RU2653087C1 - Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof - Google Patents
Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2653087C1 RU2653087C1 RU2017106936A RU2017106936A RU2653087C1 RU 2653087 C1 RU2653087 C1 RU 2653087C1 RU 2017106936 A RU2017106936 A RU 2017106936A RU 2017106936 A RU2017106936 A RU 2017106936A RU 2653087 C1 RU2653087 C1 RU 2653087C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- image
- time
- observer
- photodetector
- objects
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 16
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 12
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 101000742062 Bos taurus Protein phosphatase 1G Proteins 0.000 description 1
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам дистанционного мониторинга объектов, в частности к системам оптического наблюдения и получения изображений объектов, и может быть использовано, например, в аэрокосмических системах оптического мониторинга объектов, наблюдаемых при угловых скоростях в десятки градусов.The invention relates to systems for remote monitoring of objects, in particular to systems for optical observation and image acquisition of objects, and can be used, for example, in aerospace systems for optical monitoring of objects observed at angular speeds of tens of degrees.
Известен способ получения оптических изображений быстропротекающих процессов, основанный на регистрации ультрафиолетового излучения, и устройство для его осуществления (патент RU 2431121). Способ получения оптических изображений заключается в том, что ультрафиолетовое излучение от исследуемого объекта пропускают через оптическую систему, обеспечивающую прохождение излучения в заданном УФ-диапазоне и подавление волн другой длины, и обеспечивают регистрацию поступления отдельных фотонов. Определяют координаты и время их прихода, формируют угловое распределение плотности потока (изображение) фотонов и его изменение во времени. Основным элементом устройства детектирования УФ-излучения является монофотонный время-координатно-чувствительный детектор (ВКЧД), использующий для умножения потока электронов сборку микроканальных пластин (МКП). Применение ВКЧД на основе МКП обеспечивает хорошее разрешение по времени, на уровне 1 нс. Недостатком устройства является низкая разрешающая способность по угловым координатам, на уровне 1 мрад, что не позволяет получать изображения деталей объектов размером менее 1м с расстояний более 1 км.A known method of obtaining optical images of fast processes, based on the registration of ultraviolet radiation, and a device for its implementation (patent RU 2431121). The method of obtaining optical images consists in the fact that ultraviolet radiation from the object under study is passed through an optical system that ensures the passage of radiation in a given UV range and suppression of waves of a different length, and ensure the registration of the arrival of individual photons. The coordinates and the time of their arrival are determined, the angular distribution of the flux density (image) of the photons and its change in time are formed. The main element of the UV radiation detection device is a monophoton time-coordinate-sensitive detector (VCHD), which uses an assembly of microchannel plates (MCP) to multiply the electron flux. The use of MCPP-based ICCD provides a good time resolution of 1 ns. The disadvantage of this device is the low resolution in angular coordinates, at the level of 1 mrad, which does not allow to obtain images of parts of objects with a size of less than 1 m from distances greater than 1 km.
Известно устройство формирования изображения и система камеры (патент RU 2540980 С2), предназначенные для получения изображений при низкой освещенности датчика. Устройство включает блок матрицы фотоэлектрических преобразователей (пикселов), блок чувствительных схем, выдающих двоичные сигналы в зависимости от того, произошло или нет падение фотонов на пикселы в заданный период, и блок схемы интегрирования двоичных сигналов для соответствующих пикселов за все время экспозиции. Для формирования двумерного изображения использован своеобразный способ подсчета фотонов по результатам интегрирования двоичных сигналов в каждом пикселе на большом числе периодов двоичной оцифровки потока фотонов с использованием распределения Пуассона.A device for forming an image and a camera system (patent RU 2540980 C2) are known for image acquisition in low light conditions of a sensor. The device includes a block of a matrix of photoelectric converters (pixels), a block of sensitive circuits that produce binary signals, depending on whether or not the photons fell on the pixels in a given period, and a block of binary signals integration scheme for the corresponding pixels for the entire exposure time. To form a two-dimensional image, a peculiar method of counting photons using the results of integrating binary signals in each pixel over a large number of periods of binary digitization of the photon flux using the Poisson distribution was used.
Однако в силу того, что для получения качественных изображений таким устройством необходимо, чтобы в течение времени экспозиции, включающем большое число периодов двоичной оцифровки потока фотонов, проекция объекта на фоточувствительную матрицу не изменялась, это устройство не может быть применено для получения изображений объектов, наблюдаемых при больших угловых скоростях.However, due to the fact that in order to obtain high-quality images by such a device, it is necessary that the projection of the object onto the photosensitive matrix does not change during the exposure time, including a large number of periods of binary digitization of the photon flux, this device cannot be used to obtain images of objects observed during high angular speeds.
