Авиационная оптико-электронная система наблюдения и регистрации
Полезная модель может быть использована для проведения с летательных аппаратов стереосъемок земной поверхности в панхроматическом диапазоне спектра электромагнитных волн с целью создания картографической продукции и оперативного слежения за отдельными участками земной поверхности. Технический результат заключается в достижении более высокого пространственного разрешения в сочетании с большим полем захвата универсальность системы, которая обеспечивает регистрацию изображения как традиционным фотографическим способом, так и цифровым сканирующим способом. Система наблюдения и регистрации содержит оптическую систему, блок фотоприемников, систему регистрации информации, при этом фотоприемники расположены на фокальной поверхности оптической системы, которая выполнена в виде плоскости блок фотоприемников механически соединен с оптической системой с помощью крепежного механизма, выполненного с возможностью фиксации их взаимного положения и разъединения для замены блока фотоприемников. Блок фотоприемников состоит из девяти фотоприемников, каждый из которых выполнен в виде линейки фоточувствительных элементов, из которых образованы три группы фотоэлементов по три линейки в каждой группе. Линейки расположены параллельно друг другу и перпендикулярно направлению полета. В каждой группе линейки фоточувствительных элементов расположены таким образом, что их центры являются вершинами
равнобедренного треугольника, основание которого перпендикулярно направлению полета. Размер линеек выбран таким образом, что их проекции на основание треугольника частично накладываются друг на друга, одна группа линеек расположена симметрично относительно проекции главной оси оптической системы на фокальную плоскость, а две другие установлены на краях квадрата, вписанного в круг изображения в фокальной плоскости оптической системы, а выходы фоточувствительных элементов соединены с входами системы регистрации информации.
Система регистрации информации содержит блок двойной коррелированной выборки, усилители с изменяемым коэффициентом усиления, аналого-цифровые преобразователи и мультиплексор, который соединен выходом с блоком регистрации информации.
Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для проведения с летательных аппаратов стереосъемок земной поверхности в панхроматическом диапазоне спектра электромагнитных волн с целью создания картографической продукции и оперативного слежения за отдельными участками земной поверхности.
Известно фотограмметрическое устройство для получения информации о местности и представления ее в цифровой форме (Патент СН 656706 А5). Устройство снабжено расположенными в ряд полупроводниковыми светочувствительными элементами. По меньшей мере, один ряд таких элементов расположен под углом к двум другим рядам, поэтому строки изображения местности, полученные с помощью оптической системы от этого ряда светочувствительных элементов, пересекаются со строками изображения, полученными от других рядов светочувствительных элементов для той же местности.
Однако при таком расположении рядов светочувствительных элементов требуется сложное аппаратно-алгоритмическое обеспечение, не всегда позволяющее получить цифровые изображения местности приемлемые для создания топографических карт.
Наиболее близким аналогом является оптико-электронная система наблюдения и регистрации, которая содержит оптическую систему, блок
фотоприемников, систему регистрации, при этом фотоприемники расположены на фокальной поверхности, а оптическая система расположена на рамах, выполненных в виде дуг, полученных от сечения сферической фокальной поверхности объектива плоскостями, параллельными между собой (Патент RU 2062983 С1).
Недостатком данного устройства является сложность его изготовления, невысокое разрешение на местности, сложность аппаратно-программного обеспечения для реконструкции цифровых изображений при аэросъемке.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в достижении более высокого пространственного разрешения в сочетании с большим полем захвата и универсальность системы, которая обеспечивает регистрацию изображения как традиционным фотографическим способом, так и цифровым сканирующим способом.
Технический результат достигается тем, что авиационная оптико-электронная система наблюдения и регистрации содержит оптическую систему, блок фотоприемников, систему регистрации информации, при этом фотоприемники расположены на фокальной поверхности оптической системы. Согласно полезной модели фокальная поверхность выполнена в виде плоскости, блок фотоприемников механически соединен с оптической системой с помощью крепежного механизма, выполненного с возможностью фиксации их взаимного положения и разъединения для замены блока фотоприемников. Блок фотоприемников состоит из девяти фотоприемников, каждый из которых выполнен в виде линейки фоточувствительных элементов, в качестве которых используют приборы зарядовой связи, из которых образованы три группы фотоэлементов по три линейки в каждой группе, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно направлению полета летательного аппарата, на котором
расположена система наблюдения и регистрации, при этом в каждой группе линейки фоточувствительных элементов расположены таким образом, что их центры являются вершинами равнобедренного треугольника, основание которого перпендикулярно направлению полета летательного аппарата, при этом размер линеек каждой группы выбран таким образом, что их проекции на основание треугольника частично накладываются друг на друга, одна группа линеек расположена симметрично относительно проекции главной оси оптической системы на фокальную плоскость, а две другие группы установлены на краях квадрата, вписанного в круг изображения в фокальной плоскости оптической системы, а выходы фоточувствительных элементов соединены с входами системы регистрации информации.
