СПОСОБ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD OF SCANNING SPACE USING OPTOELECTRONIC SYSTEM

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в прицельно-обзорных оптико-электронных системах, в частности в теплопеленгаторах кругового обзора с матричным фотоприемным устройством.
Известен наиболее используемый в настоящее время способ обзора пространства, при котором оптико-электронная система, включающая в себя приемную оптическую систему, сопряженную с матричным фотоприемным устройством (МФПУ), устанавливается на двухкоординатную поворотную платформу, которая работает либо в режиме панорамной съемки со сканированием зоны обзора, либо в режиме переброса из точки в точку [Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. «Вертолетные оптико-электронные системы наблюдения и разведки», - ж. «Спецтехника», №3, 2001 г., стр.1-10; «Тепловизионные приборы нового поколения», - ж. «Спецтехника», №6, 2001 г., стр.16-20 и №1, 2002 г., стр.18-26].
Недостатком этого способа является, в первом случае, малая скорость обзора, ограниченная отношением углового разрешения к требуемому времени накопления сигнала. Во втором случае необходима команда внешнего целеуказания для наведения оптико-электронной системы (ОЭС) в заданный сектор пространства, а для сплошного просмотра зоны обзора этот режим не применяется ввиду большой инерционности и механических нагрузок на приводы системы.
Известны также способы обзора пространства [Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. «Обзорнопанорамные оптико-электронные системы». - Изв. Вузов, сер. Приборостроение, 2002 г., т.45, №2, стр.37-44], классифицируемые как способы обзора с составным полем зрения, способ, который носит название «Мозаика», и способ на базе использования панорамных оптических систем.
Способ обзора с составным полем зрения включает в себя разделение зоны обзора на совмещенные сектора обзора, каждый из которых контролируется отдельным МФПУ, снабженным собственным объективом.
Недостатком этого способа является громоздкость его практической реализации, так как для получения углового разрешения и дальности обнаружения, сравнимыми с аналогичными параметрами рассмотренных выше систем, потребуется несколько десятков таких элементарных ОЭС.
Способ "Мозаика" предусматривает также многоканальное исполнение, причем каналы развернуты по азимуту относительно друг друга и каждый канал снабжен приводом угломестного сканирования с шаговым приводом сканирующего зеркала. Недостатком такого способа обзора также является сложность осуществления.
ОЭС при реализации способа с использованием панорамной оптики строится на базе одного МФПУ с широкоугольной оптической системой, обеспечивающей обзор практически всей полусферы. Эти системы достаточно компактны, однако, имеют низкую чувствительность и угловое разрешение. Способ используется, в основном, для определения направления на высокоэнергетические источники излучения.
Наиболее близким способом того же назначения, что и заявляемый, по совокупности существенных признаков, является способ обзора пространства, реализуемый в процессе функционирования теплопеленгатора, описанного в [Патент RU №2396574. Бюл. Изобр., №22, 2010], выбранный нами в качестве прототипа. Способ предусматривает обзор пространства двухкоординатным сканирующим зеркалом и формирование временных интервалов, в которых скорости вращения и сдвига изображения в плоскости неподвижного матричного фотоприемного устройства близки или равны нулю. Последнее достигается путем введения специального двухкоординатного компенсирующего устройства в оптический тракт теплопеленгатора.
Накопление сигналов осуществляется во временные интервалы, в которых скорости вращения и сдвига изображения близки или равны нулю, что позволяет формировать кадр практически без сдвига изображения. Компенсирующее устройство представляет собой двухкоординатный дефлектор, совершающий управляемые колебания относительно двух взаимно перпендикулярных осей.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа-прототипа, относятся следующие.
В процессе сканирования зоны обзора происходит вращение изображения в плоскости МФПУ, что снижает чувствительность и угловое разрешение системы, или, при увеличении фокусного расстояния оптической системы, уменьшает скорость сканирования. Требуются также значительные вычислительные ресурсы для цифровой компенсации поворота изображения. Кроме этого, применение цифровой компенсации поворота изображения приводит к существенно низкому коэффициенту использования элементов матрицы.
