СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ ПРИЦЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОЛЕМ ЗРЕНИЯ
METHOD FOR CONSTRUCTING A HIGH-PRECISION SIGHTING SYSTEM WITH A VARIABLE FIELD OF VIEW

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к объективам с переменным полем зрения для видимой и инфракрасной области спектра, и может быть использовано в оптических высокоточных системах слежения и прицеливания. Рассмотрен способ построения высокоточной прицельной системы на основе матричного приемника и панкратического объектива с плавным изменением углового поля зрения. Для вычисления поправок текущего положения линии визирования предложено использовать встроенный коллиматор и тестовое изображение с последующей цифровой обработкой в реальном масштабе времени.
При построении высокоточной прицельной системы существует проблема определения текущего положения оптической оси объектива, а также текущего увеличения. Дело в том, что подвижные компоненты объектива с переменным фокусным расстоянием имеют люфт, причем переменный и зависящий от температуры и степени износа механических деталей. Кроме того, часто важно также знать и текущее фокусное расстояние, а значит - оптическое увеличение. Встроенные в объектив датчики не позволяют определять указанные величины с требуемой точностью (единицы угловых секунд). В результате, при движении компонентов объектива линия визирования описывает в пространстве случайную кривую, причем с довольно большим среднеквадратическим отклонением (вплоть до десятков пикселей в эквиваленте). С этой целью предлагается дополнить оптический канал на основе матричного приемника 4 и панкратического объектива 3 внутренним коллиматором!, формирующим специальное тестовое изображение с помощью зеркала 2 по команде встроенной системы управления. Функциональная схема доработанного канала представлена на Фиг. 1.
Фиг. 1 Функциональная схема канала со встроенным коллиматором: 1 - коллиматор, 2 - зеркало или пластина, 3 - панкратический объектив, 4 - матричный фотоприемник Фиг. 2 Вид тестового изображения: 5 - фрагмент столбца ув(n), 6- фрагмент строки хв(m)
Фиг. 3 (а,б) Изображения, полученные в широком угловом поле с включенным (а) и выключенным (б) коллиматором
Фиг. 4 (а,б) Изображения, полученные в узком угловом поле с включенным (а) и выключенным (б) коллиматором
У такого решения есть следующие преимущества:
1. Вычисление динамических ошибок положения оптической оси канала в реальном масштабе времени.
2. Контроль функционирования канала без применения отдельной контрольно-поверочной аппаратуры.
3. Установка требуемого увеличения канала и реализация автофокусировки в случае наблюдения за малоконтрастным изображением.
При реализации алгоритма вычисления положения оптической оси канала используются как датчики, входящие в состав объективов, так и встроенные коллиматоры.
Первичная грубая обработка осуществляется по сигналам датчиков объективов. Для этого датчики предварительно калибруются. Датчики положения являются недостаточно точными, что требует вторичной, более точной синхронизации.
к
к
к
к
Вторичная синхронизация основана на использовании сигнала коллиматора. Коллиматор формирует изображение креста (наиболее удобная для обработки форма тестового изображения Фиг. 2) на фоне регистрируемых изображений. Положения центра креста х и у указывает на положение оптической оси приемного канала, а ширина линий креста Δх и Δу - на текущее увеличение (оптический ZOOM).
Данная процедура содержит две стадии:
- выделение изображения креста и преобразование его в бинарный вид;
к
к
к
к
- вычисление параметров (х, у) и (Δх, Δу);
тв
к
к
Процесс определения заканчивается формированием результирующих кадров, например x(m,n), отличающегося от исходного несколько меньшими размерами по обеим координатам и смещенного на (х, у) относительно центра исходного кадра.
A
П
в
в
Выделение изображения креста коллиматора основано на сравнении фрагментов двух кадров: активного x(m,n) (светодиод коллиматора включен) и пассивного х(m,n) (светодиод выключен). Для упрощения расчетов, в обоих кадрах выбираются одни и те же фрагменты: центральная часть строки x(m) и центральная часть столбца y(n) (Фиг. 2).
При этом размеры фрагментов по строке и столбцу одинаковые и на небольшую величину превышающие предельную толщину формируемого креста (ориентировочно 50 пикселей для оптимального случая в режиме максимального увеличения - узкого поля зрения). При этом величина оптического увеличения определяется по формуле:
о
о
где ƒ - текущее фокусное расстояние панкратического объектива, ƒ - фокусное расстояние коллиматора.
Далее, производится вычитание фрагмента пассивного кадра из соответствующего фрагмента активного с последующей пороговой обработкой:
x
y
пор
пор
ш
ш
где B(m) и B(n) - бинарные изображения выбранных фрагментов, U - пороговые значения. Теоретически можно принять U=3σ, где σ - среднеквадратичное отклонение шума.
к
к
к
к
х
у
к
к
к
к
Далее, методами бинарной морфологии вычисляются размер (Δх, Δу) и серединные координаты (x, у) полученных бинарных одномерных множеств В(m) и В(n). Именно они и являются искомыми параметрами креста. По величине (Δx, Δу) определяется требуемое увеличение и с помощью итерационного алгоритма путем управлением двигателями объективов подбираются требуемые значения. Координаты (х, у) позволяют определить линейные смещения оптической оси.
Необходимо отметить, что данный алгоритм выполняется однократно после каждого изменения фокусного расстояния.
Необходимые ресурсы вычислителя - только арифметические и логические операции. Внешний буфер памяти не требуется. Отдельные параметры алгоритма (размер и положение фрагментов строки 6 и столбца 5, пороговое значение) подбираются экспериментальным путем.
Таким образом, предложенный способ позволяет значительно повысить точность определения положения оптической оси панкратического объектива, а значит, точность определения координат наблюдаемого объекта и точность прицеливания. При этом его практическая реализация является достаточно простой.
В ОАО «ЦНИИ «Циклон» был практически реализован вышеописанный способ в составе приемного канала как видимого диапазона, так и ИК диапазона, содержащего объектив-трансфокатор.
На Фиг. 3(а, б) и 4(а, б) показаны изображения, формируемые изготовленным телевизионным каналом.
Анализ изображений позволяет заключить, что даже при небольшой мощности светодиода коллиматора отображение коллиматорного креста выделяется достаточно уверенно. Кроме того, при изменении фокусного расстояния изображение креста меняет свой масштаб и положение в кадре, что, как было показано выше, позволяет определить текущее оптическое увеличение с высокой точностью, а также положение оптической оси.
Таким образом, проведенные в ОАО «ЦНИИ «Циклон» практические исследования полностью подтвердили работоспособность и эффективность коллиматорной схемы коррекции ошибок при прицеливании с использованием объектива-трансфокатора.