Технический результат достигается также тем, что система регистрации информации содержит блок двойной коррелированной выборки, выходы которого соединены с входами усилителей с изменяемым коэффициентом усиления, выходы которых соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходами соединенных с входом мультиплексора, который соединен выходом с блоком регистрации информации, при этом входы блока двойной коррелированной выборки образуют вход системы регистрации информации.
Принципиальная особенность предложенной системы заключается в реализации цифровой съемки с регистрацией изображения цифровой сканирующей системой. Этот метод получения изображения основан на принципе электронного поперечного сканирования изображения земной поверхности.
На фиг.1. представлена блок-схема авиационной оптико-электронной системы наблюдения и регистрации
На фиг.2 представлена схема расположения линеек фоточувствительных элементов
На фиг.3 представлен узел стыковки оптической системы и блока фотоприемников.
На фиг.4 схематично показан принцип формирования изображения подстилающей поверхности с летательного аппарата.
Оптико-электронная система наблюдения и регистрации (фиг.1) содержит оптическую систему 1, в фокальной плоскости которой расположен блок фотоприемников 2, систему регистрации информации 3, входы которой соединены с выходами блока фотоприемников. Система регистрации информации содержит блок двойной коррелированной выборки 4, выходы которого соединены с входами усилителей 5 с изменяемым коэффициентом усиления. Выходы усилителей соединены с входами аналого-цифровых преобразователей 6 (АЦП), выходами соединенных с входом мультиплексора 7. Мультиплексор соединен выходом с блоком регистрации информации 8. Входы блока двойной коррелированной выборки образуют вход системы регистрации информации.
В качестве оптической системы могут быть использованы аэрофотосъемочные объективы с фокусным расстоянием 70-300 мм, в фокальной плоскости которых вместо фотопленки размещают блок фотоприемников. Этот блок состоит из девяти фотоприемников, в качестве которых используют приборы зарядовой связи (ПЗС) линейной структуры, т.е. строку (линейку) из отдельных элементарных сенсоров (фоточувствительных элементов).
На фиг.2 представлена схема расположения девяти фотоприемников 9 (линеек фоточувствительных элементов), из которых образованы три группы по три линейки в каждой группе. Линейки фоточувствительных элементов расположены параллельно друг другу и перпендикулярно направлению полета. При этом в каждой группе линейки
фоточувствительных элементов расположены таким образом, что их центры являются вершинами равнобедренного треугольника 10, основание которого перпендикулярно направлению полета. При этом размер линеек каждой группы выбран таким образом, что их проекции на основание треугольника частично накладываются друг на друга. Одна группа линеек устанавливается симметрично относительно проекции главной оси 11 оптической системы на фокальную плоскость, а две другие группы установлены на краях квадрата 12 вписанного в круг 13 изображения в фокальной плоскости объектива. Выходы линеек являются выходами блока фотоприемников и соединены со входом блока управления и регистрации информации.
Используемый принцип цифровой съемки заключается в построчной регистрации изображения, поступательно движущегося в фокальной плоскости объектива, посредством фотоприемников, расположенных перпендикулярно направлению движения картинки. В силу данного принципа цифровая съемка может производиться только с движущегося носителя.
На фиг.3 показан стыковочный узел.
Блок фотоприемников стыкуется с оптической системой по фокальной плоскости А и прижимается к ней пружинами 14. Крепление блока фотоприемников к оптической системе осуществляется крепежным механизмом. В состав крепежного механизма входит рамка фотоприемников 15, имеющая четыре выступа 16, рамка оптической системы 17, имеющая соответственно четыре паза 18 и две задвижки 19, перемещающиеся по направляющим.
Стыковка блока фотоприемников с оптической системой осуществляется совмещением рамок 15 и 17, так, чтобы выступы 16 входили
в пазы 18. Перемещением задвижек фиксируется взаимное положение оптической системы и блока фотоприемников.
Устройство работает следующим образом.
Изображение подстилающей поверхности формируется оптической системой 1 в фокальной плоскости, где расположен блок фотоприемников 2. Развертка изображения вдоль направления полета формируется за счет поступательного движения летательного аппарата, где расположена предлагаемая система (см. фиг.3). Система размещается в стабилизирующей платформе, осуществляющей демпфирование вибраций.
Блок фотоприемников, содержащий девять линеек ПЗС элементов, образующих три группы по три линейки в каждой (см. фиг.3) ориентирован направлению полета самолета. Визирная ось центральной группы направлена в надир, две другие - вперед и назад под углами ±27°. Каждая группа линеек обеспечивает съемку полосы земной поверхности в угле 54° с угловым пространственным разрешением 10,3 угл. сек. Все цифры приведены для объектива с фокусным расстоянием 140 мм и без учета оптических характеристик конкретного объектива.
