Оптико-электронное устройство распознавания удаленных объектов по их спектральным характеристикам

Полезная модель относится к области измерительной техники, конкретно к оптико-электронным устройствам для распознавания удаленных объектов (УО) по их спектральным характеристикам и может быть использовано для определения спектральных характеристик УО (например, элементов космического мусора) без применения спектрофотометров, на основе полученных в процессе наблюдения интегральных фотометрических характеристик и их сравнения с интегральными эталонами, полученными с помощью имитатора спектральной зависимости световых сигналов.
Известно оптико-электронное устройство [Патент RU 2 140 659 С1, МПК: G01S 7/483, 1999 г.], содержащее объектив и окуляр телескопической системы, конденсор и анализатор изображений, выполненный в виде двух линейных поляризаторов, один из которых вращающийся, а второй неподвижен. Данное устройство позволяет определять информативные координатные параметры УО.
Недостатком описанного выше устройства является отсутствие возможности сбора некоординатной информации об УО, например, их фотометрических и спектральных характеристик.
Наиболее близким из известных к предлагаемому устройству является оптико-электронное устройство [Патент RU 2 373 493 С2, МПК: G01B 11/26, МПК: G02B 23/00 2009 г.], содержащее оптический телескоп, соединенный по выходу через зеркало с входом фотоприемника.
При этом зеркало выполнено полупрозрачным, а принцип работы основан на анализе наличия флуктуаций фототока, их сравнении с пороговым значением уровня шума и определении факта наличия вращательного движения УО, а также периода этого вращения. Таким образом оценивается состояние УО, например, его работоспособность.
Недостатком известного устройства является низкая вероятность правильного распознавания УО, ввиду малой информативности получаемой некоординатной информации.
Задачей и техническим результатом полезной модели является повышение вероятности правильного распознавания УО, за счет дополнения получаемой от них некоординатной информации спектральных характеристиками.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата достигается тем, что оптико-электронное устройство распознавания УО по их спектральным характеристикам содержит оптический телескоп, соединенный по выходу через зеркало с входом фотоприемника.
Новыми отличительными признаками полезной модели являются:
– выполнение зеркала в виде непрозрачной выдвижной пластины;
– снабжение поверхности пластины зеркальным покрытием с лицевой и обратной стороны;
– выполнение пластины с возможностью попеременного приема сигналов с выхода телескопа или имитатора спектральной зависимости световых сигналов (СЗСС) за счет цифрового управления ее положением;
– применение имитатора СЗСС и его выполнение с возможностью имитации эталонных спектральных характеристик (СХ) УО;
– соединение выхода имитатора СЗСС через обратную зеркальную сторону выдвижной пластины с входом фотоприемника;
– выполнение фотоприемника на базе ПЗС-матрицы;
– соединение выхода фотоприемника с входом ЦУР УО;
– выполнение ЦУР УО в виде установленных на активной шине сопряжения входного порта, блока цифровой обработки сигналов (БЦОС), блока управления зеркалом (БУЗ), блока управления имитатором (БУИ), блока хранения эталонов (БХЭ) и выходного порта;
– соединение управляющего выхода БУЗ с управляющим входом выдвижной пластины зеркала;
– соединение управляющего выхода БУИ с управляющими входами блоков регулировки яркости имитатора СЗСС;
– выполнение входного и выходного портов ЦУР УО в виде последовательных (USB) или параллельных (RS-232) цифровых портов.
Введение новых отличительных признаков позволило имитировать эталонные СХ УО, формировать их интегральные аналоги и сравнивать с принятыми сигналами от УО. Благодаря чему удалось дополнить получаемую от них некоординатную информацию спектральными характеристиками и повысить вероятность правильного распознавания УО.
Суть предложенного технического решения поясняется чертежами, показанным на фиг. 1, где представлена конструкция заявляемого оптико-электронного устройства и фиг. 2, где представлена конструкция ЦУР УО.
На фиг. 1 обозначены:
1 - оптический телескоп;
2 – выдвижное зеркало;
3 – фотоприемник;
4 - имитатор спектральной зависимости световых сигналов;
4.1 – источники света;
4.2 – коллиматорный объектив с панкратической системой;
4.3 – оптоволоконный излучатель;
4.4 – пластина для крепления оптоволокна;
4.5 – оптическое волокно;
4.6 – оптоволоконный разъём;
4.7 – блоки регулировки яркости;
5 – Цифровое устройство распознавания удаленных объектов;
На фиг. 2 обозначены:
5 – Цифровое устройство распознавания удаленных объектов;
5.1 – активная шина сопряжения;
5.2 – входной порт;
5.3 – блок цифровой обработки сигналов;
5.4 – блок управления зеркалом;
5.5 –блок управления имитатором;
5.6 – блок хранения эталонов;
5.7 – выходной порт.
