Мира для настройки и определения параметров оптико-электронных систем

Область техники, к которой относится предложение
Предложение относится к устройствам для испытания оптико-электронной аппаратуры и диагностированию ее характеристик, а более конкретно к устройствам тест-объектов (мир), предназначенных для настройки и определения параметров оптико-электронных систем, установленных на космических аппаратах.
Уровень техники
На смену аналоговым оптико-электронным системам мониторинга земной поверхности (МЗП) приходят цифровые оптико-электронные системы (ОЭС) МЗП. В отличие от пленочных, в цифровых ОЭС в качестве приемника оптического излучения (ПОИ) используются матрицы элементарных светочувствительных элементов со строго упорядоченной регулярной структурой. Используемые в качестве приемника оптического излучения цифровых ОЭС, матричные (линейные) фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) либо комплементарные структуры металл-оксид-полупроводников (КМОП) имеют определенный физический размер элемента ПОИ. По этой причине вопрос использования штриховых тест-объектов, имеющих определенную угловую ориентацию относительно регулярной структуры приемника оптического излучения чрезвычайно важен для оценки разрешающей способности и настройки цифровых оптико-электронных систем МЗП.
м.
В качестве одного из основных критериев оценки эффективности применения ОЭС МЗП используется линейное разрешение на местности L:
линейное разрешение на местности связано с разрешающей способностью оптико-электронной системы известным выражением:
м.
где L - линейное разрешение системы на местности, м;
R - разрешающая способность системы, мм-1;
Н - высота аэрофотосъемки, м;
ƒ - фокусное расстояние системы, мм.
Разрешающая способность является пространственно-частотной характеристикой фотографической системы и определяется методом визуального дешифрирования после фотографирования тест-объектов - мир. Определение разрешающей способности ОЭС МЗП проводится как в лабораторных, так и в летных условиях при натурных испытаниях.
Результаты экспериментов подвергают статистической обработке. Определяют математическое ожидание  и среднеквадратическое отклонение разрешающей способности системы .
Известно устройство миры Ащеулова, на котором штриховые элементы тест-объекта расположены по кругу [Мельканович А.Ф. Фотографические средства и их эксплуатация. - М.: МО СССР, 1984., ГОСТ 2819-68. Фотографические материалы на прозрачной подложке. Метод резольвометрического испытания. - М.: Госстандарт, 1969]. Использование известного устройства миры для оценки разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем, установленных на космических аппаратах дает необъективный результат, так как группы штрихов с различной пространственной частотой ориентированы под разными углами относительно упорядоченного расположения элементов приемника оптического излучения (ПОИ).
Известно устройство миры «ДОН» для оценки разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем мониторинга земной поверхности [Борисочкин О.А., Григорьев Л.Г. и др. Наземный комплекс контрольных мир. - М.: ФОМОС, 1999]. Мира включает набор темных штриховых элементов на светлом фоне, расположенных на едином основании под углом 90°.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство миры ТО-ЦО-0,05 м-ВК [Веселов Ю.Г., Данилин А.А., Тихонычев В.В. Выбор тест-объекта для оценки разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем мониторинга земной поверхности. Наука и образование. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - Вып. 4. - с. 1-24]. Мира предназначена для оценки разрешающей способности цифровых ОЭС в летных условиях и состоит из напечатанных на едином полотне из гибкого материала нескольких фрагментов различной величины: концентрических колец и штрихов, ориентированных под углами 0°, 45° и 90° к предполагаемому направлению полета.
Характеристики известной миры ТО-ЦО-0,05 м-ВК:
модуляционный контраст - 0,58÷0,93;
рабочий диапазон освещенности - 40000÷110000 люкс;
равномерная спектральная характеристика в диапазоне - 400÷800 нм.
Недостатки - громоздкость, обусловливающая значительные затраты сил и времени на развертывание или переориентацию миры, малая точность проводимых измерений и высокий уровень затрат на изготовление самого устройства и подготовку ровной поверхности геополигона.
Сущность предложения
Решаемой технической задачей является повышение точности проводимых измерений, снижение затрат на расходные материалы при изготовлении, снижение затрат времени и сил на подготовку полигона и раскладку модулей миры, необходимых для проверки конкретных режимов работы специальной оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов.