Известны способ и устройство для получения двумерных изображений земной поверхности из космоса, использующие равномерное движение космического аппарата по круговой орбите для обеспечения сканирования наблюдаемой сцены по одной из координат [Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009, стр. 50-52]. В этом случае изображение формируется последовательно параллельными строками, расположенными перпендикулярно направлению движения космического аппарата. Для повышения чувствительности в качестве фотоэлектронных преобразователей в устройстве используется матрица фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ПЗС) с большим числом элементов в строках, работающая в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Синхронизация относительного движения изображения и зарядовых пакетов вдоль столбцов матрицы ПЗС в этом режиме позволяет осуществлять накопление сигнала. Для небольших угловых скоростей наблюдения земной поверхности из космоса, не более 1 град/с, удается получить качественные изображения местности.A known method and device for obtaining two-dimensional images of the earth's surface from space, using the uniform motion of the spacecraft in a circular orbit to ensure scanning of the observed scene in one of the coordinates [Baklanov A.I. Surveillance and monitoring systems. M .: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2009, p. 50-52]. In this case, the image is formed sequentially in parallel lines located perpendicular to the direction of motion of the spacecraft. To increase the sensitivity, the device uses a matrix of charge sensitive coupled photosensitive devices (CCD) with a large number of elements in rows, operating in the mode of time delay and accumulation (WZN) as photoelectric converters. Synchronization of the relative motion of the image and charge packets along the columns of the CCD in this mode allows signal accumulation. For small angular velocities of observing the earth's surface from space, not more than 1 deg / s, it is possible to obtain high-quality images of the terrain.
Это техническое решение является наиболее близким по техническому существу аналогом, т.е. прототипом, предлагаемых способа и устройства получения четких изображений малоразмерных быстродвижущихся объектов.This technical solution is the closest in technical essence analogue, i.e. the prototype of the proposed method and device for obtaining clear images of small-sized fast-moving objects.
Недостатком прототипа является то, что его использование не позволит получать четкие изображения малоразмерных объектов во всем многообразии возможных изменений от сеанса к сеансу условий наблюдения объектов по дальности и угловым скоростям, в том числе при больших угловых скоростях.The disadvantage of the prototype is that its use will not allow to obtain clear images of small objects in the whole variety of possible changes from session to session conditions for observing objects in range and angular velocities, including at high angular velocities.
Техническим результатом предлагаемых способа и устройства является получение четких оптических изображений малоразмерных объектов, наблюдаемых при больших угловых скоростях, порядка нескольких десятков градусов в секунду.The technical result of the proposed method and device is to obtain clear optical images of small objects observed at high angular velocities of the order of several tens of degrees per second.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения оптических изображений объектов, используя заранее полученные параметры о движении наблюдаемого объекта, проводят его предварительные наблюдения, по результатам которых уточняют параметры движения объекта относительно наблюдателя, рассчитывают координаты точки пролета и время пролета объекта на допустимом расстоянии от наблюдателя с учетом ограничений по предельно допустимой угловой скорости и освещенности объекта, к расчетному времени наводят устройство, включающее фоточувствительные матрицы приборов с зарядовой связью с режимом временной задержки и накопления, на расчетную точку пролета объекта, обеспечивают движение изображения объекта вдоль столбцов фоточувствительных матриц, по мере движения изображения объекта, в каждой матрице осуществляют синхронное накопление электрических зарядов, их электронное умножение, получают цифровое изображение объекта, и по окончании сеанса наблюдения формируют выходное изображение объекта путем сложения с учетом временной задержки цифровых изображений, полученных в каждом модуле.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of obtaining optical images of objects, using previously obtained parameters about the movement of the observed object, conduct its preliminary observations, the results of which specify the parameters of the movement of the object relative to the observer, calculate the coordinates of the point of flight and the time of flight of the object at an acceptable distance from observer, taking into account restrictions on the maximum permissible angular velocity and illumination of the object, by the estimated time induce the device, in Radiating photosensitive arrays of charge-coupled devices with a time delay and accumulation mode to the calculated point of flight of the object, ensure the movement of the image of the object along the columns of photosensitive matrices, as the image of the object moves, synchronous accumulation of electric charges is carried out in each matrix, their electronic multiplication is obtained, digital image of the object, and at the end of the observation session form the output image of the object by adding, taking into account the time delay of digital images The feedback received in each module.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство (камера) для получения оптических изображений объектов содержит механизм наведения устройства, объектив высокого углового разрешения, в фокальном узле которого расположен блок фокальной настройки, на котором установлено управляемое многоканальное фотоприемное устройство, состоящее из параллельно расположенных матричных фотоприемных модулей, выполненных на основе матриц приборов с зарядовой связью в режиме временной задержки и накопления с многоканальными выходами, сопряженными с линейками электронных лавинных умножителей, выходы которых последовательно соединены с операционными усилителями, аналого-цифровыми преобразователями и входами многоканального буферного запоминающего устройства, соединенного выходом с управляющим вычислительным устройством. Вычислительное устройство формирует команды управления многоканальным фотоприемным устройством и блоком фокальной настройки, определяет по результатам измерений параметры относительного углового движения объекта в момент оптимального сближения с наблюдателем и формирует выходное изображение объекта по окончании сеанса наблюдения.The indicated technical result is achieved in that the device (camera) for receiving optical images of objects comprises a device guidance mechanism, a high angular resolution lens, in the focal node of which there is a focal adjustment unit on which a controlled multi-channel photodetector consisting of parallel array photodetector modules is installed made on the basis of arrays of devices with charge coupling in the mode of time delay and accumulation with multi-channel outputs, with conjugate with rulers electronic avalanche multipliers, the outputs of which are connected in series with the operational amplifiers, analog-to-digital converters and the inputs of the multi-channel buffer memory device connected to the control output of the computing device. The computing device generates control commands for the multichannel photodetector and focal adjustment unit, determines the relative angular motion of the object at the time of optimal approach to the observer from the measurement results, and generates an output image of the object at the end of the observation session.
