СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF DETECTING MOVING OBJECTS

Изобретение относится к оптической и оптико-электронной технике и может быть использовано для регистрации движущихся точечных и малоразмерных объектов, например искусственных и естественных небесных тел.
Известны способы регистрации движущихся объектов, заключающиеся в формировании оптического изображения движущихся объектов на светочувствительной поверхности приемника излучения, экспонировании (например, за счет срабатывания створчатого затвора) в течение выбранного временного интервала и привязке к системе единого времени начала и конца экспонирования. Последующее измерение координат начала и конца следа, оставленного изображением объекта на светочувствительной поверхности, позволяет получать траекторию объекта с привязкой ко времени [1]. Из-за обмера на траектории всего двух точек точность регистрации невысока. Кроме того, при вхождении объекта в кадр после начала экспонирования, либо при выходе объекта из кадра до окончания экспонирования, получить траекторию объекта невозможно, т.к. на следе остается только одна точка, привязанная ко времени.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ регистрации движущихся объектов, заключающийся в многократном прерывании потока излучения при экспонировании и преобразовании потока в периодическую последовательность световых импульсов равной длительности и равного периода следования (например, за счет срабатывания обтюраторного затвора). Световые импульсы равной длительности обеспечивают формирование на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде равновеликих штрихов, разделенных равновеликими пробелами. Привязка к системе единого времени начала и конца каждого светового импульса и измерение координат начала и конца каждого штриха позволяет повысить точность регистрации траекторий объектов, в том числе и объектов, начало или конец следа которых не укладывается в кадр [2]. Но при отсутствии информации о направлении движения объекта, а также в случае, когда объект пересекает кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования, определение траектории становится невозможным.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа регистрации движущихся объектов.
Технический результат - возможность регистрации объектов с заранее неизвестными направлениями движения и объектов, пересекающих кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования.
Это достигается тем, что в способе регистрации движущихся объектов, заключающемся в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха, в отличие от известного, устанавливают продолжительность периода следования импульсов пропорциональной текущему времени.
При этом либо длительность импульса излучения в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность паузы постоянна, либо длительность паузы в каждом периоде следования импульсов, пропорциональна текущему времени, а длительность импульса излучения - постоянна.
им
эк
эк
эк
им
им
им
им
п
эк
эк
эк
эк
эк
1
1
2
2
3
3
4
4
эк
эк
эк
1
2
3
4
н
к
1
2
N-1
N
н
к
н
к
1
2
3
На фиг.1 приведена временная диаграмма формирования световых импульсов, на фиг.2 представлены изображения траекторий трех подвижных точечных объектов на светочувствительной поверхности, на фиг.3 приведена временная диаграмма световых импульсов, сформированных этими объектами в процессе экспонирования. На чертежах обозначено: Е - амплитуда светового импульса при экспонировании, t - текущее время, Т  - начало процесса экспонирования, Т  - конец процесса экспонирования, Т - общая продолжительность процесса экспонирования, t  - длительность первого светового импульса, t  - длительность второго светового импульса, t  - длительность (N-l)-го светового импульса, t  - длительность N-го светового импульса, t - длительность паузы; хоу - система координат с началом в верхнем левом углу кадра, 1 - траектория объекта, входящего в кадр после начала процесса экспонирования (после момента Т ); 2 - траектория объекта, выходящего из кадра до окончания процесса экспонирования (до момента Т ); 3 - траектория объекта, пересекающего кадр за время, меньшее Т (входящего в кадр после момента Т  и выходящего из кадра до момента Т ); x, y, х, y, x, y, x, y - линейные координаты в кадре начальных и конечных точек штрихов, зарегистрированных на светочувствительной поверхности; Т ; Т ; Т  - продолжительности экспонирования 1-го, 2-го и 3-го объектов; t, t, t, t, - моменты привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.
Для независимой привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени длительность каждого светового импульса при постоянной паузе устанавливают пропорциональной текущему времени, например, следующим образом.
Назначают длительность i-го светового импульса (продолжительность экспонирования в i-м периоде)
где t° - постоянная составляющая светового импульса, остающаяся неизменной в каждом периоде,
Δt - временной дискрет, характеризующий увеличение длительности импульса данного периода по сравнению с предыдущим,
* - знак операции умножения.
