий последовательно расположенные на оптической оси, оптически сопряженные двухкоординатную оптическую сканирующую систему, снабженную датчиками положения и приводами вращения, выполненную с возможностью вращения сканирующей системы вокруг вертикальной и горизонтальной осей по командам от блока управления приводами, объектив, МФП с блоком управления МФП, а также электронные и вычислительные блоки, связанные с МФП и блоком управления приводами. Данный теплопеленгатор дополнительно содержит расположенные после двухкоординатной оптической системы, оптически сопряженные телескоп с встроенным уголковым зеркалом, при этом уголковое зеркало снабжено датчиком положения и приводом вращения и выполнено с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от блока управления приводами, оптический компенсатор движения изображения в плоскости МФП, включающий два оптических клина, снабженных датчиками положения и приводами вращения, выполненных с возможностью вращения вокруг вертикальной оси с постоянной и одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях по командам от блока управления приводами, при этом блок управления приводами связан с датчиками положения и приводами вращения вращающихся узлов теплопеленгатора и выполнен с возможностью формирования синхронизированных траекторий движения этих узлов, функционально связанных с кадровой частотой МФП, а электронные и вычислительные блоки включают в себя блок первичной обработки сигнала, выполненный с возможностью формирования кадра изображения с адресами контрастных пикселей и текущими координатами оптической оси, связанный с блоком вторичной обработки данных, выполненным с возможностью определять координаты действительных целей по их излучению и сопровождать их и имеющим входы и выходы для связи с центральным блоком управления, выполненным с возможностью отображения текущей информации и задания режимов работы блока управления МФП и блока управления приводами, имеющим входы и выходы для связи с внешними устройствами.The closest device for the same purpose as the one claimed, in terms of the set of essential features, is the thermal direction finder adopted as a prototype (RU Patent No. 2458356, published on 10.08.2012), containing a two-coordinate optical scanning system, sequentially located on the optical axis, optically coupled, equipped with position sensors and rotation drives, designed with the possibility of rotating the scanning system around the vertical and horizontal axes in response to commands from the drive control unit, a lens, an MFP with an MFP control unit, as well as electronic and computing units connected to the MFP and the drive control unit. This thermal direction finder additionally comprises a telescope with a built-in corner mirror, located after the two-coordinate optical system, optically coupled, wherein the corner mirror is provided with a position sensor and a rotation drive and is configured to rotate around a vertical axis in response to commands from the drive control unit, an optical compensator for image motion in the MFP plane, including two optical wedges provided with position sensors and rotation drives configured to rotate around a vertical axis with a constant and identical angular velocity in opposite directions in response to commands from the drive control unit, wherein the drive control unit is connected to the position sensors and rotation drives of the rotating units of the thermal direction finder and is configured to form synchronized trajectories of movement of these units, functionally connected to the frame rate of the MFP, and the electronic and computing units include a primary signal processing unit configured to form an image frame with the addresses of contrast pixels and the current coordinates of the optical axis, connected to a secondary data processing unit configured to determine the coordinates of actual targets based on their radiation and to track them and having inputs and outputs for communication with the central control unit, designed with the ability to display current information and set the operating modes of the MFP control unit and the drive control unit, having inputs and outputs for communication with external devices.
