способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ
Классы МПК: | G01S5/02 с использованием радиоволн G01S5/16 с использованием электромагнитных волн иных, чем радиоволны H04N7/015 телевизионные системы с высокой разрешающей способностью |
Автор(ы): | Виленчик Л.С., Кравченко А.С., Курков И.Н., Разин А.И., Розвал Я.Б. |
Патентообладатель(и): | Московское конструкторское бюро "Электрон" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-09-08 публикация патента:
10.08.2000 |
Изобретение относится к телевидению. Задачей изобретения является создание всеазимутального пассивного локатора, позволяющего практически мгновенно получать пеленги на воздушные или наземные цели в диапазоне горизонтальных углов от 0 до 360°. Измерительным устройством является телевизионная камера (выполненная, например, на ПЗС-матрице), причем перед объективом установлен оптический конус с зеркальным покрытием вершиной к объективу, оптическая ось которого совмещена с осью конуса, причем образующая конуса может иметь произвольную форму, при этом выбор уравнения образующей конуса позволяет в широких пределах менять "раскрыв" диаграммы направленности пеленгатора в любой плоскости, содержащей его ось. Аппаратная реализация может быть компактной и устойчивой к воздействию механических и климатических факторов, что и является достигаемым техническим результатом. 2 c. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
1. Способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат, включающий прием электромагнитных сигналов от объектов, излучающих и/или отражающих электромагнитную энергию с использованием приемной системы, состоящий из датчиков электрических сигналов, отличающийся тем, что в качестве приемной системы используют пиксель или группу пикселей ПЗС-матрицы телевизионной камеры, всеазимутальность оптической системы обеспечивают оптическим элементом, представляющим собой всенаправленный отражатель, причем определение пеленга осуществляют путем определения положения пикселя или группы пикселей, регистрирующих пеленг по отношению к пикселю или группе пикселей, принимаемых за начало в системе полярных координат, а также определяют угол места источника излучения или отражения, причем азимут отсчитывают по углу между лучом, определяемым группой пикселей, расположенных перпендикулярно направлению строчной развертки ПЗС-матрицы, и радиусом-вектором, соответствующим направлению на пиксель или группу пикселей, регистрирующих данный пеленг, а угол места измеряют модулем радиуса-вектора от начала координат до пикселя или группы пикселей, регистрирующих пеленг. 2. Телевизионное устройство, реализующее способ по п.1, включающее в себя телевизионную камеру с ПЗС-матрицей и спецвычислителем, причем в ПЗС-матрице пиксель или группа пикселей представляют собой пассивное измерительное устройство, отличающееся тем, что телевизионная камера снабжена фильтром для селекции исследуемой спектральной зоны, а перед объективом телевизионной камеры в качестве всенаправленного по азимуту отражателя установлен оптический конус с зеркальным покрытием вершиной к объективу, оптическая ось объектива совмещена с осью конуса, причем образующая конуса может иметь прямолинейную или криволинейную форму, выбираемую в соответствии с требуемой диаграммой направленности по углу места, а точкой начала координат на мишени ПЗС-матрицы является изображение на этой мишени вершины конуса, причем устройство дополнено блоком синхронизации и управления, при этом выход телевизионной камеры соединен с рабочим входом спецвычислителя, а управляющие входы телевизионной камеры и спецвычислителя подключены к соответствующим выходам блока синхронизации и управления. 3. Телевизионное устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнено соосными и одинаково сориентированными телевизионными камерами и блоком буферной памяти, причем входы блока буферной памяти соединены с рабочими выходами дополнительных телевизионных камер и выходами блока синхронизации и управления, а выходы блока буферной памяти подключены к соответствующим входам спецвычислителя.