К недостаткам данного способа следует отнести также и то, что он реализуется при сравнительно невысокой кадровой частоте. Это обуславливает пониженную скорость обзора пространства.
Задачей изобретения является повышение скорости обзора пространства оптико-электронной системой с увеличением углового разрешения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение оптико-электронной системой обзора пространства с высокими кадровой частотой и угловым разрешением при увеличении времени накопления сигналов МФПУ и повышении чувствительности аппаратуры.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в способе обзора пространства оптико-электронной системой, включающем сканирование пространства по азимутальной и угломестной координате, формирование изображения зоны обзора пространства в плоскости матричного фотоприемного устройства, покадровое экспонирование фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, в соответствии с заявляемым техническим решением осуществляют перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью неподвижного матричного фотоприемного устройства, сканирование пространства по азимутальной координате осуществляют с угловой скоростью, равной
аз
аз
к
ω=Δφ·f,
аз
где ω - угловая скорость сканирования;
аз
Δφ - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра;
к
f - кадровая частота матричного фотоприемного устройства;
аз
k
к
аз
1
1
φ
0
к
0
2
дополнительно формируют колебательную составляющую движения изображения в плоскости матричного фотоприемного устройства в направлении азимутального сканирования и удовлетворяющую соотношению Δω=A·(2πf)·Cos(2πft), где Δω - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону, A - амплитуда колебаний, удовлетворяющая условию , а параметр α, лежащий в пределах π/2<α<π, определяют из уравнения , где σ - радиус кружка рассеяния объектива оптико-электронной системы, покадровое экспонирование осуществляют в интервале времени  с центром в момент времени t, при котором реализуется условие Cos(2πft)=-1, где Δt задают из условия , параметр α определяют из уравнения
Совокупность вышеизложенных признаков изобретения связана причинно-следственной связью с техническим результатом изобретения.
o
o
В процессе обзора пространства оптико-электронной системой осуществляется сканирование пространства по азимутальной φ и угломестной θ координате. При реализации способа осуществляют перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью фоточувствительных элементов матричного фотоприемного устройства, входящего в состав оптико-электронной системы (далее для краткости - с плоскостью МФПУ). Сканирование пространства по азимутальной координате осуществляют с угловой скоростью, связанной с угловым размером кадра и кадровой частотой матричного фотоприемного устройства. Вводится колебательная составляющая движения изображения в плоскости МФПУ в направлении азимутального сканирования, амплитуда которой находится в строгом соотношении с кадровой частотой МФПУ, угловым размером кадра и радиусом кружка рассеяния приемного объектива ОЭС, формирующего изображение в плоскости МФПУ. Выполнение указанных действий и режимов их осуществления обеспечивает формирование временных интервалов, связанных с кадровой частотой МФПУ, внутри которых изображение стабилизировано в пределах кружка рассеяния. Если осуществить покадровое экспонирование фоточувствительных элементов МФПУ в эти определяемые всей предыдущей последовательностью действий моменты времени, то, как нами было показано теоретически и подтверждено экспериментально, за время покадрового экспонирования  реализуется режим трехпроходного микросканирования по азимутальной координате, при котором оптическая ось ОЭС трижды совмещается с пикселем МФПУ, соответствующим угловым координатам (φ, θ), в результате чего увеличивается время накопления сигналов. При использовании пространственной фильтрации, адаптированной к выделению малоразмерного (точечного) объекта, повышается угловое разрешение системы. Осуществление покадрового экспонирования формирует покадровую съемку контролируемого пространства с регулярным расположением кадров в зоне обзора и высокой кадровой частотой. К достижению технического результата приводит совокупное действие всех признаков изобретения.
аз
к
к
0
к
0
На Фиг.1 показана траектория микросканирования φ(t) по азимутальной координате φ(t)=Δφ·f·t+ASin(2π·f·t) в интервале  с центром в точке t, соответствующей моменту, когда Cos(2πft)=-1.
