СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОМЕХ ПРИ СЪЕМКЕ СЛАБОСВЕТЯЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR REDUCING THE IMPACT OF INTERFERENCE WHEN SHOOTING LOW-GLOW OBJECTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области фиксации изображений, требующих длительной экспозиции, например, при фотографировании слабосветящихся объектов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сьемка слабосветящихся объектов характерна прежде всего для астрономии. При этом часто съемке мешают помехи, в том числе от светящихся объектов, траектории и время появления которых известны заранее. Свечение низкоорбитального спутника, обусловленное отражением солнечного света от поверхности корпуса, приводит к существенным повреждениям снимков звездного неба. Эти повреждения выглядят как полосы различной ширины, пересекающие значительную поверхность кадра.
Современные телескопы для фиксации изображений используют фоточувствительные матрицы, в частности, выполненные на основе ПЗС-технологии. При этом слабосветящийся объект, съемка которого производится, часто занимает только часть поля зрения, то есть того поля, фиксация изображения которого нужна исследователю или фотографу. Особенность фоточувствительных матриц как электронных приборов заключается в том, что в процессе экспозиции происходит накопление заряда. После прекращения режима накопления происходит обнуление накопленного заряда. Повторная экспозиция даже после короткого перерыва означает начало накопления заряда с исходного уровня, поэтому работа фоточувствительной матрицы во всей длительности экспозиции не должна прерываться.
Для защиты изображений слабосветящихся объектов от воздействия ярких помех предназначено устройство фиксации изображений с длительной экспозицией, патент RU 2717252, публикация 19.03.2020, МПК G03B 7/08. Это устройство, в частности, позволяет производить съемку звездного неба при длительных экспозициях в условиях воздействия кратковременных оптических помех со стороны низкоорбитальных спутников. Способ защиты предусматривает использование дополнительного затвора, который прерывает поступление изображения на матрицу на время присутствия помехи в поле зрения по команде датчика помехи. Недостаток данного способа заключается в том, что в случае, когда помеха присутствует в поле зрения продолжительное время, прерывание поступления изображения на матрицу отнимает существенную часть времени экспозиции. В результате на съемку слабосветящихся объектов остается мало времени. Другой недостаток данного способа заключается в том, что он предполагает полное прерывание изображения, то есть полностью блокирует поток световой энергии, который поступает на фотоприемник. В таком случае во время прерывания теряется возможность фиксации кратковременных явлений, которые имеют ценность для наблюдателя и не подвержены действию помехи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом изобретения является снижение воздействия помех во время съемки слабосветящихся объектов.
Способ снижения воздействия помех при съемке слабосветящихся объектов характеризуется тем, что на основе сигналов проекции оптической системы устройства наблюдения на матрицу фотоприемного устройства определяют координаты поля наблюдения и время фиксации результатов наблюдения снимаемого объекта. После чего на основе сигналов о траекториях источников оптических помех определяют время нахождения проекций источников оптических помех на поле наблюдения и перекрывают поступление оптического сигнала на матрицу фотоприемного устройства в течение фиксации результатов наблюдения на время нахождения этих проекций на поле наблюдения.
Сущность изобретения заключается в том, что частично или полностью прерывают воздействие оптического сигнала на матрицу фотоприемного устройства только на то время, когда источник оптических помех находится в поле зрения около слабосветящегося объекта. Если источник помех находится в поле зрения, но не мешает фиксации слабосветящегося объекта, поступление оптического сигнала на матрицу не прерывают. Таким образом, достигается главная цель: на меньшее время прерывается или совсем не прерывается время фиксации изображения слабосветящегося объекта, и получается больше снимков таких объектов с должным качеством.
В частности, в качестве источников помех определяют искусственные объекты, например, спутники.
Помимо этого, в качестве источников помех определяют естественные объекты, например, метеоры.
При этом в качестве устройства перекрытия поступления оптического изображения с телескопа на матрицу используют оптический затвор.
В том числе перекрывают поступление оптического сигнала на матрицу посредством системы управления матрицей фотоприемного устройства.
Также в качестве устройства перекрытия поступления оптического изображения с телескопа на матрицу используют поглощающий оптический фильтр.
Также в качестве устройства перекрытия поступления оптического сигнала на матрицу фотоприемного устройства используют оптическое устройство отражения.