Оптико-электронное устройство для распознавания УО по их спектральным характеристикам, содержит оптический телескоп 1. Оптический телескоп 1 по выходу соединен с зеркалом 2. Зеркало 2 выполнено в виде непрозрачной выдвижной пластины. Поверхность пластины снабжена зеркальным покрытием с лицевой и обратной стороны. Пластина выполнена с возможностью цифрового управления для попеременного приема сигналов с выхода телескопа или имитатора 4 СЗСС. Имитатор 4 СЗСС выполнен с возможностью имитации эталонных СХ УО. Выход имитатора 4 СЗСС соединен через обратную зеркальную сторону выдвижной пластины с входом фотоприемника 3. Фотоприемник 3 выполнен на базе ПЗС-матрицы. Выход фотоприемника 3 соединен с входом ЦУР 5 УО. ЦУР 5 УО содержит установленные на активной шине 5.1 сопряжения входной порт 5.2, БЦОС 5.3, БУЗ 5.4, БУИ 5.5, БХЭ 5.6 и выходной порт 5.7. Причем управляющий выход БУЗ 5.4 соединен с управляющим входом выдвижной пластины зеркала 2, а управляющий выход БУИ 5.3 – с управляющими входами блоков 4.7 регулировки яркости имитатора 4 СЗСС. Входные и выходные порты ЦУР 5 УО выполнены в виде последовательного (USB) или параллельного (RS-232) цифровых портов. В БЦОС 5.3 реализован алгоритм моделирования условий видимости УО.
В качестве УО рассматривается объект, для которого известен коэффициент , определяющий отношение его массы  к объёму :
.(1)
Данные сведения использованы при расчёте радиуса эквивалентной сферы , с помощью которой аппроксимируется удалённый объект. Приравнивая объём цилиндра к объёму эквивалентного шара с радиусом , определяется его размер:
.(2)
Вычисленная таким образом эквивалентная сфера позволяет осуществлять аппроксимацию различных ракурсов УО в течение сеанса фотометрирования.
Исходными данными при проведении моделирования являются следующие характеристики:
- дата и географические координат места дислокации оптико-электронного устройства;
- диапазон длин волн, определяющий квантовую эффективность ФП, представленный в дискретном  и непрерывном  исполнении:
,
где  – длина волны, определяющая нижний диапазон чувствительности (квантовой эффективности) ФП;
– шаг дискретного представления длин волн, например,  мкм;
– число спектральных компонент, равное:
;
– длина волны, определяющая верхний диапазон чувствительности ФП.
.
Введение значений  и  связано с тем, что программная реализация вычислений с дискретными числами на 0,63 % даёт результат выше, чем при вычислении с числами в непрерывном представлении. Например, усреднённое за время кадра значение освещённости , вычисленное с применением модели, и среднее значение, вычисленное по кривой «блеска» при проведении натурных измерений  обеспечивают статистику  только при значении , вычисленном как среднее между дискретным и непрерывном представлении длины волны, являющейся аргументом функции, определяющей освещённость .
- характеристики моделируемого оптико-электронного средства, включая диаметр входного зрачка, длину заднего фокусного расстояния оптической системы, коэффициент пропускания оптического тракта, размер фотоприемника на основе ПЗС-матрицы и значения внутреннего шума фотоприемника;
- константы для моделирования светимости Солнца как абсолютно чёрного тела с температурой , например, 5871,5 К при пересчёте в цветовую температуру  по формуле
,
где  ‒ отношение спектральной плотности энергетической светимости АЧТ  к его спектральной излучательной способности , значения которой вычисляются по формуле вида:
, ;
.
4
и  – константы в формуле Планка, равные 3,74210 и 1,439 соответственно.