Недостатком описанного устройства является низкое качество цифровых панорамных тепловизионных изображений, формируемых ОЭС при сканировании пространства в азимутальном направлении. Этот недостаток обусловлен тем, что оптический компенсатор движения изображения в плоскости МФП, включающий два оптических клина, снабженных датчиками положения и приводами вращения, выполненных с возможностью вращения вокруг вертикальной оси с постоянной одинаковой определяемой кадровой частотой МФП угловой скоростью в противоположных направлениях, обеспечивает скорость смещения изображения в плоскости МФП равную или близкую к нулю (когда оптические клинья составляют практически плоскопараллельную пластинку) только в течение наперед заданного времени экспозиции МФП. Время этой заданной экспозиции определено в прототипе наперед заданной амплитудой дополнительной гармонической компоненты колебательной составляющей движения изображения в плоскости МФП. Эта амплитуда задается углами оптических клиньев и не может быть изменена при эксплуатации устройства даже в тех случаях, когда требуется поиск компромисса между качеством цифрового панорамного изображения, определяемого, главным образом, наличием смаза в направлении азимутального сканирования, величина которого непосредственно связана с указанной выше амплитудой, и экспозицией МФП для достоверной регистрации слабых сигналов от тепловых источников при формировании изображений слабоконтрастных малоразмерных объектов на пороге чувствительности аппаратуры.The disadvantage of the described device is the low quality of digital panoramic thermal imaging images formed by the OES when scanning space in the azimuthal direction. This disadvantage is due to the fact that the optical compensator of image motion in the MFP plane, including two optical wedges equipped with position sensors and rotation drives, made with the possibility of rotation around the vertical axis with a constant identical angular velocity determined by the frame frequency of the MFP in opposite directions, ensures the speed of image displacement in the MFP plane equal to or close to zero (when the optical wedges form a practically plane-parallel plate) only during a predetermined exposure time of the MFP. The time of this predetermined exposure is determined in the prototype by a predetermined amplitude of the additional harmonic component of the oscillatory component of the image motion in the MFP plane. This amplitude is set by the angles of the optical wedges and cannot be changed during operation of the device even in cases where a compromise must be found between the quality of the digital panoramic image, determined mainly by the presence of blur in the direction of azimuthal scanning, the value of which is directly related to the amplitude indicated above, and the exposure of the MFP for reliable recording of weak signals from thermal sources when forming images of low-contrast small-sized objects at the sensitivity threshold of the equipment.
Задачей изобретения является улучшение качества цифровых панорамных изображений, формируемых оптико-электронной системой при сканировании пространства в азимутальном направлении с высокими значениями кадровой частоты и углового разрешения при сохранении необходимой экспозиции МФП для регистрации слабых сигналов от тепловых источников при формировании изображений слабоконтрастных малоразмерных объектов на пороге чувствительности аппаратуры.The objective of the invention is to improve the quality of digital panoramic images formed by an optical-electronic system when scanning space in the azimuthal direction with high values of frame rate and angular resolution while maintaining the necessary exposure of the MFP for recording weak signals from thermal sources when forming images of low-contrast small-sized objects at the sensitivity threshold of the equipment.
Техническим результатом изобретения является уменьшение смаза изображений в направлении азимутального сканирования.The technical result of the invention is a reduction in image blur in the direction of azimuthal scanning.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе кругового обзора пространства ОЭС, состоящем в том, что сканируют пространство по азимутальной координате с угловой скоростью , формируют изображения зоны обзора пространства в плоскости МФП и покадрово экспонируют его фоточувствительные элементы, новым является то, что при формировании изображения зоны обзора пространства в плоскости МФП дополнительно создают ангармоническую колебательную составляющую движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования, причемThe specified technical result is achieved by the fact that in the method of circular scanning of the space of the OES, which consists in scanning the space along the azimuthal coordinate with an angular velocity , form images of the viewing area of space in the plane of the MFP and expose its photosensitive elements frame by frame, what is new is that when forming an image of the viewing area of space in the plane of the MFP, an anharmonic oscillatory component of the image movement in the plane of the MFP is additionally created in the direction of azimuthal scanning, and
где - переменная составляющая угловой скорости азимутального сканирования, - постоянная составляющая угловой скорости азимутального сканирования, ƒ - кадровая частота МФП, N≥2 - количество гармонических компонент в ангармонической колебательной составляющей движения изображения, а амплитуды указанных гармонических компонент A k удовлетворяют соотношению Where - variable component of the angular velocity of azimuthal scanning, - constant component of the angular velocity of azimuthal scanning, ƒ is the frame rate of the MFP, N ≥2 is the number of harmonic components in the anharmonic oscillatory component of the image movement, and the amplitudes of the specified harmonic components A k satisfy the relation
Кроме того, в заявляемом способе обзора пространства ОЭС ангармонической колебательной составляющей движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования управляют путем изменения значений амплитуд гармонических компонент A k , причем выполняют соотношение:In addition, in the claimed method of reviewing the space of the OES, the anharmonic oscillatory component of the image movement in the plane of the MFP in the direction of azimuthal scanning is controlled by changing the values of the amplitudes of the harmonic components A k , and the following relationship is fulfilled:
а количество гармонических компонент в ангармонической колебательной составляющей движения изображения определяют по величине допустимого смаза изображения в направлении азимутального сканирования.and the number of harmonic components in the anharmonic oscillatory component of the image movement is determined by the amount of permissible image blur in the direction of azimuthal scanning.