Также в качестве устройства перекрытия поступления оптического сигнала на матрицу фотоприемного устройства используют оптическое устройство преломления.
Термины и определения, применяемые в данном изобретении.
Матрица фотоприемного устройства - одна светочувствительная матрица или массив светочувствительных матриц, которые производят фиксацию оптического сигнала, поступающего с оптической системы на фотоприемное устройство.
Поле фиксации изображения - проекция оптической системы устройства наблюдения на матрицу фотоприемного устройства в конкретное время наблюдения.
Поле наблюдения – часть матрицы фотоприемного устройства, на которой находится проекция снимаемого слабосветящегося объекта в конкретное время наблюдения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена схема взаимодействия аппаратуры при осуществлении способа.
На Фиг. 2 показано поле 5 фиксации изображения с наличием помехи на поле наблюдения.
На Фиг. 3 показано поле 5 фиксации изображения без помехи на поле 6 наблюдения.
На Фиг. 4 приведены временные диаграммы операций по способу.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Схема варианта системы, реализующего способ снижения воздействия помех при съемке слабосветящихся объектов в ходе астрономических наблюдений, показана на Фиг. 1. Устройство 1 наблюдения, в данном случае это телескоп, с оптической системой 2, устройством 3 перекрытия оптического сигнала, которое также можно назвать затвором 3, матрицей 4 фотоприемного устройства во время наблюдения имеет поле 5 фиксации изображения.
На поле 5 фиксации изображения имеется поле 6 наблюдения, то есть та часть матрицы фотоприемного устройства, на которой во время наблюдения находится проекция снимаемого слабосветящегося объекта 7 или объектов 7 (Фиг. 5 и Фиг. 6).
На рисунке (Фиг. 5 и Фиг.6) поле 6 наблюдения показано в виде прямоугольника. В реальности оно может быть любой формы. На рисунке (Фиг.1) также показана траектория 8 движения помехи, в данном случае спутника 9. В качестве помех могут рассматриваться спутники, метеоры и другие объекты.
Часть системы, предназначенная для определения параметров нахождения проекций источников оптических помех на поле 6 наблюдения, включает блок 10 прогнозирования траекторий помех и блок 12 управления затвором 3.
На вход 11 блока 10 поступают сигналы, содержащие информацию о параметрах траекторий помех в пространстве. С выхода блока 10 на вход блока 12 поступает сигнал с параметрами траекторий помех в поле зрения устройства 1 наблюдения. На вход 13 блока 12 поступают сигналы о параметрах границ поля 5 фиксации изображения, границ поля 6 наблюдения и о данных времени начала и окончания фиксации результатов наблюдения.
В качестве устройства 3 перекрытия оптического сигнала может использоваться затвор оптического устройства или дополнительное устройство, например, дополнительный затвор или поглощающий фильтр. Затвор, как и дополнительный затвор, прерывает оптический сигнал полностью и таким образом прерывает воздействие помехи. Поглощающий фильтр ослабляет оптический сигнал до уровня, при котором устранение помехи на изображении может быть произведено методами компьютерной обработки. Перекрывать поступление оптического сигнала на матрицу возможно также посредством системы управления матрицей фотоприемного устройства.
Способ осуществляется следующим образом.
Первоначально с помощью сигналов, поступающих на вход 13 блока 12, определяют, какой именно фрагмент небесной сферы является целью наблюдения в конкретное время наблюдения. То есть определяют поле 5 фиксации изображения (Фиг. 1 – Фиг. 3), это проекция оптической системы устройства 1 наблюдения на матрицу фотоприемного устройства.
Также с помощью сигналов, поступающих на вход 13 блока 12, определяют время начала и окончания фиксации результатов наблюдения. Также с помощью сигналов, поступающих на вход 13 блока 12 определяют координаты поля 6 наблюдения, где находится проекция слабосветящегося объекта 7 в конкретное время наблюдения.
На основе сигналов о траекториях источников помех в пространстве, поступающих на вход 11, при помощи блока 10 прогнозирования траекторий помех определяют время нахождения и траекторию источников помех в поле зрения устройства 1 наблюдения. Сигналы о траекториях спутников могут быть получены из базы данных NORAD (www.space-track.org). Кроме данных спутников как светящихся объектов могут использоваться данные о траекториях метеоров и других помех, полученные от датчиков обнаружения помех.