Заявленные способ и устройство для получения оптических изображений объектов, наблюдаемых при больших угловых скоростях, поясняется чертежами.The claimed method and device for obtaining optical images of objects observed at high angular velocities is illustrated by the drawings.
На фиг. 1 приведена общая схема устройства получения оптических изображений объектов.In FIG. 1 shows a General diagram of a device for obtaining optical images of objects.
На фиг. 2 схематически показана секция матричного фотоприемного модуля на основе матрицы ПЗС ВЗН и считывающего устройства с электронным умножением.In FIG. 2 schematically shows a section of a matrix photodetector module based on a CCD array of a WZN and a reader with electronic multiplication.
На фиг. 3(а, б) показано относительное расположение наблюдаемого объекта и устройства при движении во время наблюдений.In FIG. 3 (a, b) shows the relative location of the observed object and device when moving during observations.
Устройство (фиг. 1) состоит из механизма наведения (не показан), объектива высокого углового разрешения 1 (ОВУР), блока фокальной настройки 2 (БФН), многоканального фотоприемного устройства 3 (МФПУ), многоканального буферного запоминающего устройства 4 (МБЗУ), управляющего вычислительного устройства 5 (УВУ), синхрогенератора 6 (СГ) и устройства охлаждения 7 (УО).The device (Fig. 1) consists of a pointing mechanism (not shown), a high angular resolution lens 1 (OVUR), a focal adjustment unit 2 (BPS), a multi-channel photodetector 3 (MFP), a multi-channel buffer memory 4 (MBZU), a control computing device 5 (UVU), a sync generator 6 (SG) and a cooling device 7 (UO).
Устройство устанавливается на платформу, подвижную или неподвижную.The device is mounted on a platform, movable or fixed.
Механизм наведения обеспечивает нацеливание устройства на объект в процессе проведения наблюдений.The guidance mechanism ensures that the device is aimed at the object during the observation process.
Наведение устройства может быть реализовано различными способами:Pointing the device can be implemented in various ways:
путем поворота платформы, на которой установлено устройство,by turning the platform on which the device is installed,
путем использования двухосного подвеса устройства,by using a biaxial suspension device
путем использования двухосного подвеса внешнего зеркала, установленного перед объективом, а также путем комбинирования этих способов.by using a biaxial suspension of an external mirror mounted in front of the lens, as well as by combining these methods.
Объектив 1 имеет высокую угловую разрешающую способность в заданном поле зрения. Блок фокальной настройки 2 по командам вычислительного устройства 5 выполняет перемещение фотоприемного устройства 3 вдоль оптической оси объектива для получения наилучшего пространственного разрешения на расчетной дальности, а также управляемый поворот фотоприемного устройства вокруг оптической оси, чтобы направление движения изображения объекта по фокальной плоскости в текущий момент было перпендикулярно строкам матриц приборов с зарядовой связью в режиме временной задержки и накопления (ПЗС ВЗН). Для выполнения этих функций применяются механические приводы, управляемые вычислительным устройством.Lens 1 has a high angular resolution in a given field of view. The focal adjustment unit 2, at the commands of the
Многоканальное фотоприемное устройство 3 представляет собой сборку из одинаковых параллельно расположенных на фокальной плоскости управляемых матричных фотоприемных модулей 8 (МФПМ,) на основе матриц ПЗС ВЗН с многоканальным выходом.The multichannel photodetector 3 is an assembly of the same managed matrix photodetector modules 8 (MPPM,) based on the CCD VZN arrays with multichannel output, which are located in the same parallel on the focal plane.
На фиг. 1 показано четыре фотоприемных модуля. В конкретных устройствах их может быть больше или меньше в зависимости от конкретных условий применения.In FIG. 1 shows four photodetector modules. In specific devices, they may be more or less depending on the specific conditions of use.
Многоканальное буферное запоминающее устройство 4 осуществляет параллельное запоминание оцифрованных данных, поступающих с выходов фотоприемных модулей 8.Multichannel buffer memory 4 performs parallel storage of digitized data coming from the outputs of the photodetector modules 8.
Управляющее вычислительное устройство 5 формирует команды управления функциональными узлами устройства (камеры), обеспечивает совместную обработку в масштабе реального времени записанных в запоминающее устройство данных, определяет координаты положения и вектор скорости перемещения изображения объекта на фокальной плоскости во время наблюдения, формирует выходного изображения объекта по окончании сеанса наблюдения.The
Синхрогенератор 6 обеспечивает точную временную привязку и синхронизацию работы устройства в целом и всех его функциональных узлов.The
Устройство охлаждения 7 обеспечивает необходимый температурный режим для вышеуказанных функциональных блоков аппаратуры.The cooling device 7 provides the necessary temperature conditions for the above functional units of the equipment.
Излучение объекта 18 (О), движущегося в поле зрения объектива, проецируется объективом на фокальную плоскость и создает движущееся вдоль столбцов фоточувствительных матриц изображение объекта 19 (ИО). Направление движения изображения объекта показано стрелкой (фиг. 1, 2).The radiation of an object 18 (O) moving in the field of view of the lens is projected by the lens onto the focal plane and creates an image of object 19 (IO) moving along the columns of photosensitive matrices. The direction of movement of the image of the object is shown by an arrow (Fig. 1, 2).