Техническая задача решается тем, что мира для настройки и определения параметров оптико-электронных систем, установленных на космическом аппарате, содержащая несколько штриховых изображений различной величины, нанесенных на поверхность гибкого материала контрастного цвета под углами 0°, 45° и 90° к предполагаемому направлению полета, согласно предложению, состоит из, по меньшей мере, одного основного прямоугольного фрагмента, выполненного из армированного тканью полимерного материала темного цвета, шириной, кратной трем метрам, с нанесенными на него светлыми изображениями групп прямоугольных штрихов, расположенных под углами 0°, 45°, 90° и 135° к стороне фрагмента, и прямоугольных вспомогательных унифицированных фрагментов бокового фона, выполненных из нетканого полимерного материала с идентичным к фоновым участкам основных фрагментов со штрихами спектральным коэффициентом отражения электромагнитного излучения. Основные и вспомогательные унифицированные фрагменты имеют по периметру отверстия для фиксации их взаимного расположения и крепления к земной поверхности.
Устройство миры предполагает выкладывание на поверхности земли (полигоне) оптимального для каждого типа настраиваемых оптико-электронных систем набора модулей, состоящих из одного и более основных фрагментов, шириной, кратной трем метрам, с нанесенными на темном фоне светлыми изображениями групп штрихов, при определении оптимального набора учитывают, что суммарная ширина фрагментов, сформированных в модуль, должна превышать ширину группы штрихов, развернутой относительно длинной стороны модуля под углом 45° или 135°. Количество вспомогательных унифицированных фрагментов бокового фона, которые примыкают к основным фрагментам должно обеспечивать не менее чем двукратное превышение расстояния от изображения штрихов до края модуля.
Вспомогательные фоновые фрагменты, обладающие близкими характеристиками (идентичный спектральный коэффициент отражения) к фону на основных фрагментах со штрихами, выполнены из нетканого материала меньшей себестоимости, чем армированный тканью материал основных фрагментов.
Полезная модель иллюстрируется схемами общего вида устройства и описанием конкретного исполнения устройства в статике и динамике.
фиг. 1. - Схема общего вида известного устройства миры Ащеулова;
фиг. 2. - Схема общего вида известного устройства миры «Дон»;
фиг. 3. - Схема общего вида известного устройства миры ТО-ЦО-0,05 м-ВК;
фиг. 4. - Схема устройства миры по предложению выложенной на поверхности земли:
1 - отдельный модуль номер 20 с размером ширины штрихов 2 м;
2 - отдельный модуль номер 19 с размером ширины штрихов 1,7 м;
3, 4, 5, 6, 9 - вспомогательные унифицированные фрагменты бокового фона;
7 - штрихи на модулях;
8 - группы штрихов, развернутых относительно длинной стороны модуля под углом 45° или 135°;
A<sub>1</sub> - ширина штриха фрагмента номер 20;
А<sub>2</sub> - ширина штриха фрагмента номер 19;
Б<sub>1</sub> - расстояние от изображения штриха до края модуля;
фиг. 5. - Схема полигона для выкладки миры с вычисляемыми размерами:
1
2
1
2
2
2
R -  диагонали первого фрагмента, R - радиус круга-площадки для выкладки тест-объекта; K - длина первого катета треугольника, используемого для расчета R, К - длина второго катета треугольника, используемого для расчета R.
Описание устройства в статике
1
Устройство миры состоит из отдельных модулей (фиг. 4), геометрические размеры которых формируются из основных фрагментов шириной 3 метра (1, 2) и вспомогательных унифицированных фрагментов бокового фона шириной 3 метра (3, 4, 5, 6). Основные фрагменты выложены на поверхности земли так, чтобы их суммарная ширина превышала ширину группы штрихов, развернутых относительно длинной стороны модуля под углом 45° или 135° (8), а суммарная ширина вспомогательных унифицированных фрагментов бокового фона (3, 4, 5, 6), уложенных по периферии на каждой стороне миры вдоль направления укладки отдельных модулей, превышает максимальные расстояния от изображения штрихов до края модуля (фиг. 4, Б) не менее чем в два раза (фиг. 4, (3, 4, 5, 6)).
1
1
Длина (L) самого большого модуля миры (рис. 4) с шириной штриха А=2 м рассчитывается согласно следующего выражения:
1
и равна L=68,28,
1
где A - ширина штриха миры группы миры №1.
