RU2768541C1 - Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью - Google Patents
Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2768541C1 RU2768541C1 RU2021117501A RU2021117501A RU2768541C1 RU 2768541 C1 RU2768541 C1 RU 2768541C1 RU 2021117501 A RU2021117501 A RU 2021117501A RU 2021117501 A RU2021117501 A RU 2021117501A RU 2768541 C1 RU2768541 C1 RU 2768541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- image
- deflector
- cycle
- frame
- video camera
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах, применяемых в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, при управлении лазерным лучом в сканирующих системах. Способ с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью, содержащей видеокамеру, блок управления по координатам Х, У и зеркало дефлектора, в котором положение принимаемого изображения, прошедшее через турбулентную атмосферу, регистрируется равномерными циклами по N кадров текущего цикла, рассчитывается траектория смещения изображения, определяемая изменением углов наклона волнового фронта, и ожидаемое смещение положения изображения задается на первом кадре следующего цикла, рассчитанный сигнал поступает на дефлектор, который устанавливает угол поворота корректирующего зеркала таким образом, чтобы в момент очередного первого кадра следующего цикла положение изображения совпадало с положением изображения на матрице видеокамеры во всех первых информационных кадрах предыдущих циклов. Технический результат - повышение точности и исключение времени запаздывания корректирующего сигнала относительно текущего состояния атмосферы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах, применяемых в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, при управлении лазерным лучом в сканирующих системах.
Известна адаптивная оптическая система для стабилизации изображения фрагмента изображения солнечного диска на входной щели спектрографа, которая описана в статье [Экспериментальная адаптивная оптическая система для Большого солнечного вакуумного телескопа. Эффективность стабилизации фрагмента изображения солнечного диска на входной щели спектрографа Л.В. Антошкин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин, А.И. Петров, Б.В. Фортес, А.П. Янков // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №4. С. 420-423]. Система состоит из входного объектива, оптического дефлектора, фотоприемного устройства в виде четырехквадрантного фотодиода, блока вычисления смещения изображения и системы регистрации изображения. Оптическое излучение проходит через объектив телескопа, затем отражается от управляемого зеркала дефлектора, и фокусируется на фотоприемном устройстве, где измеряется смещение изображения солнечного диска. Смещение обусловлено турбулентной атмосферой.
Блоком управления по координатам Х, У регистрируется сигнал отклонения светового пятна относительно центра фотоприемника, который изменяет угол наклона зеркала дефлектора и возвращает изображение в исходное положение, при этом системой регистрации изображения в плоскости наблюдения фиксируется устойчивое изображение.
Недостатком данной системы является то, что устройство для коррекции турбулентных искажений оптического излучения представляет собой динамическую систему с постоянным временем запаздывания корректирующего сигнала относительно текущего состояния атмосферы. Время запаздывания складывается из времени обработки информации, полученной четырехквадрантным фотоприемником, времени вычисления управляющих воздействий на адаптивное зеркало, времени отработки зеркала, включающее инерционность и переходные процессы механической конструкции данного зеркала. Таким образом, угол наклона корректирующей поверхности адаптивного зеркала устанавливается в соответствии с углом наклона волнового фронта оптического излучения, присутствующего на входной апертуре адаптивной системы, заведомо с опозданием на величину, определяющую время запаздывания системы. Это снижает точность и качество коррекции. Также точность измерения смещения четырехквадрантным фотоприемником зависит от размера и формы изображения на фотоприемнике, постоянно изменяющихся в турбулентной атмосфере. Отсутствие синхронизации в работе оптической адаптивной системы и регистрирующей видеокамеры не позволяет полностью устранить дрожание изображения, а траектория смещения пучка имеет ступенчатый характер.
В статье [Методы опережающего формирования фазовой поверхности на основе измерений датчика Шэка-Гартмана, Л.В. Антошкин, В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. №11. С. 979-984] описана возможность повышения точности коррекции при управлении гибкими зеркалами в оптических системах с опережающей коррекцией, за счет коррекции мелкомасштабных абераций волнового фронта. Движение оптических неоднородностей турбулентной атмосферы на входной апертуре датчика волнового фронта Шека-Гартмана определяет перемещение центроидов в плоскости регистрации. Для анализа изменения траектории их движения использован метод разложения функции движения центроидов в ряд Тейлора и вычисление координаты их прогнозируемого положения и локальных наклонов волнового фронта в момент следующего кадра.
