способ анализа и синтеза изображений и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ анализа и синтеза изображений в оптико-электронных приборах, заключающийся в проецировании на предметную плоскость изображения фотоприемника, получении спектра оптических сигналов, их преобразования в спектр электрических сигналов, которые обрабатывают и используют для формирования изображения предметов, отличающийся тем, что изображение фотоприемника одновременно проецируют на N участков предметной плоскости и получают N спектров оптических сигналов, при этом модулируют поток, направляемый хотя бы от одного из участков на фотоприемник.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток модулируют с частотой, меньшей нижней границы спектра частот сигнала, при этом определяют пространственное положение предмета.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток модулируют с частотой, большей верхней границы спектра частот сигнала, получают смесь электрических спектров, которые затем разделяют на N спектров сигнала, которые обрабатывают и используют для формирования N изображений предметов.

4. Устройство для анализа и синтеза изображений, содержащее две телескопические системы, на оптических осях которых расположены два входных и два окулярных объектива, которые оптически сопряжены с фотоприемником через выходной объектив, а также модулятор, отличающееся тем, что оптические оси направлены в предметную плоскость под углом одна к другой, при этом модулятор расположен на одной оптической оси.

5. Устройство для анализа и синтеза изображений, содержащее линзу, по обе стороны которой наклонно к оптической оси установлены обращенные друг к другу первое и второе с отверстием плоские зеркала, а также криволинейное зеркало и фотоприемник, сопряженный с отверстием, отличающееся тем, что отрезки оптической оси от точек излома на первом и втором плоских зеркалах направлены в предметную плоскость под углом друг к другу, при этом с одной стороны линзы на оптической оси установлен модулятор.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что модулятор выполнен в виде связанного с приводом для вращения криволинейного зеркала.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что криволинейное зеркало выполнено вогнутым и установлено за отверстием в первом плоском зеркале, за которым перед вогнутым зеркалом расположен модулятор.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что модулятор выполнен в виде установленного на оси вращения растра кольцевой формы с внутри кольцевой прозрачной зоной.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что растр выполнен на прозрачной основе в виде концентрического ряда непрозрачных полосок.

10. Устройство по пп. 4 9, отличающееся тем, что оно снабжено двояковокнутым зеркалом с центральным отверстием, в котором расположена линза.

11. Устройство по пп. 4 6 и 10, отличающееся тем, что фотоприемник содержит линейку из N чувствительных элементов, связанных через электронный коммутатор, имеющий ряд ключей, с индикатором изображения, который функционально связан с модулятором.

12. Устройство по пп. 4 11, отличающееся тем, что оно снабжено вторым индикатором изображения, каждый элемент фотоприемника через фильтры нижних и верхних частот, а также через детектор связан с двумя ключами, при этом ряд ключей разделен на две группы, выходы которых связаны с двумя индикаторами изображения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может найти применение, например, в тепловидении.

Известен способ анализа и синтеза невидимого и видимого изображения, используемый в термографии, при котором анализируют невидимое изображение в предметной плоскости, преобразуют оптические сигналы в электрические, после чего синтезируют (восстанавливают) видимое изображение предметов в плоскости изображения, точнее в плоскости наблюдения [1] Объем информации (информативность), получаемой в результате этого процесса, зависит от порога чувствительности ( Т_пор) прибора (или от величины сигнал/шум), от величины поля и от качества изображения. Повышению информативности способствует использование систем с двумя оптическими каналами и с рядом электрических каналов [2] Оптические системы с двумя оптическими каналами могут быть: двухобъективные с одним фотоприемником и однообъективные с двумя зеркалами [3] В них решение задачи по повышению информативности сочетается с обеспечением экономии используемых средств (экономичностью).

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение информативности и экономичности процесса, а также расширение функциональных возможностей системы.

