Имитатор спектральной зависимости световых сигналов

Техническое решение относится к моделям спектральной зависимости световых сигналов, формируемых удаленными объектами, и может быть использовано при решении задачи распознавания типа объекта без применения спектрофотометров, для проверки работоспособности, отладки и калибровки телевизионных камер, со спектральной зависимостью квантовой эффективности, но осуществляющих интегральное накопление сигнала в течение длительности кадра телевизионного растра.
Известно устройство для спектрального анализа [1], содержащее источник излучения, который через входную щель освещает дифракционную решетку, разлагающую излучение в спектр. Спектр регистрируется многоэлементным фотоприемником, который расположен в фокальной плоскости дифракционной решетки. Сигнал с фотоприемника поступает на устройство обработки информации (например, ЭВМ) и отображается в виде номеров элементов фотоприемника со своими величинами сигналов на индикаторном устройстве. Последовательно измеряют значения сигналов со всех элементов фотоприемника, фиксируют номера элементов фотоприемника, для которых зарегистрированы сигналы для определяемой и реперной спектральных линий. По координатам максимумов интенсивностей определяемой и реперной спектральных линий находят длину волны определяемой спектральной линии.
Недостатками этого устройства являются необходимость регистрации наряду с исследуемым, значительно ослабленным дифракционной решеткой сигналом, дополнительно реперного спектра при каждом измерении.
Известен имитатор звездного неба [2]. Это конструкция содержит коллиматорный объектив, металлическую пластину с пятью отверстиями в форме креста, светодиоды, располагающиеся за каждым отверстием. При подаче питания загораются светодиоды, и в поле зрения прибора проецируется пять точечных объектов. При этом положение имитатора относительно поля зрения прибора точно известно и не меняется во времени. При помощи данного имитатора проверяется правильность работы оптико-электронного тракта прибора в режиме регистрации точечных объектов.
Недостатком известного устройства является наличие дифракции на отверстиях пластины, через которые проходит излучение светодиода, что снижает точность имитации звезд. Кроме того, имитация светового сигнала от удаленного объекта происходит без учета спектрального состава солнечной радиации.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является имитатор звездного неба [3]. Эта конструкция содержит источник света, коллиматорный объектив, связанный с датчиком астроориентации, пластину с отверстиями, установленную в фокальной плоскости коллиматорного объектива, в отверстия пластины вставлены оптические волокна, образуя вместе с пластиной оптоволоконный излучатель, причем количество оптических волокон определяется числом имитируемых звезд в изображении, при этом выход источника света соединен с жилами оптоволокна, а вход - с блоком регулировки яркости.
Недостатком известного устройства является то, что имитация светового сигнала от удаленного объекта осуществляется без учета спектральной зависимости альбедо поверхности от спектрального состава солнечной радиации.
Целью работы является формирование спектральной зависимости альбедо поверхности удаленного объекта от спектрального состава солнечной радиации для решения задачи распознавания типа объекта без применения спектрофотометра.
Технический результат заключается в том, что светодиоды, излучающие каждый на своей волне спектра солнечного излучения, путем регулировки яркости имитируют соответствующие спектральные зависимости сигналов, как от соответствующего материала покрытия удаленного объекта, так и спектральной зависимости альбедо, формируемой совокупностью покрытий. При этом спектральные зависимости составного альбедо формируется на основе равенства Парсеваля как усредненной суммы квадратов значений альбедо каждого покрытия, входящего в составной объект, на соответствующей длине волны.
Для достижения указанного результата в имитаторе спектральной зависимости световых сигналов применены раздельные источники света, каждый из которых излучает на своей фиксированной длине волны, имитируя в совокупности спектр солнечного излучения, рассеянный поверхностью простого или составного объекта, а коллиматорный объектив связан через панкратическую систему с фотопреобразователем оптико-электронного средства, в отверстие пластины для крепления оптоволокна, установленную в фокальной плоскости коллиматорного объектива, вставлены оптические волокна, идущие от каждого источника, образуя вместе с пластиной совмещенный оптоволоконный излучатель, имитирующий световой сигнал от объекта, причем количество оптических волокон определяется числом излучателей, количество которых зависит от имитируемых спектральных компонент солнечного излучения, при этом выход конкретного источника света соединен со своей жилой оптоволокна, а вход - с блоком регулировки яркости. Благодаря такой конструкции имитатор способен формировать спектральные зависимости сигналов как от конструктивных элементов, применяемых в космической отрасли, а также и составных объектов, преобразовывая их в фокальной плоскости панкратической системы в пятно рассеяния, близкое к размерам пятна рассеяния, полученного от реального объекта. При этом интегрально накопленный сигнал с выхода фотопреобразователя будет использоваться в качестве эталона сигнала, соответствующего своему спектральному распределению.
Суть предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого имитатора спектральной зависимости сигналов; на фиг. 2 - сечение по А-А.