Расчет траекторий спутников в поле зрения устройства 1 наблюдения в заданное время производят в блоке 10 прогнозирования траекторий помех сначала при помощи математической модели SGP4. Эта модель производит расчет положения спутников в геоцентрической инерциальной системе координат ECI. Далее данные расчета приводятся к параметрам RA (Right ascension) и Dec (Declination) в Экваториальной системе координат (Equatorial coordinate system) с учетом позиции телескопа и других параметров.
Далее сигнал с параметрами траекторий в поле зрения с выхода блока 10 поступает на вход блока 12. Здесь на основании этих параметров определяют параметры проекций траекторий на поле 5 фиксации изображения.  Также в блоке 12 производится расчет моментов времени, когда проекции траекторий спутников пересекают границы поля 5 фиксации изображения и поля 6 наблюдения. Далее из результатов расчета выделяются параметры, которые попадают в заданное время наблюдения. Эти параметры сортируются по времени и в виде сигнала управления поступают с выхода блока 12 на устройство 3 перекрытия оптического сигнала, то есть на затвор 3.
Снижение воздействия оптического сигнала на матрицу 4 фотоприемного устройства при нахождении проекции помехи в поле 6 наблюдения происходит следующим образом (Фиг. 4). Основной затвор устройства 1 наблюдения (График A) открывается на время T1, являющееся временем съемки слабосветящихся объектов 7. Например, это электронный затвор матрицы фотоприемного устройства. Данное время может составлять десятки, сотни или тысячи секунд. На графике B (Фиг. 4) показано, что в течение времени Т1 проекция спутника 9 (Фиг. 1), свечение которого создает помеху, может присутствовать на поле 5 фиксации изображения, включая поле 6 наблюдения. Проекция 14 траектории помехи на поле 5 фиксации изображения и поле 6 наблюдения показана на Фиг. 2. Присутствие проекции 14 помехи на поле 5 фиксации изображения иллюстрируется графиком C (Фиг. 4). Время присутствия проекции помехи на поле 6 наблюдения показано на графике D (Фиг. 4), это период времени T2.
Снижение воздействия помехи на съемку слабосветящихся объектов 7 посредством устройства 3 перекрытия оптического сигнала происходит только на время T2, когда проекция 14 помехи находится на поле 6 наблюдения (Фиг. 4, график D). Перекрытие происходит по команде сигнала управления, который поступает с выхода блока 12 на устройство 3 перекрытия оптического сигнала. Временная диаграмма сигнала управления представлена на графике E (Фиг. 4).
Перекрытие производится путем полного прерывания оптического сигнала при помощи затвора. В этом случае, как показано на графике F (Фиг. 4), в поле 6 наблюдения проекция 14 помехи отсутствует.
В то время, когда помеха воздействует на поле 5 фиксации изображения за границами поля 6 наблюдения, перекрытие оптического сигнала не производится. Это позволяет использовать данное время для приема полезного оптического сигнала в полном объеме, что обеспечивает получение изображения объектов на поле 6 наблюдения с должным качеством.
Перекрытие оптического сигнала по команде сигнала управления на время T2 также может производиться при помощи поглощающего оптического фильтра. Такой фильтр понижает воздействие помехи до уровня, заданного наблюдателем. В частности, воздействие может быть понижено до уровня, который исключает переход пикселей матрицы 4 в режим насыщения. В таком случае полное устранение помехи на изображении может быть произведено далее методами компьютерной обработки.
После того, как съемка произведена и на поле 6 наблюдения получено изображение объектов должного качества, в качестве следующего поля 6 наблюдения при необходимости оператор в ручном или автоматическом режиме может выбрать другой участок поля 5 фиксации изображения. Далее вся последовательность шагов, описанных выше, применяется для съемки следующего поля 6 наблюдения.
Таким образом в условиях продолжительного воздействия помех на поле 5 фиксации изображения могут быть получены качественные изображения его отдельных участков, из которых затем при необходимости может быть сформировано изображение всего поля 5 фиксации изображения целиком либо его значительной части.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Способ снижения воздействия помех при съемке слабосветящихся объектов может быть эффективно использован прежде всего в существующих системах наблюдения в астрономии.