Перед началом работы устройства осуществляют формирование эталонов спектральных характеристик УО и их интегральных аналогов. Эталоны формируются под управлением БУИ 5.5 с помощью имитатора 4 СЗСС. На вход имитатора 4 СЗСС с выхода БУИ 5.5 подается питание и загорается выбранный источник света 4.1 или требуемое их количество. Световой сигнал проходит по соответствующим жилам оптоволокна 4.5 к пластине для крепления оптоволокна 4.4. Торцы жил оптоволокна 4.5, ограниченные передней стенкой пластины 4.4, образуют оптоволоконный излучатель 4.3. Свет, излучаемый оптоволоконным излучателем 4.3 с торцов жил оптоволокна 4.5, формирует в фокальной плоскости коллиматорного объектива с панкратической системой 4.2 изображение точечного объекта. Сигнал с выхода коллиматорного объектива с панкратической системой 4.2 отражается от пластины выдвижного зеркала 2 и поступает на вход фотоприемника 3. Сигнал с выхода элемента разложения телевизионного растра фотоприемника 3, интегрально накопленный за время кадра, заносится в БХЭ 5.6 и соответствует по величине накопленной энергии своего спектрального аналога.
После формирования эталонов производят прием сигналов от реальных УО. Оптико-электронное устройство работает под управлением ЦУР 5 УО следующим образом. БУЗ 5.4 открывает с помощью выдвижной пластины зеркала 2 путь прохождения входного оптического сигнала от УО между телескопом 1 и фотоприемником 3.
При этом, рассеянный УО световой поток принимается телескопом 1 и направляется на вход фотоприемника 3. На элементе разложения телевизионного растра фотоприемника 3 формируется оптическое изображение УО. На выходе фотоприемника 3 световой сигнал преобразуется в течение кадра телевизионного растра в электрический сигнал. Далее электрический сигнал оцифровывается и поступает на БЦОС 5.3 ЦУР 5 УО. В БЦОС 5.3 осуществляется его пересчёт в принятую освещенность апертурной плоскости оптико-электронного устройства, а затем в величину блеска УО, выраженную в звездных величинах. В течение времени фотометрирования, включающего несколько сот кадров, формируется кривая «блеска». Значения составляющих кривой «блеска» усредняются, а получаемый интегральный отклик приёмного канала на входное воздействие, сравнивается с интегральными эталонами и их спектральными аналогами, находящимися в БХЭ 5.6. На основании сравнения производится распознавание УО.
Вычисления в алгоритме моделирования условий видимости УО, реализованном в БЦОС 5.3, осуществляются в следующей последовательности:
На первом этапе вычисляются характеристики солнечного излучения на заданные сутки, как источника подсвета поверхности УО:
Т
0
- Юлианская дата JD () на эпоху января 2000 года;
t
t
- Юлианская дата JD () на эпоху текущего времени ;
- Гринвичское среднее звёздное время;
- средняя аномалия Солнца и параметры, определяющие положение Солнца в инерциальной геоцентрической прямоугольной системе координат;
- Гринвичское истинное и модифицированное звёздное время;
- текущее время на заданную дату и местное время для часового пояса в месте дислокации оптико-электронного устройства;
- эфемериды Солнца и его положение на заданную дату относительно линии местного горизонта для точки дислокации оптико-электронного устройства, определяющее время восхода и захода;
- характеристики излучения Солнца;
- характеристики пропускания солнечного излучения атмосферой;
- характеристики освещённости заатмосферного участка, определяющие световой поток, падающий на поверхность УО, и земной поверхности;
- яркость фонового излучения, изменяющегося в течение суточного времени.
Далее вычисляются характеристики оптико-электронного устройства:
- спектральная чувствительность приёмного канала, задаваемая квантовой эффективностью фотоприемника, применяемого в моделируемом оптико-электронном устройстве;
- характеристики «атмосферно-линзового» канала;
- вероятность согласования «пятна рассеяния» с элементом разложения ТВ растра приёмного канала;
- коэффициент, учитывающий характеристики приёмного канала и коэффициент использования фотопреобразователем солнечного излучения, моделируемого как абсолютно чёрное тело с радиационной или цветовой температурой.
Затем вычисляются характеристики УО:
- по заданным элементам кеплеровской орбиты УО вычисляются орбитальные параметры, временные и пространственные характеристики, определяющие положение УО в зоне действия оптико-электронного устройства на заданную дату и момент проведения наблюдений;
- определяются текущие значения фазового угла наблюдения и условия при которых объект не попадает на момент фотометрирования в область тени Земли;
- осуществляется формирование блока хранения по раздельным и смешанным покрытиям элементов космической техники, которые могут присутствовать на УО. С этой целью аппроксимируются эталонные значения спектральной зависимости альбедо материалов каждого из покрытий , применяемых в космической технике, и составного альбедо объекта, зависящего от определённого типа , где  номер типа в каталоге объектов. Эти значения спектральных распределений альбедо принимаются в качестве эталонных.
m
- для объекта, заданного значением радиуса эквивалентной сферы , с учётом различных значений альбедо вычисляется освещённость апертурной плоскости как для каждого из элементов поверхности , так и для диффузного отражения заданной совокупности элементов поверхности объекта -го типа .