Однако применение данного способа не позволяет работать в динамических оптических системах с замкнутой обратной связью, поскольку при изменении угла поворота зеркал корректирующего устройства в первом же шаге работы системы, текущие координаты центроидов изменяются, а для расчета координат по формуле Тейлора требуется как минимум три последовательных измерения. в одной и той же системе координат.
Задачей заявляемого изобретения является создание оптической следящей системы с опережающей коррекцией при формировании сигнала управления двухкоординатным оптическим дефлектором, уменьшающей ошибку коррекции, связанную с постоянным временем запаздывания корректирующего дефлектора и минимизации ошибки из-за смещения изображения на входной апертуре адаптивной оптической системы, вызванного турбулентной атмосферой и получения минимально искаженного изображения за счет уменьшения его дрожания с частотой кадров видеокамеры.
Технический результат заключается в регистрации изображения в адаптивной оптической системе повышенной точности и не имеющей времени запаздывания корректирующего сигнала, относительно текущего состояния атмосферы, за счет опережающей установки угла наклона зеркала корректирующего дефлектора.
Заявляемое устройство улучшает точность адаптивных оптических систем для коррекции углов наклона волнового фронта в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерным лучом в сканирующих системах.
Поставленная задача заявляемого изобретения достигается тем, что для решения проблемы запаздывания коррекции положения изображения в адаптивной оптической системе и повышения точности предлагается способ и устройство стабилизации в турбулентной среде изображения на приемной матрице видеокамеры адаптивной оптической системы с прогнозированием изменения угла наклона волнового фронта на входной апертуре объектива, т.е. с опережающей коррекцией, расчитаной по измерениям текущего угла наклона волнового фронта на входной апертуре объектива и установкой наклона корректирующего зеркала дефлектора в положение, которое будет соответствовать наклону волнового фронта на момент следующего информационного кадра видеокамеры.
Суть заявляемого изобретения заключается в том, что в следящей оптической системе, содержащей видеокамеру, положение принимаемого изображения, прошедшего через турбулентную атмосферу, в реальном времени регистрируется равномерными циклами по N кадров в цикле. Временная диаграмма цикла работы оптической следящей системы приведена на (фиг. 1).
Оптическая система настраивается таким образом, чтобы изображение исследуемого объекта находилось в центре фотоприемной матрицы видеокамеры. Первые кадры каждого цикла являются основными информационными. Координатам Х, У изображения первого кадра присваивается значение ноль в системе координат фотоприемной матрицы видеокамеры. К координатам этой точки матрицы изображение будет устанавливаться по окончании каждого цикла. Второй и третий кадры цикла являются вспомогательными при вычислении сигнала опережающей коррекции. Например, на фиг. 1 число кадров в цикле принято 3 (N=3), так как это обеспечивает достаточную точность и быстродействие, но N может быть принято более 3-х, с соответствующим изменением формул расчета по Тейлору (1) и (2) , что повышает точность вычисления.
По измерениям смещений промежуточных положений изображения на матрице видеокамеры по всем заданным N кадрам текущего цикла рассчитывается траектория смещения изображения, определяемая изменением углов наклона волнового фронта турбулентной атмосферы, и ожидаемое в связи с этим смещение положения изображения по координатам , задается в первом кадре следующего цикла. Рассчитанный сигнал ожидаемого смещения поступает на дефлектор, который предварительно после последнего кадра каждого цикла устанавливает угол поворота корректирующего зеркала и компенсирует угол наклона входящего волнового фронта таким образом, чтобы в момент предстоящего очередного первого кадра следующего цикла положение изображения в будущем кадре совпадало с положением изображения на матрице видеокамеры во всех первых информационных кадрах предыдущих циклов. Это обеспечивает аннигиляцию смещения по координатам Х, У и дрожания изображения наблюдаемого объекта, вызванных атмосферной турбулентностью, что позволяет без дополнительной обработки в реальном времени с достаточной точностью анализировать изображение наблюдаемого объекта и отслеживать его положение
Реализация заявляемого изобретения достигается тем, что оптическая следящая система с опережающей коррекцией. Блок-схема оптической следящей системы с опережающей коррекцией приведена на фиг. 2, содержит:
- входной объектив (1);
- оптический дефлектор (2);
- видеокамеру (3);
- блок управления оптической системой (4);
- блок управления дефлектором (5).