Кроме того, в заявляемом способе обзора пространства ОЭС ангармонической колебательной составляющей движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования возможно управляют путем изменения значений амплитуд гармонических компонент A k , причем выполняют соотношение:In addition, in the claimed method of reviewing the space of the OES of the anharmonic oscillatory component of the image movement in the plane of the MFP in the direction of azimuthal scanning, it is possible to control by changing the values of the amplitudes of the harmonic components A k , and the following relationship is fulfilled:
а количество гармонических компонент в ангармонической колебательной составляющей движения изображения определяют по величине допустимого смаза изображения в направлении азимутального сканирования.and the number of harmonic components in the anharmonic oscillatory component of the image movement is determined by the amount of permissible image blur in the direction of azimuthal scanning.
В способе, выбранном за прототип, увеличение продолжительности экспозиции изображений на приемной площадке инфракрасного МФП, обладающего низкой чувствительностью, предложено обеспечить добавлением гармонической компоненты в закон сканирования. Таким образом, реализуют режим трехпроходного микросканирования по азимутальной координате, при котором оптическая ось ОЭС трижды совмещается с пикселем МФП, в результате чего увеличивается экспозиция. Такой приём вполне оправдан, когда оптическая система формирования изображения не обеспечивает его высокого качества изначально. Как указано в описании способа-прототипа угловое разрешение объектива в несколько раз хуже углового размера пикселя фотоприемной площадки ОЭС. В этом случае, действительно, смаз размером даже в несколько десятков пикселей ухудшит изображение лишь незначительно, тогда как величина отношения сигнал/шум будет повышена существенно. Чем меньше угловой размер пикселя МФП при прочих равных условиях, тем в большей степени в способе-прототипе смаз ухудшает качество формируемого в результате сканирования изображения. Для ОЭС, работающих в режиме обнаружения объектов, применение способа-прототипа вполне оправдано. Однако, если переходить к задачам распознавания деталей изображения, то существенный смаз становится недопустимым.In the method selected as a prototype, it is proposed to increase the exposure time of images on the receiving platform of the infrared MFP, which has low sensitivity, by adding a harmonic component to the scanning law. Thus, a three-pass microscanning mode is implemented along the azimuthal coordinate, in which the optical axis of the OES is combined with the MFP pixel three times, as a result of which the exposure is increased. Such a technique is quite justified when the optical system for image formation does not initially provide its high quality. As indicated in the description of the prototype method, the angular resolution of the lens is several times worse than the angular size of the pixel of the OES photoreceiving platform. In this case, indeed, blurring even of several tens of pixels will degrade the image only slightly, while the signal-to-noise ratio will be increased significantly. The smaller the angular size of the MFP pixel, all other things being equal, the more blurring degrades the quality of the image formed as a result of scanning in the prototype method. For OES operating in object detection mode, the use of the prototype method is entirely justified. However, if we move on to the tasks of recognizing image details, significant blurring becomes unacceptable.
В заявляемом изобретении сканирование ОЭС пространства по азимутальной координате осуществляют с такой изменяющейся во времени угловой скоростью , чтобы её переменная во времени компонента представляла собой сумму гармонических сигналов на частотах кратных частоте кадровой развертки МФП, а значения амплитуд входящих в неё гармоник обеспечивали генерацию сигнала управления параметрами сканирования оптической оси ОЭС с минимальными угловыми отклонениями от направления на наблюдаемый объект в течение времени экспозиции. Это требование соответствует условию исключения возрастания абсолютных значений указанных амплитуд гармоник с ростом их кратности. Этот признак характеризует новизну и существенное отличие заявляемого способа от известных.In the claimed invention, scanning of the OES space along the azimuthal coordinate is carried out with such a time-varying angular velocity , so that its time-variable component was a sum of harmonic signals at frequencies multiples of the frame scanning frequency of the MFP, and the amplitude values of the harmonics included in it ensured the generation of a signal for controlling the parameters of scanning the optical axis of the OES with minimal angular deviations from the direction to the observed object during the exposure time. This requirement corresponds to the condition of eliminating the increase in the absolute values of the specified harmonic amplitudes with an increase in their multiplicity. This feature characterizes the novelty and significant difference of the claimed method from the known ones.