Длительность импульса в 1-м периоде будет равна  Для последующих периодов
п
Назначают длительность паузы постоянной и для всех периодов следования импульсов и равной t.
эк
Эта последовательность импульсов с нарастающей длительностью и с постоянной паузой показана на фиг.1. Общая продолжительность процесса экспонирования Т представляется зависимостью
где N - количество периодов.
В соответствии с приведенной зависимостью, а также с учетом технических характеристик объектива и приемника излучения выбирают конкретную реализацию процесса регистрации движущихся объектов.
кр
эк
Например, регистрации подлежат точечные объекты, средняя видимая угловая скорость которых составляет ω=2 угл. рад./с. Изображения объектов формируются на светочувствительной поверхности размером 10×10 мм при помощи объектива с фокусным расстоянием f=500 мм. Качество объектива обеспечивает кружок рассеяния d=0,03 мм. Общая продолжительность процесса экспонирования Т≈0,5 с. Многократное прерывание светового потока в процессе экспонирования осуществляется при помощи быстродействующего электромеханического затвора.
п
кр
0
0
0
При выбранных ранее соотношениях для длительности импульса  и длительности паузы t постоянную составляющую назначают такой, чтобы за время t изображение объекта оставляло на светочувствительной поверхности штрих длиной L, позволяющей произвести его точный обмер. Т.к. ширина штриха составит d, то его минимальная длина должна быть в несколько, например, в 4…6 раз больше, т.е. L=0,12-0,18 мм.
0
0
0
п
Учитывая, что средняя линейная скорость изображения объекта V=f*tg(ω)=500*tg(2)=17,5 мм/с, назначают t=L/V=0,01 с. Для паузы выбирают такое же значение, т.е. t=0,01 с. Величину временного дискрета выбирают такой, чтобы обеспечивалась надежная идентификация каждого штриха по приращению его длины. Для этого назначают, например, значение Δt в 5 раз меньшее, чем t, т.е. At=0,002 с.
Тогда  и т.д.
п
п
п
0
0
0
Так как t=t=0,01 с, то расстояние, которое проходит изображение объекта во время паузы, т.е. величина пробелов между штрихами L, а также расстояние, которое проходит изображение объекта за время t, будут равны L=L=0.01*V=0,175 мм. Расстояние, проходимое за время At, будет равно ΔL=0.002*V=0,035 мм.
2
3
Соответственно длина 1-го штриха составит  2-го штриха составит L=0,245 мм, 3-го штриха составит L=0,280 мм и т.д.
эк
п
нм
эк
14
14
Если ориентироваться на заданную продолжительность процесса экспонирования Т=0,5 с, то после подстановки в выражение (2) значений , t Δt находят, что в заданную продолжительность «вкладываются» 14,41 периодов экспонирования, т.е. полных периодов будет N=14. Максимальная длительность светового импульса в последнем (14-м) периоде составит t =0,01+14*0,002=0,038 с. Длина последнего (14-го) штриха при линейной скорости изображения объекта 17,5 мм/с составит L=0,665 мм. Уточненное значение продолжительности процесса экспонирования составит Т=0,486 с.
Отметим, что приведенные геометрические характеристики прерывистого следа соответствуют объекту, движущемуся с угловой скоростью 2 угл. град./с. Для объектов с другими угловыми скоростями эти характеристики будут другими.
1
2
эк
эк
Неизвестный объект может входить в кадр после начала процесса экспонирования. Этот случай изображен на фиг.2 (траектория 1) и фиг.3 (временная диаграмма а). Движущийся объект 1 экспонируется в течение времени т  и на фотоприемник попадает 4 полных световых импульса. В результате регистрируется конечная часть траектории (4 полных штриха), что позволяет определить скорость, направление движения и траекторию объекта. Подобная информация получается по неизвестному объекту, выходящему из кадра до окончания процесса экспонирования (фиг.2, траектория 2 и фиг.3, диаграмма б). За время экспонирования Т  на фотоприемник попадает восемь полных световых импульсов и соответственно начальная часть зарегистрированной траектории содержит 8 полных штрихов, достаточных для определения скорости, направления движения и траектории объекта.