Устройство работает следующим образом:
Работа устройства осуществляется циклами по результатам N измерений видеокамеры в цикле. В приведенных примерах рассчитывается величина опережающей коррекции для циклов из трех измерений, что обеспечивает достаточную точность слежения.
Оптическое излучение, проходит через объектив (1), отражается от управляемого зеркала дефлектора (2) и фокусируется на матрице видеокамеры (3), где регистрируется текущее положение изображения стабилизируемого объекта.
Изображения трех кадров цикла последовательно записываются в блок управления оптической системой (4), где вычисляются прогнозируемые значения и .
На фиг. 1 показан пример изменения значения смещения по Х, У координат входящего изображения в соответствующих трех кадрах цикла, а также значения величины опережающей коррекции по координатам Х, У изображения в кадре №1 следующего цикла, где:
Величина опережающего угла наклона зеркала корректирующего дефлектора рассчитывается по формуле Тейлора, приведенной к виду:
Значения ожидаемых координат смещения изображения по Х, У суммируются с результатами конечных приращений во всех предыдущих циклах. Полученные результаты поступают на блок управления дефлектором (5), где формируется напряжение управления пьезокерамическими актюаторами дефлектора (2). Под воздействием управляющего напряжения зеркало дефлектора изменяет угол наклона, и устанавливает изображение на фотоприемной матрице в положение, соответствующее первому кадру следующего цикла.
Работа следящей оптической системы отражена на временной диаграмме процессов в оптической следящей системе (фиг. 3), где:
6 - получение кадров с видео камеры;
7 - вычисление координат Х, У изображения в кадре №1 цикла;
8 - вычисление координат Х, У изображения кадре №2 цикла;
9 - вычисление координат Х, У изображения в кадре №3 цикла;
11 - установка угла поворота зеркала дефлектора;
12 - запись первых кадров изображений в блок регистрации для формирования видеозаписи наблюдаемого объекта.
Алгоритм работы блока управления оптической системой (4) приведен на фиг. 4, где:
13 - начало работы;
14 - инициализация блока управления;
15 - запуск видео камеры;
18 - присвоение точке объекта координат Х=0, У=0;
23 - визуализация всех первых кадров;
25 - суммирование с инверсией значения координат Х, У у изображения в момент времени с суммой конечных приращений в предыдущих циклах;
27 - конец цикла;
28 - конец;
а - символ отображает выход в часть схемы и вход из другой части этой схемы и используется для обрыва линии и продолжения ее в другом месте.
Claims (2)
1. Способ с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью, содержащей видеокамеру, блок управления по координатам Х, У, зеркало дефлектора, отличающийся тем, что положение принимаемого изображения, прошедшего через турбулентную атмосферу, регистрируется равномерными циклами по N кадров текущего цикла, рассчитывается траектория смещения изображения, определяемая изменением углов наклона волнового фронта турбулентной атмосферы, и ожидаемое в связи с этим смещением положение изображения задается на первом кадре следующего цикла, рассчитанный сигнал поступает на дефлектор, который предварительно после каждого цикла устанавливает угол поворота корректирующего зеркала и компенсирует угол наклона входящего волнового фронта таким образом, чтобы в момент предстоящего очередного первого кадра следующего цикла положение изображения в будущем кадре совпадало с положением изображения на матрице видеокамеры во всех первых информационных кадрах предыдущих циклов.
