RU201368U1

RU201368U1 - Оптико-электронное устройство распознавания удаленных объектов по их спектральным характеристикам

Info

Publication number: RU201368U1
Application number: RU2020132595U
Authority: RU
Inventors: Евгений Георгиевич Коломийцев; Сергей Иванович Репин; Сергей Станиславович Шафранов; Денис Владимирович Валющкин; Алексей Владимирович Лапин; Денис Викторович Дианов; Виталий Александрович Мельник; Сергей Семенович Алешин
Original assignee: Сергей Станиславович Шафранов
Priority date: 2020-10-03
Filing date: 2020-10-03
Publication date: 2020-12-11

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и касается оптико-электронного устройства для распознавания удаленных объектов (УО) по их спектральным характеристикам. Устройство содержит оптический телескоп, соединенный по выходу через зеркало с входом фотоприемника, имитатор спектральной зависимости световых сигналов и цифровое устройство распознавания (ЦУР УО). Зеркало выполнено в виде выдвижной пластины с цифровым управлением от цифрового устройства распознавания. Имитатор выполнен с возможностью имитации эталонных спектральных характеристик объектов под управлением ЦУР УО и соединен через обратную зеркальную сторону выдвижной пластины с фотоприемником, выход которого соединен со входом ЦУР УО. Технический результат заключается в повышении вероятности правильного распознавания удаленных объектов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

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:

5.1 – 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:

,

;

и

– константы в формуле Планка, равные 3,742^.10⁴

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:

- Юлианская дата JD (Т ₀) на эпоху января 2000 года;

- Юлианская дата JD (t) на эпоху текущего времени t;

- 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.

- 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 m-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	– длина волны солнечной радиации;
	– модельное время, шаг которого задаётся величиной, равной не более интервала, 20 c;
	– энергия солнечного излучения, падающая на поверхность УО;
	– радиус эквивалентной сферы, которой аппроксимируется поверхность УО;
	– альбедо поверхности УО;
	– индекс вида покрытия , где – общее число покрытий, рекомендованных для применения в космической технике;
	– радиус-вектор, определяющий расстояние по наклонной дальности от оптико-электронного устройства до УО;
	– фазовый угол УО, поверхность которого аппроксимируется сферой радиуса . Угол определяется по формуле: ;
	– фазовый угол наблюдения, равный углу между направлениями от УО на Солнце (С) и на оптико-электронное устройство : .

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.

Claims

1. Оптико-электронное устройство распознавания удаленных объектов (УО) по их спектральным характеристикам, содержащее оптический телескоп, соединенный по выходу через зеркало с входом фотоприемника, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит имитатор спектральной зависимости световых сигналов (СЗСС) и цифровое устройство распознавания (ЦУР) УО, причем зеркало выполнено в виде непрозрачной выдвижной пластины с цифровым управлением от ЦУР УО, поверхность непрозрачной выдвижной пластины снабжена зеркальным покрытием с лицевой и обратной стороны, имитатор СЗСС выполнен с возможностью имитации эталонных спектральных характеристик УО под управлением ЦУР УО и соединен через обратную зеркальную сторону выдвижной пластины с фотоприемником, выход которого соединен с входом ЦУР УО, ЦУР УО содержит установленные на активной шине сопряжения входной порт, блок цифровой обработки сигналов (БЦОС), блок управления зеркалом (БУЗ), блок управления имитатором (БУИ), блок хранения эталонов (БХЭ) и выходной порт, причем управляющий выход БУЗ соединен с управляющим входом выдвижной пластины зеркала, а управляющий выход БУИ – с управляющими входами блоков регулировки яркости имитатора СЗСС.

2. Оптико-электронное устройство распознавания удаленных объектов по их спектральным характеристикам по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен на базе ПЗС-матрицы, а входной и выходной порты ЦУР УО выполнены в виде последовательных (USB) или параллельных (RS-232) цифровых портов.