Устройство обнаружения объекта на фоне звезд

Устройство обнаружения объекта на фоне звезд

Реферат

 

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов на фоне звезд. Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения искусственных космических объектов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп 1, передающую телевизионную камеру 2, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство 8, блок вычисления амплитуд видеосигнала 13, связанный с устройством сопряжения 12, и выходное телевизионное устройство 15 введены первое 3, второе 4 и третье 5 устройства сравнения, первое 6 и второе 11 пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10, коммутатор 14, логический элемент И 9, логический элемент ИЛИ. Кроме того, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10 содержит оптически сопряженные высокояркостную трубку 16, первый объектив 17, светоделитель 18, пространственно-временной модулятор света 19, модулятор 20, второй объектив 21, вторую передающую телевизионную камеру 22, а также источник когерентного излучения 23, связанный оптически через светоделитель 18 с пространственно-временным модулятором света 19, причем вход высокояркостной трубки 16 соединен с входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации 10, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры 22, 1 з.п ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области локации, преимущественно к пассивной оптической локации удаленных объектов, и может быть использовано в приемном канале локационных комплексов для обнаружения удаленных объектов и их селекции на фоне звездного неба.

Известно устройство обнаружения движущихся объектов на фоне звезд, содержащее приемную оптическую систему, видикон, первую, вторую и третью линии задержки, логический элемент ИЛИ, логический элемент И и инвертор.

К недостаткам данного устройства относится низкая точность, обусловленная большой вероятностью ложной тревоги вследствие невозможности полной компенсации излучения фона звездного неба. Первая и третья линии задержки имеют конечное число элементов, что позволяет компенсировать изменения фона лишь в пределах двух элементов разрешения по каждому из направлений. Изменения изображения фона звезд на величину более двух элементов разложения вызовут появление ложного сигнала.

Кроме того, при малых скоростях перемещения объекта /например, при обнаружении ИСЗ на орбитах, близких к геостационарным/ известное устройство имеет большую вероятность пропуска объекта /сигнал от объекта не обнаруживается при перемещении объекта за время кадра на величину менее двух элементов разложения/.

За прототип выбрано устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, выходное телевизионное устройство, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения.

Недостатками известного устройства являются низкая вероятность обнаружения объектов, которая обусловлена тем, что при накоплении изображения объекта и звезд в устройстве фоторегистрации фона звездного неба суммируется с изображением перемещающегося объекта, приводя к его пропуску, а также тем, что изображения ярких звезд при длительной экспозиции вызывают насыщение фотопластинки устройства фоторегистрации и расплавление зарегистрированного изображения, вызывая пропуск изображения объекта вблизи изображений ярких звезд.

Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения космических объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство обнаружения объектов на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения, и выходное телевизионное устройство, введены первое, второй и третье устройства сравнения, первое и второе пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации, коммутатор, логический элемент И, логический элемент ИЛИ, причем выход передающей телевизионной камеры соединен с первым входом первого устройства сравнения, выход которого связан с первым входом второго устройства сравнения связан с первым входом третьего устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства, выход оперативного запоминающего устройства соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ и с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, первый, второй и третий выходы устройства сопряжения соединены со вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, четвертый и пятый выходы устройства сопряжения соединены со вторыми входами первого и второго пороговых устройств соответственно, шестой выход устройства сопряжения подключен ко второму входу логического элемента И, седьмой выход устройства сопряжения подключен к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом третьего устройства сравнения и вторым входом устройства сопряжения, а выход коммутатора соединен с входом выходного телевизионного устройства.

Предлагаемое устройство отличается также тем, что блок оптической пространственно-частотной фильтрации содержит оптически сопряженные высокояркостную трубку, первый объектив, светоделитель, пространственно-временной модулятор света, модулятор, второй объектив, вторую передающую телевизионную камеру, а также источник когерентного излучения, связанный оптически через светоделитель с пространственно-временным модулятором света, причем вход высокояркостной трубки соединен со входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства селекции объекта на фоне звезд; на фиг. 2 схема блока оптической пространственно-частотной фильтрации;на фиг.3,а-г виды изображений.