Продолжительность интервала времени наблюдения объекта, которая прямо пропорциональна линейному размеру многоканального фотоприемного устройства вдоль направления движения изображения объекта и обратно пропорциональна линейной скорости перемещения изображения по фокальной плоскости, может быть очень мала (при наблюдениях в космосе порядка миллисекунд), что приводит к жестким требованиям по чувствительности и быстродействию фотоприемного модуля, а также к быстродействию запоминающего и вычислительного устройств.The length of the time interval for observing an object, which is directly proportional to the linear size of the multichannel photodetector along the direction of movement of the image of the object and inversely proportional to the linear velocity of the image along the focal plane, can be very short (when observing in space about milliseconds), which leads to stringent sensitivity requirements and the speed of the photodetector module, as well as the speed of storage and computing devices.
Для обеспечения высокой чувствительности фотоприемных модулей в считывающих устройствах перед выходными усилителями устанавливаются блоки электронного умножения сигнальных зарядовых пакетов.To ensure high sensitivity of the photodetector modules, electronic multiplication units of signal charge packets are installed in front of the output amplifiers in the readers.
Для обеспечения высокого быстродействия устройств считывания, запоминания и численной обработки полученных измерений применяется разделение потока данных на множество параллельно работающих каналов. В каждом канале считываются и запоминаются данные, полученные в соответствующей секции матрицы ПЗС ВЗН.To ensure high performance devices for reading, storing and numerical processing of the obtained measurements, the separation of the data stream into many parallel channels is used. In each channel, data obtained in the corresponding section of the CCD matrix of the WZN are read and stored.
Секция матричного фотоприемного модуля интегрированного фотоприемного устройства на основе матрицы ПЗС ВЗН и считывающего устройства с электронным умножением схематически показана на фиг. 2.A section of the matrix photodetector module of the integrated photodetector based on the CCD array of the WZN and the reader with electronic multiplication is shown schematically in FIG. 2.
Формирование изображения в матрице ПЗС ВЗН 9 осуществляется известным образом [1]. Изображение объекта 19 (ИО) движется вдоль столбцов матрицы ПЗС ВЗН. Направление движения изображения объекта по матрице показано жирной стрелкой. Излучение элементов объекта приводит к образованию в соответствующих элементах (пикселах) матрицы электрических зарядов, которые накапливаются во времени и образуют сигнальные зарядовые пакеты. Вертикальный сдвиговый регистр 10 осуществляет построчный перенос зарядовых пакетов вдоль столбцов с тактовой частотой, согласованной с линейной скоростью движения изображения объекта по фоточувствительной матрице. Вертикальный перенос зарядовых пакетов условно показан тонкими линиями. Из нижней строки матрицы накопленные зарядовые пакеты передаются в выходную линейку 11, из которой затем за один тактовый период вертикального регистра передаются выходным сдвиговым регистром 12 в считывающее устройство с электронным умножением.Image formation in the CCD matrix of the WZN 9 is carried out in a known manner [1]. The image of the object 19 (IO) moves along the columns of the CCD matrix of the WZN. The direction of movement of the image of the object along the matrix is shown by a bold arrow. Radiation of the elements of the object leads to the formation in the corresponding elements (pixels) of a matrix of electric charges that accumulate over time and form signal charge packets. The
В состав считывающего устройства входит многокаскадный электронный умножитель, включающий линейку лавинных умножителей 13 (ЛЛУ) и регистр электронного умножения 14, операционный усилитель 15 (ОУ) и аналогово-цифровой преобразователь 16 (АЦП). Многокаскадный электронный умножитель осуществляет электронное умножение зарядовых пакетов, он является входным блоком считывающего устройства и необходим для уменьшения влияния шумов считывания на качество изображений, получаемых при малых временах накопления из-за больших угловых скоростей. Тактовая частота считывающего устройства, включая регистр электронного умножения, равна тактовой частоте выходного сдвигового регистра. Операционный усилитель 15, осуществляет преобразование заряда в напряжение. Аналогово-цифровой преобразователь 16 преобразует аналоговые значения напряжения в цифровую форму. Оцифрованные сигналы передаются в соответствующую секцию многоканального буферного запоминающего устройства 4 (МБЗУ).The reader includes a multi-stage electronic multiplier, including a line of avalanche multipliers 13 (LLU) and an electronic multiplication register 14, an operational amplifier 15 (OA) and an analog-to-digital converter 16 (ADC). A multi-stage electronic multiplier performs electronic multiplication of charge packets, it is the input unit of the reader and is necessary to reduce the influence of read noise on the quality of images obtained at short accumulation times due to high angular velocities. The clock frequency of the reader, including the electronic multiplication register, is equal to the clock frequency of the output shift register. The operational amplifier 15, converts the charge into voltage. An analog-to-digital converter 16 converts analog voltage values to digital form. The digitized signals are transmitted to the corresponding section of the multi-channel buffer memory 4 (MBZU).