Имитатор спектральной зависимости сигналов содержит источники света 1, выполненные на светодиодах, каждый из которых излучает на своей фиксированной длине волны, имитируя в совокупности спектр солнечного излучения, рассеянный поверхностью простого или составного объекта, коллиматорный объектив 2, связанный через панкратическую систему с фотопреобразователем оптико-электронного средства (на фиг. 1 не показано), пластины с отверстием 4, в которое вставлены оптические волокна 5, идущие от каждого источника 1, образуя вместе с пластиной совмещенный оптоволоконный излучатель 3, имитирующий световой сигнал от объекта. Передняя стенка пластины 4 установлена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 2. Каждый источник света 1 соединен индивидуальным оптоволокном 5 через оптоволоконный разъем 6 с пластиной 4. Торцы оптоволоконных жил входят в отверстие пластины. Пластина 4 с торцами оптоволоконных жил конструктивно соединена с помощью втулки с коллиматорным объективом 2.
В целях получения спектра излучения количество источников света 1 и сопряженных с ними оптоволоконных жил 5 выбирается в зависимости от требуемого числа компонент «спектрального развертывания» интенсивности лучистого потока по шкале длин волн солнечной радиации. Концы оптоволокна 5 вставляются в просверленное отверстие пластины 4 с тыльной стороны, а длина проводов оптоволокна 5 ограничена передней стенкой пластины. Источники света 1 соединены с соответствующими блоками регулировки яркости 7, которые позволяют изменять интенсивность соответствующей спектральной компоненты световых потоков, идущих как от однородной поверхности, так и от составной поверхности различных объектов.
На фиг. 2 указано сечение одного из вариантов исполнения пластины. Такая конструкция позволяет использовать световой сигнал как от отдельно включенного источника света, что необходимо для калибровки имитатора, так и от требуемого их количества, определяющего спектральный состав имитируемого сигнала от отдельных или составных покрытий.
Особенностью предлагаемого имитатора спектральной зависимости световых сигналов является использование оптоволокна, торцы которого входят в пластину с отверстием. С помощью панкратической системы добиваются согласования диаметра кружка рассеяния, формируемого имитатором сигнала, с размером элемента разложения телевизионного растра ПЗС-матрицы, применяемой в качестве фотопреобразователя оптико-электронного средства. Таким образом, полученные на матрице изображения имитируемых объектов будут соответствовать размерами изображений реальных объектов.
Работает имитатор спектральной зависимости световых сигналов следующим образом.
При подаче питания загорается выбранный источник света 1 или требуемое их количество, и световой сигнал проходит по соответствующим жилам оптоволокна 5 к пластине 4 с отверстием. Торцы жил оптоволокна 5, ограниченные передней стенкой пластины 4, образуют оптоволоконный излучатель 3. Яркость излучаемого источника света 1 выбирается из условия обеспечения требуемого спектрального значения альбедо формируемого эталона поверхности объекта.
Свет, излучаемый оптоволоконным излучателем 3 с торцов жил оптоволокна 5, формирует в фокальной плоскости коллиматорного объектива 2 с панкратической системой изображение точечного объекта, сигнал от которого, интегрально накопленный за время кадра на выходе элемента разложения телевизионного растра ПЗС-матрицы, соответствует по величине накопленной энергии своего спектрального аналога.
ои
экв.сф
экв.сф
Сила света, излучаемая оптоволоконным излучателем I(λ,r,ρ,Д,t), имитирующим наблюдаемый объект, зависящая от длины волны λ светового потока, радиуса эквивалентной сферы r, аппроксимирующей его поверхность, типа ρ одиночного или составного покрытия на поверхности объекта, наклонной дальности Д и времени t, определяющего момент обнаружения с учетом сезонных и суточных условий наблюдения, формируется согласно следующей зависимости:
Об
экв.сф
где E(λ,r,ρ,Д,t) - вычисляемая с учетом условий наблюдения спектральная зависимость освещенности апертурной плоскости оптико-электронного средства;
ои
S - площадь оптоволоконного излучателя;
- заднее фокусное расстояние панкратической системы;
эл
d - размер элемента разложения телевизионного растра ПЗС-матрицы оптико-электронного средства.
Применение предлагаемого имитатора спектральной зависимости световых сигналов позволит для различных конструкционных материалов, применяемых в космической технике, формировать простые и составные спектральные зависимости освещенности апертурной плоскости оптико-электронного средства с целью определения отклика приемного канала на входное воздействие имитатора. Отклик, являясь интегральным аналогом входного сигнала, усредненного в течение длительности телевизионного кадра и интервала длин волн, определяющих квантовую эффективность фотопреобразователя, заносится в базу данных в виде эталона. В процессе наблюдения реального объекта, обнаруживаемого при условиях наблюдения, которые были заранее промоделированы, интегральный отклик приемного канала на входное воздействие, получаемый в результате усреднения кривой «блеска», сравнивается с эталонами, полученными с помощью имитатора. Применяя методы распознавания, представляется возможным принять решение о спектральном составе сигнала, рассеянного поверхностью наблюдаемого объекта без применения спектрофотометра.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство SU 1827550, МПК: G01J 3/42, 1993 г;
2. «Имитаторы звездного неба для наземной отработки датчиков звездной ориентации», авторы: Г.А. Аванесов, С.В. Воронков, Б.С.Дунаев, В.А. Красиков, В.А. Шамис, А.А. Форш [сборник трудов «Механика, управление и информатика», ИКИ РАН, Москва, 2009 г.];
3. Патент RU 155 206 U1, МПК: G09B 27/02, 2015 г. (прототип).