Конфигурация размещения линеек ПЗС элементов в фокальной плоскости разработана исходя из технико-экономических требований к комплексу, как к топографической авиационной съемочной системе. Данные требования определяют такие параметры, как угол поля зрения (или полоса захвата) съемочной системы, углы стереозасечки для наклонных каналов, разрешающая способность оптического тракта, динамический диапазон радиометрических характеристик получаемого изображения, и другие. Эти параметры должны быть сравнимы с фотографической системой с аналогичным размером кадра.
Группы линеек ПЗС элементов размещены в трех рамках, которые расположены в общей рамке, и вместе с платами электроники объединены в три отдельных канала.
Каждая линейка образует канал электронной съемки, каждый из которых состоит из блока двойной коррелированной выборки 4, усилителя 5 с переменным коэффициентом усиления и аналогово-цифровым преобразователем 6. Блок двойной коррелированной выборки выделяет полезный сигнал, полученный с ПЗС элемента для улучшения соотношения сигнал/шум, далее сигнал с его входа поступает на усилитель с переменным коэффициентом усиления, который устанавливается в зависимости от освещенности снимаемой поверхности, затем сигнал поступает в АЦП. АЦП обеспечивает оцифровку аналогового сигнала с разрядностью 8 бит.
Цифровые сигналы с каждого из девяти каналов электронной съемки попадают в мультиплексор 7, где образуют единый поток информации, который поступает на вход регистратора данных 8. Регистратор рассчитан на непрерывную запись полного потока данных в течение продолжительного времени, определяемого эксплуатационными требованиями к съемочной системе. Полученные таким образом цифровые изображения после проведения геометрической и радиометрической коррекции поступают к пользователям на дальнейшую обработку. Полученные данные в реальном времени могут выводиться на экран монитора и использоваться для визуального анализа получаемых изображений. Для обеспечения последующей координатной привязки изображения в ходе съемки регистрируется навигационная информация о параметрах пространственного положения летательного аппарата, получаемая от приемника спутниковой навигационной системы, входящей в состав бортового оборудования.
Преимущества в использовании линейных ПЗС в качестве фотоприемников и принципа электронного сканирования при цифровых
съемках с быстролетящих аппаратов обуславливаются высоким технологическим уровнем развития многоэлементных линейных ПЗС при невысокой цене и простой схемотехникой организации формирования выходного изображения, что ведет к снижению стоимости аппаратуры. Кроме того, имеет место ряд технических преимуществ - таких, как возможность одновременного получения изображений с нескольких линеек в разных спектральных зонах и под разными углами, большее количество элементов в строке и, как следствие, расширение полосы захвата, - все это позволяет приблизить пространственно-геометрические характеристики цифровых изображений к фотографическим системам при сохранении остальных преимуществ цифровой съемки.
Выполнение стыковочного узла с возможностью съема блока фотоприемников обеспечивает универсальность системы, позволяя с одной стороны использовать устройство с традиционной фотографической кассетой, с другой стороны использовать блок фотоприемников с любой аэрофотокамерой серии АФА.
1. Авиационная оптико-электронная система наблюдения и регистрации, содержащая оптическую систему, блок фотоприемников, систему регистрации информации, при этом фотоприемники расположены на фокальной поверхности оптической системы, отличающаяся тем, что фокальная поверхность выполнена в виде плоскости, блок фотоприемников механически соединен с оптической системой с помощью крепежного механизма, выполненного с возможностью фиксации их взаимного положения и разъединения для замены блока фотоприемников, блок фотоприемников состоит из девяти фотоприемников, каждый из которых выполнен в виде линейки фоточувствительных элементов, в качестве которых используют приборы зарядовой связи, из которых образованы три группы фотоэлементов по три линейки в каждой группе, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно направлению полета летательного аппарата, на котором расположена система наблюдения и регистрации, при этом в каждой группе линейки фоточувствительных элементов расположены таким образом, что их центры являются вершинами равнобедренного треугольника, основание которого перпендикулярно направлению полета летательного аппарата, при этом размер линеек каждой группы выбран таким образом, что их проекции на основание треугольника частично накладываются друг на друга, одна группа линеек расположена симметрично относительно проекции главной оси оптической системы на фокальную плоскость, а две другие группы установлены на краях квадрата, вписанного в круг изображения в фокальной плоскости оптической системы, а выходы фоточувствительных элементов соединены со входами системы регистрации информации.
2. Авиационная оптико-электронная система наблюдения и регистрации по п.1, отличающаяся тем, что система регистрации информации содержит блок двойной коррелированной выборки, выходы которого соединены с входами усилителей с изменяемым коэффициентом усиления, выходы которых соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходами соединенных с входом мультиплексора, который соединен выходом с блоком регистрации информации, при этом входы блока двойной коррелированной выборки образуют вход системы регистрации информации.