3
эк
Благодаря тому, что каждый штрих привязан к системе единого времени автономно, предлагаемый способ позволяет определять траекторию всего лишь по двум полным штрихам. Рассмотрим более подробно траекторию 3. За время экспонирования Т  на фотоприемник попадает два полных световых импульса. На траектории регистрируются координаты четырех точек, являющихся началами и окончаниями двух полных штрихов. Какая-либо априорная информация скорости и направлении движения объекта, а также о времени входа и выхода из кадра отсутствует.
После измерения линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов, получают
1
1
X=9,764 мм, y=0,681 мм,
2
2
х=9,293 мм, у=0,461 мм,
3
3
х=9,057 мм, у=0,351 мм,
4
4
х=8,539 мм, у=0,109 мм.
По измеренным координатам находят длину первого зарегистрированного штриха
рег1
1
2
1
2
2
2
1/2
2
2
1/2
L=[(x-x)+(y-y)]=[(9,764-9,293)+(0,681-0,461)]=0,519 мм
п
п
0
0
По этим же координатам находят длину пробела между штрихами, т.е. расстояние L, которое проходит изображение объекта за время паузы t, а также расстояние L, которое проходит изображение объекта за время t
п
0
2
3
2
3
2
2
1/2
2
2
1/2
L=L=[(x-x)+(y-y)]=[(9,293-9,057)+(0,461-0,351)]=0,26l мм.
п
Соответственно находят ΔL=L/5=0,052 мм.
1
Для нахождения неизвестного номера периода n, соответствующего первому зарегистрированному штриху, с учетом соотношений (1) и (2) из полученных значений составляют уравнение
рег1
1
1
1
0
L=L+n*ΔL=0,261+n*0,052=0,519 мм; откуда n=4,961.
1
1
Так как истинное значение n всегда является целочисленным, то принимают n=5. Аналогичные вычисления выполняют для второго штриха
рег2
3
4
3
4
2
2
1/2
2
2
1/2
L=[(х-х)+(у-у)]=[(9,057-8,539)+(0,351-0,109)]=0,572 мм
рег2
2
2
2
0
L=L+n*ΔL=0,261+n*0,052=0,572 мм; откуда n=5,975=6.
н
п
п
н
Таким образом, изображение неизвестного объекта движется в кадре справа налево с линейной скоростью V=L/t=0,261/0,01=26,1 мм/с. Угловая скорость неизвестного объекта составляет ω=arctg(V/f)=2,98 угл. гр./с.
1
2
По вычисленным n и n привязывают линейные координаты начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.
1
эк
им
п
им
п
им
п
им
п
эк
п
эк
н
1
2
3
4
н
0
н
t=Т +t +t+t +t+t +t+t +t=Т +4*t+4*t+10*Δt=Т +0,1 с;
2
1
эк
эк
0
н
н
t=t+t+5*Δt=T +0,1+0,01+5*0,002=Т +0,12 с;
3
2
п
эк
эк
н
н
t=t+t=T +0,12+0,01=Т +0,13 с;
4
3
эк
эк
0
н
н
t=t+t+6*Δt=T +0,13+0,01+6*0,002=Т +0,152 с.
Таким образом, многократное прерывание потока излучения при экспонировании, то есть преобразование потока в периодическую последовательность световых импульсов, длительность которых и соответственно период следования пропорционален текущему времени, привязывание ко времени начала и конца каждого импульса, формирования на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде штрихов и пробелов и измерения координат начала и конца каждого штриха позволяет регистрировать все попадающие в кадр движущиеся объекты, в том числе объекты, пересекающие кадр за время меньшее продолжительности экспонирования и объекты с неизвестными направлениями движения, что значительно расширяет точность и достоверность регистрации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Быков О.П. Первое фотографическое наблюдение ИСЗ в СССР. Международная конференция «Околоземная астрономия», п.Терскол, 2007, Тезисы, стр.4.
2. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. - М.: Недра, 1986, стр.52-66, рис.15.