Работой фотоприемных модулей управляет вычислительное устройство 5. Тактовые частоты сдвиговых регистров фотоприемных модулей рассчитываются в вычислительном устройстве с использованием зависимости расстояния между наблюдаемым объектом и устройством от времени |ΔR(t)|. Графические иллюстрации для пояснения расчетных формул приведены на фиг. 3.The operation of the photodetector modules is controlled by computing
На фиг. 3б схематически показано пространственное движение объекта 18(О) и устройства (наблюдателя) во время сеанса наблюдения в общем случае, когда оба движутся. Так как продолжительность сеанса наблюдения объектов при больших угловых скоростях мала, то в течении этого времени движение объекта и устройства можно считать прямолинейным и равномерным со скоростями V 0 и V 1 соответственно, при этом пространственные координаты объекта R 0 и устройства R 1 изменяются во времени по линейному закону (t0 - условный момент начала отсчета времени):In FIG. 3b schematically shows the spatial motion of an object 18 (O) and a device (observer) during an observation session in the general case, when both are moving. Since the duration of the observation session of objects at high angular velocities is small, during this time the movement of the object and device can be considered linear and uniform with velocities V 0 and V 1, respectively, while the spatial coordinates of the object R 0 and device R 1 change in time with respect to linear law (t 0 - conditional time of the beginning of the countdown):
R 0(t)=R 0(t0)+V 0(t-t0) R 0 (t) = R 0 (t 0 ) + V 0 (tt 0 )
R 1(t)=R 1(t0)+V 1(t-t0) R 1 (t) = R 1 (t 0 ) + V 1 (tt 0 )
На фиг. 1б схематически показано движение объекта 18 (О) относительно устройства во время сеанса наблюдения. Положение объекта в системе координат устройства ΔR=R 0-R 1 также изменяется во времени по линейному законуIn FIG. 1b schematically shows the movement of an object 18 (O) relative to the device during an observation session. The position of the object in the coordinate system of the device Δ R = R 0 - R 1 also varies in time according to the linear law
В системе координат устройства объект во время сеанса наблюдения движется в плоскости, образованной векторами ΔR(t0) и ΔV. Минимальное расстояние от объекта ΔRmin до устройства определяется соотношениемIn the coordinate system of the device, the object during the observation session moves in the plane formed by the vectors Δ R (t0) and Δ V. The minimum distance from the object ΔR min to the device is determined by the ratio
ΔRmin=|ΔR(t0)|sinε, где ε - угол между векторами ΔR(t0) и ΔV,ΔR min = | Δ R (t0) | sinε, where ε is the angle between the vectors Δ R (t0) and Δ V ,
а текущая угловая скорость Ω(t) -and the current angular velocity Ω (t) is
В момент наибольшего сближения угловая скорость достигает максимального значения Ωmax=|ΔV|/ΔRmin.At the moment of closest approach, the angular velocity reaches the maximum value Ω max = | Δ V | / ΔR min .
С помощью соотношения (2) по известным значениям относительной скорости ΔV, минимального расстояния ΔRmin, предельно допустимой угловой скорости Ω пр е д определяется допустимое расстояние |ΔR доп |, а затем с помощью соотношения (1) выбирается время получения изображения tиз с учетом наилучшей освещенности объекта.Using equation (2) using the known values of the relative velocity Δ V, the minimum distance ΔR min, the maximum allowable angular velocity Ω pr e d determined allowable distance | Δ R ext |, then using the relation (1) is selected during receipt of image t from taking into account the best illumination of the object.
Тактовая частота вертикальных сдвиговых регистров фотоприемных модулей определяется с помощью соотношения ƒ такт =Ω(t опт )/δ пикс , где δ пикс - угловой размер пиксела по вертикали (вдоль столбцов).The clock frequency of the vertical shift registers of the photodetector modules is determined using the relation ƒ tact = Ω (t opt ) / δ pix , where δ pix is the angular size of the pixel vertically (along the columns).
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На неподвижную (с известными координатами) или подвижную (с известной текущей траекторией движения) платформу устанавливают устройство получения изображений и проводят наблюдение выбранного приближающегося объекта с учетом заранее заданных сведений о его движении относительно наблюдателя. На начальной стадии наблюдений, пока объект находится на относительно большом удалении, используя известные методы, наводят устройство на объект и получают последовательность измерений угловых координат объекта относительно наблюдателя [2]. По этим угловым измерениям на вычислительном устройстве, используя известные алгоритмы, уточняют траекторию сближения объекта и наблюдателя [3].An image acquisition device is installed on a fixed (with known coordinates) or moving (with a known current trajectory of motion) platform and an observation of a selected approaching object is carried out taking into account predetermined information about its movement relative to the observer. At the initial stage of observations, while the object is at a relatively large distance, using known methods, point the device at the object and obtain a sequence of measurements of the angular coordinates of the object relative to the observer [2]. Using these angular measurements on a computing device, using well-known algorithms, the trajectory of approach of the object and the observer is specified [3].
Рассчитывают на вычислительном устройстве пространственно-временные параметры точки оптимального сближения объекта с наблюдателем с учетом ограничений по перенацеливанию устройства и внешних условий наблюдения и вычисляют, использую формулы (1), (2) соответствующие этому моменту параметры углового движения объекта в системе координат наблюдателя (угловые координаты и угловые скорости).The space-time parameters of the point of optimal convergence of the object with the observer are calculated on the computing device, taking into account the restrictions on the device redirection and external observation conditions, and the parameters of the angular motion of the object corresponding to this moment in the observer's coordinate system (angular coordinates) are used using formulas (1), (2) and angular velocities).