Предлагаемое устройство содержит приемный телескоп 1, передающую телевизионную камеру 2, первое 3, второе 4 и третье 5 устройства сравнения, первое пороговое устройство 6, логический элемент ИЛИ 7, оперативное запоминающее устройство 8, логический элемент И 9, блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10, второе пороговое устройство 11, устройство сопряжения 12, блок вычисления 13, коммутатор 14 и выходное телевизионное устройство 15, причем передающая телевизионная камера 2 установлена в фокальной плоскости приемного объектива 1, выход передающей телевизионной камеры связан с первым входом первого устройства сравнения, выход которого связан с первым входом второго устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом третьего устройства сравнения, выход которого связан с первым входом порогового устройства, с устройством сопряжения и со вторым входом коммутатора, выход первого порогового устройства связан с первым входом логического элемента ИЛИ, выход логического элемента ИЛИ связан с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ и с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, а выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с устройством сопряжения, устройство сопряжения связано со вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, первого и второго пороговых устройств, логического элемента И, с блоком вычисления и с первым входом коммутатора, выход которого связан со входом выходного телевизионного устройства. Блок оптической пространственно-частотной фильтрации 10 содержит оптически связанные высокояркостную трубку 16, первый объектив 17, светоделитель 18, пространственно-временной модулятор света /ПРМС/ 19 с блоком управления /на фиг. 2 не показан/, модулятор 20, второй объектив 21, вторую передающую телевизионную камеру 22, а также источник когерентного излучения 23, оптически связанный с ПВМС 19 через светоделитель 18, причем вход блока 10 соединен с входом высокояркостной трубки 16, а выход блока 10 является выходом второй передающей телевизионной камеры 22.

Принцип действия предлагаемого устройства следующий. Излучение объекта и звезд принимают приемным телескопом 1, с помощью которого формируют и регистрируют в его фокальной плоскости изображение объекта и звездного фона f_i(x, y) S_i(x, y) + n_i(x, y),(1) где S_i(x, y) изображение объекта; n_i(x, y) изображение звездного фона; i номер регистрируемого изображения.

Изображение f_i(x, y) регистрируют на светочувствительной площадке /фотокатоде/ передающей телевизионной камеры 2 и преобразуют в видеосигнал V_i/t/, несущий информацию о зарегистрированном изображении f_i/x, y/. При этом, так как закон развертки электронного луча в передающей телевизионной камере 2 известен, то существует взаимно однозначное соответствие между пространственными координатами x, y точки F(x,y)f_i(x,y) и временной координатой t той же точки F(t) U_i(t) Выражение этого соответствия в аналитическом виде, например, может иметь вид: x K_x(t/t_c I_N(t/t_c)), y K_yI_N(t/t_c),(2) где I_N() целая часть t_с время развертки одной строки, K_x, K_y Const постоянные коэффициенты.

Видеосигнал U_i/t/ проходит последовательно через первое 3 и второе 4 устройства сравнения, реализованные, например, на базе компаратора и аналогового ключа, при этом на вторые входы устройства сравнения поступают сигналы сравнения V₁ и V₂.

В первом устройстве сравнения 3 сравнивают амплитуду видеосигнала U_i(t) с сигналом сравнения V₁, получая видеосигнал U_i1(t): Во втором устройстве сравнения 4 сравнивают амплитуду видеосигнала U_i1/t/ с сигналом сравнения V₂, получая видеосигнал: U_i2(t) В третьем устройстве сравнения 5 /реализованном на базе компараторов и аналогового ключа/ сравнивают во временной области видеосигнал U_i2/t/ с временным стробом V/t/, поступающим из устройства сопряжения, получают видеосигнал V_фi/t/: Первоначально V(t) V_от 0 Видеосигнал V_фi(t) с порогом V_пор, задаваемым от устройства сопряжения 12.

Таким образом, на выходе первого порогового устройства имеют видеосигнал U^o_фi(t) При этом величины уровней сравнения определяются, исходя из условий функционирования устройства: V₁ соответствует амплитуде видеосигнала V_i/t/, получаемой в результате регистрации фона звездного неба /рассеянное в атмосфере излучение звезд, других небесных тел, излучение космического пространства и т.д./; V₂ соответствует амплитуде видеосигнала U_i/t/, получаемой в результате регистрации наиболее интенсивного по яркости объекта /соответствует максимальной яркости объекта/; V_пор соответствует амплитуде видеосигнала U_i/t/, получаемой в результате регистрации наименее яркого объекта.

Вычисление значений V₁, V₂, V_пор осуществляют в блоке вычисления 13, реализованном, например, на базе микропроцессора и через устройство сопряжения 12 задают на блоки 3, 4, 6.