Технический результат достигается благодаря тому, что при выполнении анализа и синтеза изображения в двухканальном оптико-электронном приборе, заключающимся в одновременном формировании растров, как в предметной плоскости, так и в плоскости наблюдения, с помощью одного анализатора, в предметной плоскости одновременно формируют два рядом расположенных растра, при этом кратковременно прерывают лучистый поток в одном из каналов. Благодаря тому, что в устройстве для реализации, содержащем две телескопические системы, сопряженные с одним N-элементным фотоприемником при помощи объектива, а также прерыватель потока, последний выполнен в виде обтюратора, установленного в одной из телескопических систем, при этом оси объективов телескопических систем направлены в предметную плоскость под углом друг к другу.

В устройстве, содержащем линзовый объектив, по обе стороны от которого на оптической оси расположены N-элементный фотоприемник и криволинейное зеркало, а также первое и второе с отверстием плоские наклонные зеркала, угол между зеркалами дополнительно увеличен на угол , равный углу между визирными лучами оптических каналов, направленными в предметную плоскость, при этом криволинейное зеркало установлено с возможностью поворота вокруг оси.

В устройстве криволинейное зеркало выполнено вогнутым и установлено за отверстием в первом плоском зеркале, при этом между указанными зеркалами установлен прерыватель потока, выполненный в виде расположенного на оси вращения плоского кольца с прозрачными вырезами. Прерыватель потока выполнен в виде прозрачного диска с нанесенными по окружности непрозрачными полосками. Линзовый объектив расположен в отверстии двояковогнутого зеркала.

В устройстве, содержащем электронный коммутатор с рядом ключей, выходами связанными через видеоусилитель с индикатором изображения, каждый элемент фотоприемника связан с двумя ключами через фильтры нижних и верхних частот, а также через детектор, при этом ряд ключей разделен на две группы, выходы которых связаны через два видеоусилителя с двумя индикаторами изображения.

На фиг.1 показана схема с двумя объективами и обтюратором, используемая для выполнения анализа; на фиг.2 схема бортового прибора с одним объективом и поворотным криволинейным зеркалом того же назначения; на фиг.3 схема с одним линзовым объективом и двумя, установленными с возможностью вращения плоскими зеркалами; на фиг.4 схема обработки сигналов и синтеза изображений, сопряженного со схемой фиг.2; на фиг.5 схема обработки сигналов и синтеза изображения, сопрягаемая со схемами фиг.1 и 3; на фиг.6 схема для анализа с двояковогнутым зеркалом.

На фиг.1 показаны линзовые объективы 1 и 2, оси которых О₁ и О₂направлены в предметную плоскость под углом друг к другу; окуляры 3 и 4, плоские зеркала 5 и 6, объектив 7 фотоприемника 8, обтюратор 9 (прерыватель потока).

На фиг. 2 показаны линзовый объектив 10; N-элементный фотоприемник 11, первое и второе плоские зеркала 12, 13, развернутые вокруг оси О-О₁на угол /2; криволинейное (выпуклое) зеркало 14 установленное с возможностью поворота с помощью рукоятки 15; два изображения 16 и 17 линейки чувствительных элементов фотоприемника 11, полученные в предметной плоскости благодаря развороту плоских зеркал 12 и 13 на угол /2.

На фиг. 3 показаны: линзовый объектив 18, N-элементный фотоприемник 19, плоские зеркала 20, 21 с отверстиями, установленные с возможностью поворота (колебаний) вокруг оси О-О₁, отрезки которой направлены в предметную плоскость под углом друг к другу, благодаря чему в предметной плоскости изображена дважды линейка фотоприемника 19; криволинейное 22 (вогнутое) зеркало; конденсатор 23, корпус 24, обтюратор 25, изображенный в двух проекциях (растр показан частично); вариант обтюратора 26, выполненного на прозрачной основе; электропривод обтюратора 27.