Заранее нацеливают и фиксируют устройство в направлении расчетных угловых координат точки оптимального сближения и на интервале времени, включающем момент оптимального сближения, осуществляют наблюдение объекта на оптимальном расстоянии |ΔR(t опт )| (и соответствующей угловой скоростью Ω(t опт )). В это время изображение объекта движется вдоль фокальной плоскости с линейной скоростью V F , равной произведению фокального расстояния объектива F и угловой скорости объекта Ω(t опт ). Устройство нацеливается механизмом наведения таким образом, чтобы движение изображения объекта проходило строго вдоль столбцов матриц ПЗС ВЗН фотоприемных модулей (см. фиг. 1, 2). В пикселах фоточувствительных матриц благодаря фотоэффекту генерируются заряды, количество которых зависит от облученности пиксела в текущий момент времени и временной задержки. Эти вновь сгенерированные заряды добавляются к уже накопленным в пикселах к этому времени зарядовым пакетам, которые затем передаются по столбцам в соответствующие пикселы следующей строки. И так далее. Для синхронизации движения изображения объекта и процесса передачи зарядовых пакетов по столбцам тактовая частота вертикального регистра временной задержки и накопления (см. фиг. 2) устанавливается по команде управления от вычислительного устройства так, чтобы линейная скорость переноса заряда по столбцам матрицы ПЗС ВЗН данного фотоприемного модуля была равна текущей линейной скорости движения по этому модулю изображения объекта V F , заранее рассчитанной на вычислительном устройстве. Заряды, накопленные в матрице ПЗС ВЗН, при их переносе, начиная с верхней строки до нижней, поступают в выходные линейки, из которых затем передаются за один тактовый период вертикального регистра выходными сдвиговыми регистрами в соответствующие линейки электронного умножения, как показано на фиг. 2. В элементах этих линеек в каждом такте переноса зарядов с той же тактовой частотой, что и в выходных сдвиговых регистрах, осуществляется контролируемое (небольшое) лавинное умножение электронов за счет ударной ионизации. Результирующий коэффициент умножения подбирается путем изменения числа каскадов умножения - длины линейки ЛФД (при длине линейки ~300-400 он составляет ~100-400) [4]. С выхода линеек электронного умножения зарядовые пакеты поступают затем в операционный усилитель (ОУ), осуществляющий их преобразование в сигналы электрического напряжения, которые оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и передаются в соответствующую секцию многоканального буферного запоминающего устройства (МБЗУ).In advance, they aim and fix the device in the direction of the calculated angular coordinates of the point of optimal approach and, on a time interval including the moment of optimal approach, monitor the object at the optimal distance | ΔR (t opt ) | (and the corresponding angular velocity Ω (t opt )). At this time, the image of the object moves along the focal plane with a linear velocity V F equal to the product of the focal distance of the lens F and the angular velocity of the object Ω (t opt ). The device is aimed by the guidance mechanism in such a way that the image movement of the object passes strictly along the columns of the CCD arrays of the WZN photodetector modules (see Fig. 1, 2). Thanks to the photoelectric effect, charges are generated in the pixels of photosensitive matrices, the amount of which depends on the irradiation of the pixel at the current time and time delay. These newly generated charges are added to the charge packets already accumulated in pixels by this time, which are then transferred in columns to the corresponding pixels of the next row. And so on. To synchronize the movement of the image of the object and the process of transferring charge packets through the columns, the clock frequency of the vertical register of time delay and accumulation (see Fig. 2) is set by a command from a computing device so that the linear charge transfer rate along the columns of the CCD array of the CDW of this photodetector module is is equal to the current linear velocity of motion along this module of the image of the object V F , previously calculated on the computing device. The charges accumulated in the CCD VZN matrix, when they are transferred, starting from the top line to the bottom, go to the output lines, from which they are then transferred in one clock cycle of the vertical register by the output shift registers to the corresponding electronic multiplication lines, as shown in FIG. 2. In the elements of these lines in each charge transfer cycle with the same clock frequency as in the output shift registers, a controlled (small) avalanche electron multiplication is carried out due to impact ionization. The resulting multiplication coefficient is selected by changing the number of multiplication cascades - the length of the APD line (with a length of the line ~ 300-400 it is ~ 100-400) [4]. From the output of the lines of electronic multiplication, the charge packets then go to an operational amplifier (op amp), which converts them into electrical voltage signals, which are digitized by an analog-to-digital converter (ADC) and transferred to the corresponding section of a multi-channel buffer memory (MBU).
Количественные оценки качества изображений для предлагаемого способа проведены для диффузной модели рассеяния солнечного излучения на поверхности объекта. Тогда локальная спектральная плотность яркости рассеянного солнечного излучения В(λ) определяется соотношениемQuantitative assessments of image quality for the proposed method were carried out for a diffuse model of scattering of solar radiation on the surface of an object. Then the local spectral brightness density of the scattered solar radiation B (λ) is determined by the relation
В(λ)=kd(λ)(n s l s )/π,B (λ) = k d (λ) ( n s l s ) / π,
где λ - длина волны, k d (λ) - коэффициент диффузного рассеяния, E s (λ) - спектральная плотность потока солнечного излучения, n s - локальная нормаль к поверхности рассеивающего элемента, l s - вектор направления на Солнце.where λ is the wavelength, k d (λ) is the diffuse scattering coefficient, E s (λ) is the spectral density of the solar radiation flux, n s is the local normal to the surface of the scattering element, l s is the direction vector to the Sun.