С выхода первого порогового устройства 6 видеосигнал поступает на логический элемент ИЛИ 7, реализованный, например, на базе логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства ОЗУ 8 /реализованного, например, на основе ПЗС-матрицы/, выход которого соединен со входом логического элемента ИЛИ 7.

Таким образом, до тех пор, пока на второй вход логического элемента И 9 не будет подан сигнал разрешения, имеющий уровень логической И от устройства сопряжения 12, в ОЗУ 8 будет осуществляться суммирование N кадров видеосигнала U_i/t/ /в виде U^o_фi(t) /, т.е. будет формироваться видеосигнал /т.о. логический элемент И выполняет роль коммутатора/.

После подачи сигнала разрешения на блок 9, суммарный видеосигнал U поступает на вход блока 10, в котором осуществляют оптическую пространственно-частотную фильтрацию суммарного бинарного видеосигнала f(x,y) в световой поток w(x,y), соответствующий f(x,y) /однозначность соответствия координат x, y и t согласно формулам 2/.

В процессе регистрации N изображений f_i/x, y/ формируемые изображения как объекта, так и звезд, перемещаются относительно приемного телескопа 1. Таким образом, совокупность изображений будет представлять собой траектории перемещения объекта и звезд соответственно. Так как направления перемещения объекта и звезд не совпадают, то изображения S/x, y/ и n/x, y/ будут представлять собой штрихи различной ориентации /считая объект точечным/ и, следовательно, используя секторную пространственно-частотную фильтрацию, можно отфильтровать изображения звезд и получить световой поток _об(x,y),, в котором присутствует только изображение объекта S/x, y/.

Секторная пространственно-частотная фильтрация может быть, например, реализована путем экранирования спектра суммарного бинарного изображения f(x,y) непрозрачным штрихом, ориентацию которого устанавливают в соответствии с ориентацией штриховых изображений звезд n/x, y/. Блок оптической пространственно-частотной фильтрации, в частности, может быть выполнен следующим образом. Суммарный видеосигнал U(t) в высокояркостной трубке 16 преобразуют в световой поток w(x,y) соответствующий суммарному изображению и n^o_i(x,y) двухградационные /бинарные/ изображения объекта и звезд. Первым объективом 17 проецируют изображение f(x,y) на ПВМС 19, реализованный, например, на основе электрооптического кристалла, и обладающий анизотропией оптических свойств. Примером такого ПВМС может служить, например, ПВМС типа ПРИЗ, зависимость дифракционной эффективности которого от ориентации записываемых изображений /представленная на фиг. 3,а/ имеет вид замкнутой кривой, проходящей через 0. Таким образом, при соответствующей ориентации ПВМС 19 относительно изображения звезд n/x, y/ /вид изображения f_i/x, y/ и f(x,y) приведен на фиг. 3. б, в соответственно/ при считывании записанного на ПВМС изображения f(x,y) считывающим излучением источника когерентного излучения 23 после прохождения ПВМС считывающее излучение будет промодулировано по поляризации не в соответствии с f(x,y) а в соответствии с выражением: где F, F^-1 прямое и обратное преобразование Фурье; (_x,_y) зависимость дифракционной эффективности от пространственной частоты /на фиг. 3,а угол =arctg _y(_x) /.

Так как изображения как объекта, так и звезд представляют собой штрихи, то их энергетические спектры обладают ярко выраженной анизотропией свойств, и, следовательно, ориентируя ПВМС таким образом, чтобы наиболее сильно выраженные в спектре звезд пространственно-частотные составляющие соответствовали такому значению для которого h()=0 можно подавить изображения звезд в После прохождения первого модулятора 20 модуляцию по поляризации преобразуют в модуляцию светового потока по амплитудам и с помощью второго объекта 21 проецируют на фотокатод второй передающей телевизионной камеры 22 отфильтрованное изображение f_отф/x,y/ f_c/x,y/ / фиг. 3/, содержащее только информацию об объекте и остаточный сигнал фона, которое преобразуют в видеосигнал V_c/t/, поступающий на вход второго порогового устройства 11, где его сравнивают с порогом V_c и образуют видеосигнал V_s/t/: В отфильтрованном изображении f_отф/x,y/, кроме изображения объекта S/x, y/ содержится остаточный сигнал фона, амплитуда которого определяется в соответствии с /4/. Однако, так как ориентация штрихов изображений звезд совпадает с направлением для которого h()=0, то амплитуда остаточного сигнала фона n_ост/x, y/, будет меньше амплитуды штриха-изображения любой другой ориентации /изображения объекта S/x,y/.