Для заявляемого способа по п.2 формулы один из возможных наборов значений амплитуд, входящих в ангармоническую компоненту гармоник, представлен в таблице 1:For the claimed method according to paragraph 2 of the formula, one of the possible sets of amplitude values included in the anharmonic component of harmonics is presented in Table 1:
Таблица 1Table 1
Закон изменения угла визирования оптической оси ОЭС от времени при этом для ангармонической компоненты, включающей, например, две гармоники (N=2), имеет следующий вид:The law of change in the viewing angle of the optical axis of the OES over time in this case, for an anharmonic component, including, for example, two harmonics ( N = 2), it has the following form:
(1) (1)
При этом угловая скорость азимутального сканирования принимает вид:In this case, the angular velocity of azimuthal scanning takes the form:
(2) (2)
Для заявляемого способа по п.3 формулы один из возможных наборов значений амплитуд, входящих в ангармоническую компоненту гармоник, представлен в таблице 2:For the claimed method according to paragraph 3 of the formula, one of the possible sets of amplitude values included in the anharmonic component of harmonics is presented in Table 2:
Таблица 2Table 2
Закон изменения угла визирования оптической оси ОЭС от времени для ангармонической компоненты, включающей, например, три гармоники (N=3), имеет вид:The law of change of the viewing angle of the optical axis of the OES over time for an anharmonic component, including, for example, three harmonics ( N = 3), has the form:
(3) (3)
В данном случае угловая скорость азимутального сканирования описывается выражением:In this case, the angular velocity of azimuthal scanning is described by the expression:
(4) (4)
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.The essence of the claimed invention is explained by the drawing.
На Фиг. 1 представлено графическое доказательство достижения заявляемого технического результата, а именно, представлены зависимости для способа-прототипа (кривая 1), а также для заявляемого способа по п.2 формулы (кривая 2) и по п.3 формулы (кривая 3). Для удобства сравнения результатов продолжительность экспозиции ΔT выбрана одинаковой и равной 2/3 периода кадровой развертки. При построении кривых 2 и 3 удержаны три гармоники (N=3). Из графика видно, что в пределах времени экспозиции ΔT угловые отклонения оптической оси ОЭС для способа-прототипа Δϕ 1 почти в два раза больше, чем угловые отклонения оптической оси ОЭС для заявляемого способа Δϕ 2. Такое различие можно считать основанием для утверждения, что смаз изображений в направлении азимутального сканирования с высокими значениями кадровой частоты и углового разрешения при сохранении необходимой экспозиции МФП для регистрации слабых сигналов от тепловых источников при формировании изображений слабоконтрастных малоразмерных объектов на пороге чувствительности аппаратуры может быть уменьшен.Fig. 1 shows a graphical proof of the achievement of the claimed technical result, namely, the dependencies are presentedfor the prototype method (curve 1), as well as for the claimed method according to item 2 of the formula (curve 2) and according to item 3 of the formula (curve 3). For ease of comparison of results, the exposure durationΔTis chosen to be the same and equal to 2/3 of the frame scan period. When constructing curves 2 and 3, three harmonics are retained (N=3). It is clear from the graph that within the exposure timeΔTangular deviations of the optical axis of the OES for the prototype methodΔϕ 1 almost twice as much as the angular deviations of the optical axis of the OES for the claimed methodΔϕ 2. This difference can be considered as the basis for the assertion that image blur in the direction of azimuthal scanning with high frame rate and angular resolution values while maintaining the required exposure of the MFP for recording weak signals from thermal sources when forming images of low-contrast small-sized objects at the sensitivity threshold of the equipment can be reduced.
На Фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства, а на Фиг. 3 показан вид технической реализации привода вращения оптического компенсатора заявляемого устройства по п.5 формулы.Fig. 2 shows a diagram of the claimed device, and Fig. 3 shows a view of the technical implementation of the rotation drive of the optical compensator of the claimed device according to paragraph 5 of the formula.
Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства, включающего неподвижное основание 4, платформу 5, выполненную с возможностью кругового вращения относительно основания 4 в азимутальном направлении с постоянной угловой скоростью и оснащенную датчиками углов поворота, а также расположенные на платформе 5 МФП 6, оптическую систему формирования изображения в плоскости МФП 7 и оптический компенсатор движения изображения в плоскости МФП 8. Оптический компенсатор 8 установлен в оптическом тракте устройства с возможностью вращения относительно платформы 5 в азимутальном направлении с переменной угловой скоростью . Устройство также включает блок управления приводами вращения платформы и оптического компенсатора 9 и блок обработки цифровых изображений 10, электрически соединённый с выходом МФП 6 и входом блока управления приводами вращения платформы и оптического компенсатора 9, включающего по меньшей мере два генератора электрических гармонических сигналов на кратных частотах, выходы которых электрически соединены со входами привода вращения оптического компенсатора 8.The claimed method can be implemented using a device that includes a fixed base 4, a platform 5, designed with the possibility of circular rotation relative to the base 4 in the azimuthal direction with a constant angular velocity. and equipped with rotation angle sensors, as well as located on platform 5 of the MFP 6, an optical system for forming an image in the plane of the MFP 7 and an optical compensator for image movement in the plane of the MFP 8. The optical compensator 8 is installed in the optical path of the device with the ability to rotate relative to platform 5 in the azimuthal direction with a variable angular velocity . The device also includes a control unit for the platform rotation drives and the optical compensator 9 and a digital image processing unit 10, electrically connected to the output of the MFP 6 and the input of the control unit for the platform rotation drives and the optical compensator 9, including at least two generators of electrical harmonic signals at multiple frequencies, the outputs of which are electrically connected to the inputs of the optical compensator rotation drive 8.
Кроме того, привод вращения оптического компенсатора может быть выполнен в виде двух расположенных друг напротив друга разомкнутых магнитопроводов 11 с обмотками, электрически соединенными с выходами генераторов электрических гармонических сигналов на кратных частотах блока управления приводами вращения платформы и оптического компенсатора 9. В этом случае оптический компенсатор 8 может быть снабжен постоянными магнитами, расположенными на его противоположных концах (на чертеже не показаны) и установлен таким образом, чтобы эти магниты находились в непосредственной близости к зонам размыкания указанных магнитопроводов 11. При прохождении тока через обмотки в зонах размыкания магнитопроводов 11 создаётся магнитное поле, действующее на постоянные магниты оптического компенсатора 8. При условии, что направление намотки обмоток на магнитопроводах 11 противоположно, оптический компенсатор 8 поворачивается в переменном по амплитуде и направлению магнитном поле с угловой скоростью . Управление ангармонической колебательной составляющей движения оптического компенсатора 8 обеспечивается количеством подключенных к обмоткам генераторов электрических гармонических сигналов на кратных частотах и силой тока, протекающего по этим обмоткам. В заявляемом устройстве это приводит к достижению указанного выше технического результата.In addition, the rotation drive of the optical compensator can be made in the form of two open magnetic cores 11 located opposite each other with windings electrically connected to the outputs of generators of electrical harmonic signals at multiple frequencies of the control unit for the rotation drives of the platform and the optical compensator 9. In this case, the optical compensator 8 can be equipped with permanent magnets located at its opposite ends (not shown in the drawing) and installed in such a way that these magnets are in close proximity to the opening zones of the said magnetic cores 11. When current passes through the windings in the opening zones of the magnetic cores 11, a magnetic field is created that acts on the permanent magnets of the optical compensator 8. Provided that the direction of winding of the windings on the magnetic cores 11 is opposite, the optical compensator 8 rotates in a magnetic field that is variable in amplitude and direction with an angular velocity . Control of the anharmonic oscillatory component of the movement of the optical compensator 8 is ensured by the number of generators of electrical harmonic signals connected to the windings at multiple frequencies and the strength of the current flowing through these windings. In the claimed device, this leads to the achievement of the technical result specified above.