Способ реализуется в следующей последовательности действий.
аз
аз
к
Оптико-электронная система ведет обзор контролируемого пространства. Двухкоординатная сканирующая система осуществляет круговое сканирование по азимутальной координате со скоростью, определяемой кадровой частотой МФПУ и заданным размером кадра по азимутальной координате: ω=Δφ·f,
аз
здесь ω - угловая скорость сканирования;
аз
Δφ - шаг азимутального сканирования, меньший или равный угловому размеру кадра;
к
f - кадровая частота матричного фотоприемного устройства.
На выходе сканирующей системы известными оптическими методами производится компенсация вращения изображения относительно плоскости неподвижного МФПУ. Такая компенсация может осуществляться вращением призмы Дове, вращением уголкового зеркала, встроенного во входной телескоп приемной оптической системы, и т.д. В результате осуществляется перевод изображения зоны обзора из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат, связанную с плоскостью МФПУ.
После компенсации поворота изображения формируют малые гармонические колебания оптической оси в направлении азимутального сканирования. Подходы к решению этой задачи известны. Например, можно использовать оптические клинья, размещаемые на оптической оси системы и выполненные с возможностью вращения вокруг оси с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях. Нами были выведены строгие численные соотношения, связывающие параметры колебательного движения с кадровой частотой МФПУ, угловым размером кадра и радиусом кружка рассеяния приемного объектива оптико-электронной системы, формирующего изображение в плоскости МФПУ. Как было показано, колебательное движение изображения в плоскости МФПУ должно удовлетворять следующим соотношениям:
аз
k
к
Δω=A·(2πf)·Cos(2π·f·t); ,
аз
где Δω - аддитивная составляющая угловой скорости сканирования, изменяющаяся во времени по гармоническому закону;
1
1
φ
A - амплитуда колебаний, а параметр α, лежащий в пределах π/2<α<π, определяется из уравнения , где σ - радиус кружка рассеяния объектива ОЭС. Кружок рассеяния объектива ОЭС рассчитывается по стандартной оптической методике.
0
к
0
2
o
o
Подбирают интервал времени  относительно момента t, при котором выполняются условия Cos(2πft)=-1, , а параметр α является решением уравнения: . В этом интервале времени осуществляют экспонирование кадра с накоплением сигнала. Как видно из Фиг.1, при экспонировании обеспечивается трехкратное прохождение оптической оси ОЭС через центр пикселя, соответствующего угловым координатам (φ, θ), в плоскости МФПУ.
к
Численные оценки показывают, что при кадровой частоте f=100 Гц, объективе с диафрагменным числом F/2 и относительной амплитуде микросканирования , время накопления сигнала составляет около 2,2 мсек. Для фокальных матриц MWIR-диапазона, снабженных холодной апертурной диафрагмой и светофильтром на Δλ=3,7÷4,8 мкм, это время накопления является оптимальным, так как обеспечивается 50%-ное заполнение емкости ячейки МФПУ при температуре фона T≈300 K. Для фокальных матриц диапазона LWIR (7-10 мкм) это время избыточно, так как 50%-ное заполнение емкости ячейки осуществляется за 0,3-0,6 мсек.
аз
В оставшееся время кадра после экспонирования осуществляется считывание накопленных МФПУ сигналов, при этом оптическая ось ОЭС сдвигается на Δφ, далее цикл формирования следующего кадра повторяется в описанной последовательности.
Таким образом, обзор контролируемого пространства осуществляется экспонированием последовательности сопряженных по угловым координатам и ориентированных в пространстве кадров с фрагментами контролируемого пространства, а скорость обзора определяется собственной кадровой частотой МФПУ. Способ позволяет осуществить обзор пространства с высокой кадровой частотой и угловым разрешением, позволяет увеличить времени накопления сигналов МФПУ и повысить чувствительность аппаратуры.