Эти освещённости формируются следующим образом:
а) освещённость  формируется с учётом отдельных покрытий, описываемых , взятых из каталога покрытий, рекомендованных для применения в космической технике. Величина  спектральной зависимости освещённости от длин волн солнечной радиации, представляемой в энергетических величинах измерений, вычисляется по формуле вида:
, (1)
где    <img file="00000046.jpg" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– длина волны солнечной радиации;
<img file="00000047.jpg" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– модельное время, шаг которого задаётся величиной, равной не более интервала, 20 c;
<img file="00000048.jpg" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– энергия солнечного излучения, падающая на поверхность УО;
<img file="00000049.jpg" he="8" wi="14" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– радиус эквивалентной сферы, которой аппроксимируется поверхность УО;
<img file="00000050.jpg" he="7" wi="23" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– альбедо поверхности УО;
<img file="00000051.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– индекс вида покрытия <img file="00000052.jpg" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />, где <img file="00000053.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /> – общее число покрытий, рекомендованных для применения в космической технике;
<img file="00000054.jpg" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– радиус-вектор, определяющий расстояние по наклонной дальности от оптико-электронного устройства до УО;
<img file="00000055.jpg" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– фазовый угол УО, поверхность которого аппроксимируется сферой радиуса <img file="00000056.jpg" he="8" wi="14" img-content="undefined" img-format="jpg" />.Угол <img file="00000055.jpg" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" /> определяется по формуле:
<img file="00000057.jpg" he="7" wi="80" img-content="undefined" img-format="jpg" />;
<img file="00000058.jpg" he="6" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
– фазовый угол наблюдения, равный углу между направлениями от УО на Солнце (С) <img file="00000059.jpg" he="8" wi="19" img-content="undefined" img-format="jpg" /> и на оптико-электронное устройство <img file="00000060.jpg" he="8" wi="25" img-content="undefined" img-format="jpg" />:
<img file="00000061.jpg" he="19" wi="83" img-content="undefined" img-format="jpg" />.
б) освещённость  с учётом составного альбедо -го типа УО, вычисляемой по формуле
,   (2)
где  – альбедо сложного покрытия, включающего в своём составе определённое количество покрытий  из общего числа .
Результатом вычислений являются освещённости апертурной плоскости оптико-электронного устройства, создаваемые как отдельными покрытиями с применением формулы (1), так и составными покрытиями, вычисляемыми согласно формуле (2). По вычисленным значениям освещённостей на момент времени  высчитываются соответствующие величины среднего значения интегрального блеска УО , которые заносятся в БХЭ 5.6 для их последующего сравнения со значениями, вычисленными по результатам натурных наблюдений.
После этого, при проведении натурных измерений по УО, заданному значением радиуса эквивалентной сферы , определяются:
- момент начала формирования кривой «блеска» по местному времени;
- кривая «блеска» (фотометрическая кривая) УО;
- последовательность входных световых воздействий на приёмный канал оптико-электронного устройства путём пересчёта кривой «блеска» от УО в последовательность значений освещённостей, усреднённых за время каждого кадра;
- среднее значение освещённости , вычисляемое за время фотометрирования;
- момент окончания процесса фотометрирования по местному времени, вычисляемый по временному интервалу, заданному длительностью фотометрирования, на который модель формирует среднее значение освещённости;
- пересчёт  в величину среднего блеска УО  вычисленную по результатам натурных измерений.
Завершающим этапом является проведение идентификации измеренных значений блеска с эталонными значениями:
При совпадении эталонного среднего значения интегрального блеска из БХЭ 5.6  с величиной, вычисленной по результатам натурных измерений , принимается решение о соответствии интегрального значения соответствующему спектральному аналогу блеска, который находится в БХЭ 5.6.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и имитационной модели оптико-электронного устройства. Проведенные верификация и валидация имитационной модели показали высокую сходимость результатов, полученных при моделировании, с измерениями, полученными от реальных оптико-электронных устройств. При этом расширение признаков распознавания УО за счет учета их спектральных характеристик обеспечило повышение вероятности правильного распознавания не менее чем на 15 %. Таким образом, заявленный технический результат достигнут. Полезная модель может найти применение в системах обнаружения и распознавания УО, например, космических объектов и элементов космического мусора.