Спектр интенсивности рассеянного излучения, падающего на фотоприемный элементIntensity spectrum of scattered radiation incident on a photodetector
I(λ)=B(λ)⋅Ω⋅SI (λ) = B (λ) ⋅Ω⋅S ee ƒƒ (λ),(λ)
где Ω - телесный угол фотоприемного элемента, S e ƒ (λ) - эффективная площадь входного зрачка телескопа с учетом спектральной функции пропускания оптической системы.where Ω - the solid angle of the photoreceiving element, S e ƒ (λ) - the effective area of the entrance pupil of the telescope with the spectral transmission function of the optical system.
Средняя частота генерации электронов в фотоприемном элементе под действием падающего излучения определяется соотношениемThe average frequency of electron generation in the photodetector under the influence of incident radiation is determined by the ratio
где η(λ) - квантовая эффективность фотоэлектронного преобразования, h - постоянная Планка, с - скорость света.where η (λ) is the quantum efficiency of photoelectron conversion, h is the Planck constant, and c is the speed of light.
Среднее число электронов, сгенерированных фоточувствительным элементом за некоторое время τ, приближенно можно оценить по формуле [1]The average number of electrons generated by the photosensitive element for some time τ can be approximately estimated by the formula [1]
где I Δ λ , η Δ λ - интегральная облученность фотоприемного элемента и среднее значение квантовой эффективности в спектральной полосе фотоприемника Δλ=λ2-λ1, λс - центральная длина волны в полосе Δλwhere I Δ λ , η Δ λ is the integral irradiation of the photodetector element and the average value of the quantum efficiency in the spectral band of the photodetector Δλ = λ 2 -λ 1 , λ s is the central wavelength in the band Δλ
Результаты расчетов среднеквадратических значений относительной ошибки выходного накопленного изображения (величина, обратно пропорциональная отношению сигнал-шум) при различных значениях угловой скорости Ω op t и количества тактов накопления N сигналов при пролете объекта в поле зрения устройства представлены в таблице 1. При расчетах использованы примерные значения характеристик матриц ПЗС ВЗН, представленных в [5]. В частности, размер пикселов - 10 мкм, эффективная спектральная полоса - 300-900 нм, интегральный коэффициент фото-электронного преобразования с учетом квантовой эффективности в спектральной полосе - 20%. Расчет проведен для случая диффузно отражающей поверхности объектов; предполагалось, что коэффициент диффузного отражения солнечного излучения постоянен в спектральной полосе чувствительности фотоприемных матриц и равен 0.1, угол падения солнечного излучения на элемент поверхности - 45°. Для эффективного диаметра апертуры объектива использовалось значение 0.25 м, для фокусного расстояния - 5 м.The results of the calculation of the mean square values of the relative error of the output accumulated image (a value inversely proportional to the signal-to-noise ratio) for various values of the angular velocity Ω op t and the number of clock cycles of accumulation of N signals during the passage of an object in the field of view of the device are presented in Table 1. The approximate values were used in the calculations characteristics of CCD WZN matrices presented in [5]. In particular, the pixel size is 10 μm, the effective spectral band is 300–900 nm, the integral coefficient of photoelectronic conversion taking into account the quantum efficiency in the spectral band is 20%. The calculation is carried out for the case of a diffusely reflecting surface of objects; it was assumed that the coefficient of diffuse reflection of solar radiation is constant in the spectral sensitivity band of photodetector arrays and equal to 0.1, the angle of incidence of solar radiation on a surface element is 45 °. For the effective diameter of the lens aperture, a value of 0.25 m was used; for the focal length, 5 m.
При расчетах принималось, что охлаждение фотоприемной аппаратуры и электронное накопление обусловливают незначительность собственных шумов фотоприемника и шумов считывания, так что основным источником шума является фотонный шум [6].In the calculations, it was assumed that the cooling of the photodetector equipment and electronic accumulation cause the negligible intrinsic noise of the photodetector and readout noise, so that the main source of noise is photon noise [6].
Как видно из таблицы, относительная точность выходного накопленного изображения при рассматриваемых параметрах устройства при общем числе строк ~1000 не превышает 0.5-2%. Такой точности достаточно, например, для надежного различения малоразмерных (~0.1 м) деталей объектов, наблюдаемых при пролете на расстояниях в десятки километров при угловых скоростях 5-80 градусов в секунду. При использовании применяемых в настоящее время на практике матриц ПЗС ВЗН с числом строк 128 [5] многоканальное фотоприемное устройство в этом случае должно состоять из восьми фотоприемных модулей с такими матрицами.As can be seen from the table, the relative accuracy of the output accumulated image for the considered device parameters with a total number of lines ~ 1000 does not exceed 0.5-2%. Such accuracy is sufficient, for example, to reliably distinguish between small (~ 0.1 m) parts of objects observed during flight at distances of tens of kilometers at angular speeds of 5-80 degrees per second. When using the CCD VZN arrays currently used in practice with the number of lines 128 [5], the multichannel photodetector in this case should consist of eight photodetector modules with such matrices.
Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account
1. Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009, стр. 50-52.1. Baklanov A.I. Surveillance and monitoring systems. M .: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2009, pp. 50-52.
2. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Издательство «Машиностроение», 1989, стр. 169-174.2. Lazarev L.P. Optoelectronic guidance devices. M .: Publishing house "Engineering", 1989, pp. 169-174.
3. Жданюк Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. М.: Издательство «Советское радио», 1978, стр. 67-72, 270-278.3. Zhdanyuk B.F. Fundamentals of statistical processing of trajectory measurements. M .: Publishing house "Soviet Radio", 1978, pp. 67-72, 270-278.
4. Казначеев С.А. «Особенности получения ТВ-изображений при ограниченных потоках фотонов», Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана «Наука и образование», №6, 2014, стр. 209-221.4. Treasurers S.A. “Features of obtaining TV images with limited photon fluxes”, Scientific publication of MSTU N.E. Bauman's "Science and Education", No. 6, 2014, pp. 209-221.
5. Бакланов А.И.//Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения, Санкт-Петербург, 2012, вып. 2, стр. 3-19.5. Baklanov A.I.// Questions of radio electronics. TV Technique Series, St. Petersburg, 2012, no. 2, p. 3-19.
6. Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Т.2. Долгопрудный, Издательский дом «Интеллект», 2012, стр. 279-307.6. Saleh B., Teich M. Optics and Photonics. Principles and applications. T.2. Dolgoprudny, Intellect Publishing House, 2012, pp. 279-307.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106936A RU2653087C1 (en) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106936A RU2653087C1 (en) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2653087C1 true RU2653087C1 (en) | 2018-05-07 |
Family
ID=62105461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017106936A RU2653087C1 (en) | 2017-03-02 | 2017-03-02 | Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2653087C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6064398A (en) * | 1993-09-10 | 2000-05-16 | Geovector Corporation | Electro-optic vision systems |
| US20070126918A1 (en) * | 2003-01-03 | 2007-06-07 | Chulhee Lee | Cameras with multiple sensors |
| US20070230938A1 (en) * | 2006-03-29 | 2007-10-04 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device |
| RU2540980C2 (en) * | 2010-10-01 | 2015-02-10 | Сони Корпорейшн | Device of image generation and camera system |
-
2017
- 2017-03-02 RU RU2017106936A patent/RU2653087C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6064398A (en) * | 1993-09-10 | 2000-05-16 | Geovector Corporation | Electro-optic vision systems |
| US20070126918A1 (en) * | 2003-01-03 | 2007-06-07 | Chulhee Lee | Cameras with multiple sensors |
| US20070230938A1 (en) * | 2006-03-29 | 2007-10-04 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device |
| RU2540980C2 (en) * | 2010-10-01 | 2015-02-10 | Сони Корпорейшн | Device of image generation and camera system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3550330B1 (en) | Distance measuring device | |
| US5682229A (en) | Laser range camera | |
| US8294073B1 (en) | High angular rate imaging system and related techniques | |
| Ringbeck et al. | Multidimensional measurement by using 3-D PMD sensors | |
| US11531094B2 (en) | Method and system to determine distance using time of flight measurement comprising a control circuitry identifying which row of photosensitive image region has the captured image illumination stripe | |
| CN103994719A (en) | High-precision three-dimensional imaging device based on Geiger APD arrays and using method thereof | |
| KR101145132B1 (en) | The three-dimensional imaging pulsed laser radar system using geiger-mode avalanche photo-diode focal plane array and auto-focusing method for the same | |
| US20200103526A1 (en) | Time of flight sensor | |
| CN206281570U (en) | Hyperspectral imager based on step optical filter | |
| Daigle et al. | The darkest EMCCD ever | |
| US20140168434A1 (en) | Dual-q imaging system | |
| Feautrier et al. | Advances in detector technologies for visible and infrared wavefront sensing | |
| US20210055419A1 (en) | Depth sensor with interlaced sampling structure | |
| RU2653087C1 (en) | Method of obtaining optical images of objects observed at large angular speeds, and device for implementation thereof | |
| US4791490A (en) | Detector for three-dimensional optical imaging | |
| LeBohec et al. | Toward a revival of stellar intensity interferometry | |
| Heller et al. | The single mirror small sized telescope for the Cherenkov telescope array | |
| RU2324151C1 (en) | Multichannel scanning radiometer with wide swath | |
| Knight et al. | Visible laser radar: range tomography and angle-angle-range detection | |
| USRE33865E (en) | Detector for three-dimensional optical imaging | |
| Riza et al. | Solar limb darkening color imaging of the sun with the extreme brightness capability CAOS camera | |
| Lv et al. | Implementation of FTA with high bandwidth and tracking accuracy in FSO | |
| RU2808963C1 (en) | Three-spectrum video surveillance system | |
| Edgar et al. | First-photon 3d imaging with a single-pixel camera | |
| RU2657456C1 (en) | Method of forming a video signal in a “ring”; photosensor for computer system of panoramic television observation under conditions of complex lighting and / or complex brightness of objects |