В примере наилучшей реализации заявляемого устройства оптический компенсатор 8 выполнен в виде плоского зеркала, а МФП 6 выполнен в виде микроболометрической матрицы GST1212M с разрешением 1280×1024 пикселей и спектральной чувствительностью в диапазоне 7-12 мкм.In the example of the best implementation of the claimed device, the optical compensator 8 is made in the form of a flat mirror, and the MFP 6 is made in the form of a GST1212M microbolometric matrix with a resolution of 1280×1024 pixels and a spectral sensitivity in the range of 7-12 μm.
Заявляемый способ реализуется в следующей последовательности действий. Осуществляют круговой обзор контролируемого пространства путем сканирования ОЭС по азимутальной координате с постоянной угловой скоростью , определяемой кадровой частотой МФП и заданным размером кадра. Формируют изображения зоны обзора пространства в плоскости МФП путем покадрового экспонирования фоточувствительных элементов МФП. Задают исходное значение временного интервала экспозиции МФП и устанавливают приемлемый уровень искажения формируемого на МФП изображения в виде максимального углового отклонения оптической оси ОЭС от направления визирования в течение времени экспозиции . При этом качество изображения характеризуют отношением к угловому размеру пикселя МФП. Создают ангармонический сигнал управления колебательной составляющей угловой скорости движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования в виде суммы гармонических компонент с частотами кратными частоте кадровой развертки МФП . При этом устанавливают количество гармонических компонент ангармонического сигнала равным, например, двум (N=2), а амплитуды указанных компонент, выполняя условие , принимают равными, например, и . В границах временного интервала экспозиции с серединным значением рассчитывают значения функции угла визирования оптической оси ОЭС от времени в данном случае по формуле (1). В случае, если ни одно из значений не превышает установленного значения , расширяют временной интервал экспозиции симметрично от его серединного значения на заданную величину и получают новое значение временного интервала экспозиции . Затем вновь рассчитывают значения функции угла визирования оптической оси ОЭС от времени , но уже в границах временного интервала экспозиции и повторяют сравнение значений со значением . Расширение временного интервала экспозиции продолжают до тех пор, пока значения , рассчитанные в границах временного интервала экспозиции, не превышают . Затем включают сканирование пространства по азимутальной координате с угловой скоростью и регистрируют цифровое изображение с выхода МФП с минимальными искажениями типа «смаз».The claimed method is implemented in the following sequence of actions. A circular review of the controlled space is carried out by scanning the OES along the azimuthal coordinate with a constant angular velocity , determined by the frame rate of the MFP and the specified frame size. Images of the viewing area of the space in the MFP plane are formed by frame-by-frame exposure of the photosensitive elements of the MFP. The initial value of the time interval of exposure of the MFP is set and establish an acceptable level of distortion of the image formed on the MFP in the form of the maximum angular deviation of the optical axis of the OES from the direction of viewing during the exposure time . In this case, the image quality is characterized by the ratio to the angular size of the MFP pixel. An anharmonic control signal is created for the oscillatory component of the angular velocity of the image movement in the MFP plane in the direction of azimuthal scanning in the form of a sum of harmonic components with frequencies multiple of the frame scanning frequency of the MFP . In this case, the number of harmonic components of the anharmonic signal is set equal to, for example, two ( N = 2), and the amplitudes of the specified components, fulfilling the condition , are taken to be equal, for example, And . Within the boundaries of the exposure time interval with a mean value calculate the values of the function of the viewing angle of the optical axis of the OES from time in this case, according to formula (1). If none of the values does not exceed the set value , expand the exposure time interval symmetrically from its midpoint by a given amount and get a new value of the exposure time interval . Then the values of the function of the viewing angle of the optical axis of the OES are calculated again from time , but already within the boundaries of the exposure time interval and repeat the comparison of values with meaning . Extension of the exposure time interval continue until the values , calculated within the boundaries of the exposure time interval, do not exceed . Then they turn on the scanning of space along the azimuthal coordinate with an angular velocity and record a digital image from the MFP output with minimal blurring.