На фиг. 4 показаны чувствительные элементы фотоприемника 11 в составе схемы фиг. 2; датчик синхроимпульсов 28, следующих с частотой, пропорциональной величине V_c/H (V_c, H соответственно скорость и высота полета самолета); группа предусилителей сигналов 29, группа ключей 30, связанных с распределителем 31 импульсов электронного коммутатора и видеоусилителем 32, задающий генератор 33, определяющий частоту циклов работы группы ключей и частоту строчной развертки индикатора 34, связанного с генератором пилообразного тока 35 через строчную отклоняющую катушку 36, кадровая катушка 37 связана с генератором тока 38, синхронизированного с работой датчика 28.

На фиг.5 показаны фотоприемник 39 в составе схемы фиг.1 или фиг.3; фильтры верхней 40 и нижней 41 частоты; группа предусилителей 42; детекторы 43 возможно синхронные, при условии их связи с датчиком в составе обтюратора), электронные ключи 44, разделенные на две группы, связанные с видеоусилителями 45 и 46, и управляемые от распределителя импульсов 47; задающий генератор 48; индикаторы изображения 49, 50; генераторы тока 51, 52 соответственно кадровой и строчной частоты, которые связаны с отклоняющими катушками 53, 54, 55, 56; проекционные объективы 57, 58, экран 59 или матовое стекло); датчик синхроимпульсов 60, связанный с работой зеркал 20, 21 (фиг.3).

На фиг.6 показаны линзовый объектив 61, фотоприемник 62, плоские зеркала 63, 64 с отверстиями; вогнутое зеркало 65, двояковогнутое зеркало 66 с отверстием; корпус устройства 67.

Устройство работает следующим образом.

На фиг.1 поток излучения от двух соседних участков предметной плоскости направлен к фотоприемнику 8 по двум параллельным ветвям . При вращении обтюратора 9 происходит модуляция потока и перенос спектра сигнала в этом канале по шкале частот выше спектра частот в другом канале. Эти спектры разделяются на выходе приемника 39 (фиг.5) при помощи фильтров 40 и 41. После предварительного усиления модулированный сигнал детектируется и оба спектра приходят на два входа коммутатора, где соответствующие ключи сгруппированы в две отдельные группы. В результате коммутации сигналов, многоканальный вход в каждой группе преобразуется в одноканальный выход, связанный через видеоусилитель 45 или 46 с соответствующим индикатором 49 или 50. Строчная развертка лучей на экранах индикаторов производится одновременно и синхронно с работой электронного коммутатора, состоящего из 44, 47, 48. Изображение двух строк стыкуются на экране 59 при помощи объективов 57 и 58 так, что образуется единая широкая строка. Если предположить, что прибор установлен на движущемся основании, то путевая скорость этого движения фиксируется датчиком 60, откуда поступают синхроимпульсы, управляющие работой элементов кадровой развертки, состоящей из 51,53, 55, благодаря чему производится перемещение строки на экране 59 и образуется растр.

Увеличение информативности достигается, во-первых, благодаря тому, что в прототипе две аналогичные строки формируются при помощи сканирующей пирамиды последовательно друг за другом, а в изобретении параллельно, благодаря чему увеличивается время накопления сигнала, а шумовая полоса частот f_ш становится более узкой, следовательно, пороговая чувствительность прибора улучшается. Во-вторых, благодаря модуляции и переносу спектра сигнала в более высокочастотную область, снижается воздействие токовых шумов (шум 1/f) приемника, что также способствует улучшению Т_пор.

Повышение экономичности связано здесь с устранением из схемы оптико-механической сканирующей системы, которая значительно сложнее и дороже обтюратора.

Визуализация растра в данном примере связана с необходимостью иметь в регистрирующем блоке какое-либо средство для запоминания изображения на период рассмотрения. Например, можно использовать в качестве индикатора ЭЛТ с памятью, например, скиатрон, либо вместо э крана 59 использовать фотопленку, либо вместо того и другого использовать регистратор с электрохимической бумагой.