1
Ширина этого модуля рассчитывается по выражению  и равна В=22,142. Эти сведения необходимы для расчета материалоемкости устройства миры в примерах.
1
1
1
1
Диагональ модуля (D=2 R) определяется из выражения  и равна D=71,78, радиус R=35,89.
Радиус окружности части полигона занятого предлагаемой мирой (фиг. 4) будет определяется следующим выражением:
1
2
К=26,49; К=29,02,
2
R=39,29,
1
2
где K - длина первого катета треугольника, используемого для расчета R;
2
2
К - длина второго катета треугольника, используемого для расчета R.
1
Притом, что R=35,89.
2
Площадь окружности - 4851 м.
Эти сведения необходимы для доказательства меньшего уровня затрат на подготовку ровной поверхности геополигона.
2
2
Для сравнения площадь круга - площадки геополигона под известной мирой (фиг. 3) составляет 22370 м, что в 4,6 раза больше площади, необходимой для предлагаемого развертывания аналогичного устройства миры по предложению (4851 м).
Описание устройства в динамике применения
Пример 1. Миры известного и предлагаемого устройства применяют для проверки режимов работы оптико-электронной аппаратуры летающих аппаратов.
Характеристики тестируемой цифровой оптико-электронной системы:
-3
фокусное расстояние=180×10 м;
-6
размер элемента приемника оптического излучения=3,275×10 м;
система компенсации сдвига изображения отсутствует.
На геополигоне размещают два известных устройства тест-объекта:
1. Испытательная мира «ДОН» размером 18×18 м (фиг. 2);
2. Мира ТО-ЦО-0,05 м-ВК) (фиг. 3).
Полученные в результате аэрофотосъемки изображения подвергались визуальному анализу, в котором определялся номер группы штрихов (для штриховой миры) и номер кольца (для кольцевой концентрической и кольцевой мир), которые различаются раздельно. По известной пространственной частоте штриха (кольца) рассчитывалась разрешающая способность цифровой ОЭС по каждому изображению.
Определены значения математического ожидания  и его среднеквадратического отклонения .
Статистические характеристики результатов летного эксперимента представлены в таблице 1.
Ожидаемые оценки разрешающей способности цифровой оптико-электронной системы (ОЭС МЗП), полученные по результатам использования предлагаемого устройства миры, приведены в таблице 2.
Представленные в таблице 2 статистические характеристики, отражающие точность измерения разрешающей способности цифровой ОЭС МПЗ, в среднем в два раза меньше характеристик, полученных по известным мирам в ходе летного эксперимента, что подтверждает повышение точности проводимых измерений.
Пример 2. Оценка материалоемкости и затрат на изготовление миры известного и предлагаемого устройства. Сравнивают материалоемкость и связанные с этим затраты на изготовление фоновых фрагментов для одного модуля миры с идентичными штрихами.
2
2
2
В случае изготовления миры типа Дон на изготовление фоновых фрагментов потребовалось бы затратить запечатываемого материала трехслойной структуры (включающей армирующую ткань и светостойкое полимерное покрытие) общей площадью 2354 м. При изготовлении фоновых фрагментов одного модуля миры предлагаемого устройства используется однослойный нетканый материал без покрытия, и расход запечатанного материала на фоновые фрагменты составляет 1325 м. Экономия запечатанного материала достигает 1029 м, что составляет 44% по площади и значительно больше по стоимости.
2
2
При изготовлении модулей известной миры и предложенной миры, описанной в примере 2, для основных фрагментов использован трехслойный поливинилхлоридный материал с армирующей сеткой из нитей полиэтилентерефталата производства ОАО «СветлогорскХимволокно» по цене 130-150 руб./м. Для изготовления фоновых фрагментов использован монослойный нетканый материал из полипропилена по цене 15 руб./м. Что обеспечивает десятикратную экономию средств.
Расчеты размеров длины и ширины модуля, изготовленного по примерам 1 и 2, приведены в таблице 3.
Для работы заявленного устройства необходимо определенное пространственное расположение элементов относительно друг друга. Для этого устройство может также содержать определенные элементы, обеспечивающие указанное на чертежах взаимное расположение и соединение известными сборочными операциями. Поэтому, заявленная мира, включающая несколько фрагментов может быть признана устройством, несмотря на то что, элементы, обеспечивающие указанное взаимное расположение, не включены в формулу.