Поэтому всегда можно определить порог видеосигнала V_c, соответствующий максимуму остаточного сигнала фона n_ост/x,y/. Видеосигнал V_s/t/ поступает в устройство сопряжения 12 и блок вычисления 13, где определяют границы ненулевой области видеосигнала / / и формируют временной строб V/t/.

Для формирования временного строба V/t/ определяют: направление перемещения объекта как и границы строба: где C const<1 выбирается, исходя из величины N числа суммируемых изображений /c1/N/.

Используя соотношение /2/, формуют в соответствии с /5/ временной строб V/t/ и выдают его на второй вход третьего устройства сравнения. В результате текущий видеосигнал V_фi/t/ сравнивается с V/t/ по /3/ и на устройство сопряжения поступает видеосигнал V_фi/t/, несущий информацию только об объекте Si/x, y/. Анализируя в блоке вычисления 13 видеосигнал V_фi/t/, получают значения координат объекта: x_об K_x (t_ф/t_c-I_N(t_ф/t_c)), y_об K_yI_N(t_ф/t_c), где t_ф временная координата объекта.

Одновременно видеосигнал V_фi/t/ поступает на второй вход коммутатора 14, выполненного, например, на основе аналогового ключа, на первый вход которого поступает сигнал разрешения с устройства сопряжения 12.

С выхода коммутатора видеосигнал V_фi/t/ подают на выходное телевизионное устройство, выполненное, например, на основе ВКУ, для визуального наблюдения изображения объекта.

Предлагаемое устройство обладает преимуществами по сравнению с прототипом в части повышения точности и быстродействия. Повышение точности обусловлено исключением влияния фона звездного неба и ярких звезд из-за амплитудного сравнения видеосигнала с уровнями сравнения V₁ и V₂. Это позволяет уменьшить вероятность пропуска объекта за счет возможности обнаружения более слабых объектов.

Пусть излучение фона звездного неба характеризуется звездной величиной m_ф, размер изображения точечного объекта d, длина штриха, обусловленного перемещением изображения объекта l. Тогда, для обеспечения обнаружения объекта в устройстве-прототипе его звездная величина m₀ должна быть меньше величины m_опф Например, для l 10 dm_опф m_оф 2,4 В предлагаемом устройстве величина m_опф m_ф, поэтому точность предлагаемого устройства выше за счет возможности обнаружения более слабых объектов /для приведенного примера на 2,4 звездных величины/.

Быстродействие предлагаемого устройства будет выше вследствие отсутствия фотохимической обработки фотопластинки. Величина выигрыша в быстродействии t может быть оценена как где t_рег Nxt кадр; t_фх время фотохимической обработки; t_кадр время регистрации одного кадра.

Дополнительным положительным эффектом предлагаемого изобретения является обеспечение автоматического режима обнаружения объекта.

Формула изобретения

1. Устройство обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, оперативное запоминающее устройство, блок вычисления амплитуд видеосигнала, связанный с устройством сопряжения, выходное телевизионное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения вероятности обнаружения искусственных космических объектов, в устройство дополнительно введены первое, второе и третье устройства сравнения, первое и второе пороговые устройства, блок оптической пространственно-частотной фильтрации, коммутатор, элемент И, элемент ИЛИ, причем выход передающей телевизионной камеры соединен с первым входом первого устройства сравнения, выход которого соединен с первым входом второго устройства сравнения, выход второго устройства сравнения связан с первым входом третьего устройства сравнения, и выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, первый, второй и третий выходы устройства сопряжения соединены с вторыми входами первого, второго и третьего устройства сравнения, четвертый и пятый выходы устройства сопряжения соединены с вторыми входами первого и второго пороговых устройств соответственно, шестой выход устройства сопряжения подключен к второму входу элемента И, седьмой выход устройства сопряжения подключен к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом третьего устройства сравнения и вторым входом устройства сопряжения, а выход коммутатора соединен с входом выходного телевизионного устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок оптической пространственно-частотной фильтрации содержит оптически сопряженные приемную высокояркостную телевизионную трубку, первый объектив, светоделитель, пространственно-временной модулятор света, модулятор света, второй объектив, вторую передающую телевизионную камеру, а также источник когерентного излучения, оптически связанный через светоделитель с пространственно-временным модулятором света, причем вход высокояркостной приемной телевизионной трубки соединен с входом блока оптической пространственно-частотной фильтрации, выход которого является выходом второй передающей телевизионной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3