2. Устройство с опережающей коррекцией с замкнутой обратной связью, состоящее из входного объектива, оптического дефлектора, видеокамеры, отличающееся тем, что в блоке управления оптической системой вычисляются координаты объекта во всех N кадрах цикла и значения приращений, которые в блоке управления дефлектором суммируются с результатами конечных приращений во всех предыдущих циклах для изменения угла наклона зеркала дефлектора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021117501A RU2768541C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021117501A RU2768541C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2768541C1 true RU2768541C1 (ru) | 2022-03-24 |
Family
ID=80819464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021117501A RU2768541C1 (ru) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2768541C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799987C1 (ru) * | 2023-01-31 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Адаптивная оптическая следящая система с контуром опережающей коррекции |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150254813A1 (en) * | 2012-07-16 | 2015-09-10 | Flir Systems, Inc. | Methods and systems for suppressing atmospheric turbulence in images |
RU2597144C1 (ru) * | 2015-07-17 | 2016-09-10 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Способ дистанционного зондирования земли |
US20190212552A1 (en) * | 2015-07-02 | 2019-07-11 | Mission Support and Test Services, LLC | Rgb wavefront sensor for turbulence mitigation |
WO2020094484A1 (en) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | Wooptix S.L. | Wavefront curvature sensor involving temporal sampling of the image intensity distribution |
-
2021
- 2021-06-17 RU RU2021117501A patent/RU2768541C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150254813A1 (en) * | 2012-07-16 | 2015-09-10 | Flir Systems, Inc. | Methods and systems for suppressing atmospheric turbulence in images |
US20190212552A1 (en) * | 2015-07-02 | 2019-07-11 | Mission Support and Test Services, LLC | Rgb wavefront sensor for turbulence mitigation |
RU2597144C1 (ru) * | 2015-07-17 | 2016-09-10 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Способ дистанционного зондирования земли |
WO2020094484A1 (en) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | Wooptix S.L. | Wavefront curvature sensor involving temporal sampling of the image intensity distribution |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Л.В. Антошкин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин, А.И. Петров, Б.В. Фортес, А.П. Янков. Экспериментальная адаптивная оптическая система для Большого солнечного вакуумного телескопа. Эффективность стабилизации фрагмента изображения солнечного диска на входной щели спектрографа, Оптика атмосферы и океана, 2000, т. 13, N4, с. 420-423. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799987C1 (ru) * | 2023-01-31 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Адаптивная оптическая следящая система с контуром опережающей коррекции |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8964047B2 (en) | Self-correcting adaptive long-stare electro-optical system | |
CN107843982B (zh) | 基于实时相位差异技术的无波前探测自适应光学系统 | |
US9392176B2 (en) | Image capture apparatus and control method therefor | |
US8135268B2 (en) | Lens control apparatus, optical apparatus and lens control method | |
CN102647556A (zh) | 一种基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统及方法 | |
US20220180484A1 (en) | Image processing method, electronic device, and computer-readable storage medium | |
JP3610167B2 (ja) | レンズ制御方法及び装置 | |
CN108156371B (zh) | 一种红外自动对焦快速搜索方法 | |
CN110200585B (zh) | 一种基于眼底成像技术的激光束控制系统及其方法 | |
CN112866553B (zh) | 对焦方法和装置、电子设备、计算机可读存储介质 | |
JP6664177B2 (ja) | 焦点検出装置、予測方法、プログラム及び記憶媒体 | |
RU2768541C1 (ru) | Способ и устройство с опережающей коррекцией в оптической системе с замкнутой обратной связью | |
EP4318037A1 (en) | Motion imaging compensation apparatus and motion compensation method | |
JPH0343707A (ja) | 走査光学装置 | |
RU2799987C1 (ru) | Адаптивная оптическая следящая система с контуром опережающей коррекции | |
CN202535462U (zh) | 一种基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统 | |
CN111246108B (zh) | 霍尔传感器标定方法和装置、防抖方法和装置 | |
CN109040627B (zh) | 基于坏点修正的信标光捕获跟踪装置及方法 | |
JP2000292121A (ja) | 3次元計測方法及び3次元入力装置 | |
CN111664944A (zh) | 一种基于微扫描平台的稳像、非均匀校正及超分辨系统 | |
JPH09284635A (ja) | 撮像装置 | |
CN110749550A (zh) | 一种基于深度学习的天文光谱仪像质补偿方法及系统 | |
JP2015108688A (ja) | 画像処理装置およびそれを備えた撮像装置、画像処理方法 | |
CN216595732U (zh) | 一种激光动态跟踪扫描系统 | |
JP4072226B2 (ja) | 撮像装置、その制御方法、及び記憶媒体 |