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области телевидения, в частности к способам определения пеленгов и/или координат наблюдаемых объектов. Существует много способов определения пеленгов объектов, излучающих и/или отражающих электромагнитную энергию. Здесь следует упомянуть как известные относительно простые способы определения азимута (пеленга) как при помощи измерения углов теодолитом или другим угломерным инструментом, так и более сложные способы [1], [2] измерения пеленгов. Сущность способа [1], принятого за прототип, поясняется изображением на фиг. 6. Она заключается в следующем: на концах, например, восьми диаметров окружности расположены приемники электромагнитного излучения. Из соотношения величин и/или фаз сигналов, наводимых в приемниках электромагнитным полем излучаемым или отражаемым объектом, определяют азимут (пеленг) объекта, а из фазовых характеристик сигналов каждого приемника - расстояние до источника. Указанный способ [1] предполагает использование приемной системы, состоящей из датчиков электрических сигналов. Способ [1] следует квалифицировать как способ пассивного несканирующего мульспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат. Известен также класс сканирующих всеазимультальных пеленгаторов, к которому относится, например, пеленгатор [2]. Однако заявляемый нами способ не относится к сканирующим, тем не менее упомянутый пеленгатор [2] представляет собой телевизионное устройство для пассивного мультиспектрального определения пеленгов и/или координат, использует в качестве пассивного измерительного устройства ПЗС-матрицу и в этом плане является ближайшим аналогом заявляемого нами телевизионного устройства для осуществления заявляемого способа. К недостаткам способа [1], принятого за прототип, следует отнести следующее:- в полном спектре электромагнитных излучений этот способ [1] эффективен только в радиодиапазоне, т.е. в диапазоне больших длин волн, поскольку способ [1] не предлагает конкретных технических решений для определения пеленга и координат источников электромагнитного излучения различного физического происхождения, и в частности в диапазоне электромагнитных волн светового спектра;
- точность определения пеленга, получаемого этим способом [1], невысока, поскольку измерения не защищены от атмосферных и прочих помех, а отношение сигнал/шум плохое при измерении пеленга на слабосигнальные объекты. Появление в последние годы целей, невидимых в радиодиапазоне, например самолетов-стелс, резко ограничило возможность применения описанного способа [1]. Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков при помощи использования собственного излучения объектов (целей) в диапазоне малых длин волн, например от 0,2 до 14 мкм. Для пояснения предлагаемых способа и устройства, а также способа [1], принятого за прототип, даются перечисляемые ниже фигуры. Как в способе, так и в устройстве может быть использовано более одной телевизионной камеры. Исходя из этого, элементы, относящиеся к той или иной телевизионной камере, обозначены двумя цифрами, где первая обозначает функциональный элемент, а вторая - принадлежность этого элемента к N-ой камере, а на фиг. 1 - к любой камере. На фиг. 1 представлена упрощенная оптическая схема заявляемого устройства определения пеленгов. Оно состоит из ПЗС-матрицы 1N, объектива 2N и оптического конуса 3N. Поток энергии, излучаемый или отраженный объектом, отражается зеркальным покрытием поверхности оптического конуса 3N, проходит через объектив 2N и фокусируется на мишени ПЗС-матрицы 1N, создавая изображение точки, соответствующей удаленному наблюдаемому объекту. На фиг. 2 представлен вид телевизионного изображения наблюдаемого пространства. Короткими утолщенными штрихами отображены наблюдаемые объекты. Длина вектора, соединяющего начало координат, соответствующее изображению вершины оптического конуса, с изображением объекта, несет информацию об угле места объекта. Ha фиг. 3 представлен вид наблюдаемого устройством пространства. Вертикальный угол поля зрения равен
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154033/946.gif)
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154033/946.gif)
- низкая точность измерения углов, так как измеряются механические повороты приемников;
- необходимость наличия базиса измерений;
- устройство предназначено для определения, в первую очередь, расстояния до объекта методом триангуляции и определения вертикального угла на объект. Эти недостатки устраняются в заявляемом предложении тем, что в телевизионном устройстве [2], включающем в себя ПЗС-матрицу 1N, объектив 2N и спецвычислитель, телевизионная камера дополнена фильтром для селекции исследуемой спектральной зоны, а перед объективом телевизионной камеры в качестве всенаправленного по азимуту отражателя установлен оптический конус с зеркальным покрытием вершиной к объективу, оптическая ось объектива совмещена с осью конуса, причем образующая конуса может иметь прямолинейную или криволинейную форму, выбираемую в соответствии с требуемой диаграммой направленности по углу места, а точкой начала координат на мишени ПЗС-матрицы является изображение на этой мишени вершины конуса, причем устройство дополнено блоком синхронизации и управления, при этом выход телевизионной камеры соединен с рабочим входом спецвычислителя, а управляющие входы телевизионной камеры и спецвычислителя подключены к соответствующим выходам блока синхронизации и