В тех случаях, когда чувствительность МФП оказывается недостаточной для регистрации формируемого на его приёмной площадке изображения, заявляемый способ предусматривает возможность увеличения временного интервала экспозиции с последующим управлением ангармонической колебательной составляющей движения изображения в плоскости МФП в направлении азимутального сканирования путем увеличения количества входящих в неё гармонических компонент с частотами кратными частоте кадровой развертки МФП и соответствующего изменения значений их амплитуд, сохраняя при этом обязательные условия, описанные в пп.1-3 формулы.In cases where the sensitivity of the MFP is insufficient to register the image formed on its receiving platform, the claimed method provides for the possibility of increasing the exposure time interval. with subsequent control of the anharmonic oscillatory component of the image movement in the plane of the MFP in the direction of azimuthal scanning by increasing the number of harmonic components included in it with frequencies multiples of the frame scanning frequency of the MFP and a corresponding change in the values of their amplitudes, while maintaining the mandatory conditions described in paragraphs 1-3 of the formula.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2845635C1 true RU2845635C1 (en) | 2025-08-25 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4929833A (en) * | 1989-03-17 | 1990-05-29 | Burle Technologies, Inc. | Feedback stabilized digital infrared detector circuit |
| RU2457504C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") | Method of scanning space using optoelectronic system |
| RU2639321C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-12-21 | Акционерное общество "Швабе-Исследования" | Optical-electronic object detecting system |
| RU2692059C1 (en) * | 2018-08-27 | 2019-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | Heat direction finder |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4929833A (en) * | 1989-03-17 | 1990-05-29 | Burle Technologies, Inc. | Feedback stabilized digital infrared detector circuit |
| RU2457504C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") | Method of scanning space using optoelectronic system |
| RU2639321C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-12-21 | Акционерное общество "Швабе-Исследования" | Optical-electronic object detecting system |
| RU2692059C1 (en) * | 2018-08-27 | 2019-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | Heat direction finder |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ПАВЛОВ Н.И. и др. Малогабаритная система кругового обзора с компенсатором смаза изображения для инфракрасного диапазона спектра на основе многосегментных оптических клиньев, Оптический журнал, Т. 87, N11, 2020. М.Ф. БОРИСОВ и др. Оптико-электронная система кругового обзора. 1. Схемы построения и вариант практической реализации, Оптический журнал, Т. 81, N9, 2014. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9973680B2 (en) | Auto-focus in low-profile folded optics multi-camera system | |
| US6496218B2 (en) | Stereoscopic image display apparatus for detecting viewpoint and forming stereoscopic image while following up viewpoint position | |
| US8471915B2 (en) | Self-correcting adaptive long-stare electro-optical system | |
| US7486311B2 (en) | Moving imager camera for track and range capture | |
| JP5328384B2 (en) | LENS CONTROL DEVICE, OPTICAL DEVICE, AND LENS CONTROL METHOD | |
| US12301996B2 (en) | Optical image stabilization apparatus and control method based on reflector rotations | |
| CN101895682B (en) | Image processing apparatus and image processing method | |
| JP2019510234A (en) | Depth information acquisition method and apparatus, and image acquisition device | |
| CN106911889A (en) | Image blur collection and slant correction equipment and its control method | |
| KR102179981B1 (en) | Anti-shake correction system for curved optical sensor | |
| EP3968622A1 (en) | Photographing apparatus and method, and adjustment element | |
| EP3275173B1 (en) | Image capture system with motion compensation | |
| RU2845635C1 (en) | Method for all-round view of space with optoelectronic system and device for its implementation | |
| EP0083219B1 (en) | Image stabilizing in tv systems | |
| CN112272272B (en) | Imaging method and device | |
| RU2834326C1 (en) | Device for stabilizing optical-electronic image of spacecraft | |
| WO2010012697A1 (en) | Method and device for enhancing the resolution of a camera | |
| JP3827108B2 (en) | Image stabilization device | |
| US10831019B2 (en) | Angular velocity correction of a scanning light beam by optical methods | |
| US10416469B2 (en) | Imaging scanner | |
| JP2003207813A (en) | Imaging device | |
| RU2622233C1 (en) | Aerial camera | |
| US20250283717A1 (en) | Three-dimensional surveying device | |
| US3972621A (en) | Apparatus for stabilizing a line of sight | |
| US20080007501A1 (en) | Display system |