На фиг.2 представлен пример устройства, предназначенный для установки на борту летательного аппарата с целью обнаружения точечных целей, например скрытых очагов лесных пожаров. Поток излучения из предметной плоскости направлен к фотоприемнику 11 параллельно по двум ветвям . В предметную плоскость спроецированы два изображения одной линейки приемника, которые по направлению полета (НП) носителя образуют в этой плоскости растр. При появлении на каком-либо элементе приемника 11 (фиг.4) изображения точечной цели, сигнал проходит по элементам 29-30-32-34, создавая изображение точки на экране ЭЛТ 34, где создается видимый растр благодаря отклоняющей системе 37 и 36, связанной с генераторами 35 и 38. Частота импульсов тока у последнего синхронизирована с параметрами полета носителя, благодаря связи с синхродатчиком 28. Особенность существенно упрощенной схемы фиг.4 по сравнению со схемой фиг. 5 состоит в том, что "широкой" строке в предметной плоскости здесь соответствует "узкая" строка в плоскости наблюдения, с чем связана неопределенность в определении, какому из элементов изображений двух линеек соответствует сигнал от точечной цели. Для устранения этой неопределенности перекрывают один из двух оптических каналов путем поворота зеркала 5 на 180^о. Если цель на экране при этом исчезнет, то она принадлежит этому каналу и наоборот. Вероятность того, что две точечные цели одновременно окажутся на сопряженных элементах очень мала.

Положительный эффект по сравнению с прототипом связан здесь с расширением функциональных возможностей, вытекающих из использования двух оптических каналов для расширения поля изображения, вместо увеличения обнаружительной способности, он связан также и со снижением требований к точности совмещения двух изображений, что упрощает конструкцию прибора и технологию его изготовления, а в конечном итоге повышает экономичность. Последнее касается также и другого прототипа, по сравнению с которым схема фиг.4 упрощена за счет исключения узлов надкадровой развертки.

Действие схемы фиг.3 связано с получением в стационарном состоянии изображения, подобного телевизионному. С этой целью корпус 24 колеблют вокруг оси О-О₁ с частотой, например, 25 Гц (50 кадров) при этом в предметной плоскости с помощью двух изображений одной линейки приемника 19 образуют широкий растр. Излучение от предмета на фотоприемник проходит по двум параллельным ветвям . Благодаря вращению обтюратора 25 происходит модуляция потока в одном канале и работа осуществляется совместно со схемой фиг. 5 также, как и в первом, случае. Однако средства памяти в блоке регистрации здесь не требуются. Датчик 60 служит здесь для синхронизации кадровой развертки, пропорционально частоте колебания зеркал 20 и 21. Приемник 19 вынесен за пределы отверстия в зеркале 21 при посредстве конденсатора 23, вследствие чего сокращается размер отверстия и винъетирование потока и улучшается согласование объектива с приемником, что в целом повысило обнаружительную способность и информативность системы. Увеличение последней способствует также получение широкопольного изображения в схеме фиг.5. Особая конструкция обтюраторов 25 и 26 (фиг.3) сводит к минимуму экранирование коллимированного пучка лучей и сокращает энергетические потери, что также способствует повышению информативности.

Рассмотрим вариант оптической системы, служащий для реализации способа, показанной на фиг.6. От известных устройств он отличается тем, что для фокусировки лучей здесь использовано двояковогнутое зеркало 66 и объектив 61 меньшего диаметра. И то, и другое уменьшает сферическую и хроматическую аберрации, что повышает качество изображения и информативность системы. Известно, что зеркала не обладают хроматической аберрацией, а сферическая аберрация зеркала в восемь раз меньше чем у линзы. В свою очередь сферическая аберрация сильно уменьшается при сокращении апертуры линзового объектива. Излучение от предмета проходит в схеме фиг.6 по двум параллельным ветвям .

Таким образом, технико-экономическая эффективность изобретения сводится, в одном случае, к повышению информативности и экономичности, а в другом к расширению функциональных возможностей системы.