управления. Блок-схема, поясняющая заявляемое устройство, приведена на фиг. 5 и 1. Устройство в его простейшем варианте содержит телевизионную камеру 1 (фиг. 5), снабженную фильтром для селекции исследуемой спектральной зоны, а перед объективом 2N (фиг. 1) телевизионной камеры в качестве всенаправленного по азимуту отражателя установлен оптический конус 3.1 (фиг. 5) с зеркальным покрытием вершиной к объективу, причем оптическая ось объектива совмещена с осью конуса. Устройство содержит спецвычислитель 4 и блок 5 синхронизации и управления. Выход телевизионной камеры 1 соединен с рабочим входом спецвычислителя 4, а ее упpaвляющий вход - с соответствующим выходом блока 5 синхронизации и управления. Заявляемое устройство работает следующим образом. При помощи оптического конуса 3.1 и объектива 2.1 камеры на мишени ПЗС-матрицы формируется изображение, которое затем преобразовывается в видеосигнал, который после линейной обработки в ТВ камере поступает на спецвычислитель 4, где проходит обработку по следующему алгоритму:
выделяется видеосигнал, соответствующий цели;
определяются координаты изображения цели на телевизионном растре (фиг. 4);
вычисляются номерные координаты пеленга на цель в измерительтном пространстве, изображенном на фиг. 3;
результаты определения пеленга по нескольким измерениям усредняются и поступают адресату с выхода спецвычислителя. Для обеспечения мультиспектральности возникает необходимость использования нескольких описанных выше устройств, каждое из которых работает в своем спектральном диапазоне. Геометрические характеристики этих устройств строго идентичны и отличаются только спектральными характеристиками. Блок-схема этого устройства приведена на фиг. 5. Она состоит из N камер, спецвычислителя 4, оптических конусов 3, блока 5 синхронизации и управления и блока 6 буферной памяти. Работает устройство следующим образом. Все ТВ камеры синхронно и синфазно экспонируют изображение объекта, затем также синхронно передают видеосигналы на спецвычислитель 4, причем ТВ камера 1 - непосредственно, а все остальные - через блок 6 буферной памяти, в котором параллельные видеосигналы ТВ камер преобразуются в последовательные и затем поступают на спецвычислитель 4. Работа всего устройства синхронизируется и управляется блоком 5 синхронизации и управления. Выход спецвычислителя 4 является выходом устройства. Ряд камер при этом работает, например, в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, а ряд - в инфракрасной области. Диапазоны длин волн не играют роли и их выбор зависит от назначения устройства и области его применения. ТВ камеры расположены таким образом, что образуют одно измерительное пространство. Время проведения одного цикла измерений равно длительности одного кадра. Так как устройство работает практически непрерывно и делает ежесекундно несколько измерений, то качество определения пеленгов на цели, надежность и точность их определения достаточно высоки. Предлагаемые способ и телевизионное устройство позволяют различать объекты, отражающие или излучающие электромагнитную энергию даже в том случае, если температура наблюдаемого объекта на доли градуса выше температуры окружающего пространства. Заявляемое телевизионное устройство реализовано в действующем макете и находится в стадии опытно-конструкторской разработки. Дополнение. Порядок определения пеленга проиллюстрирован на фиг. 4. Для линейной образующей оптического конуса значение пеленга (т.е. угла между осью ЛА и направлением на цель) определяется из следующего соотношения:
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154284/2154284-2t.gif)
где
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154023/945.gif)
x0, y0 - координаты вершины оптического конуса;
xi, yi - координаты текущей точки. Угол места относительно линии горизонта определяется из соотношений
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154284/2154284-3t.gif)
где
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154033/946.gif)
![способ пассивного несканирующего мультиспектрального всеазимутального определения пеленгов и/или координат и телевизионное устройство, реализующее этот способ, патент № 2154284](/images/patents/317/2154023/945.gif)
H - высота растра преобразователя свет-сигнал (ПЗС-матрицы). Использованные источники
1. Патент РФ N 2066458, кл. G 01 S 5/16, на изобретение "Способ определения координат источника электромагнитных излучений". 2. Европейский патент N 0379425, кл. G 01 S 5/16, на изобретение "Система для определения положения по крайней мере одной цели методом триангуляции".
Класс G01S5/02 с использованием радиоволн
Класс G01S5/16 с использованием электромагнитных волн иных, чем радиоволны
Класс H04N7/015 телевизионные системы с высокой разрешающей способностью