Способ регистрации движущихся объектов
Владельцы патента RU 2400771:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)
Способ заключается в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха. Продолжительность периода следования импульсов устанавливают пропорциональной текущему времени. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа регистрации движущихся объектов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оптической и оптико-электронной технике и может быть использовано для регистрации движущихся точечных и малоразмерных объектов, например искусственных и естественных небесных тел.
Известны способы регистрации движущихся объектов, заключающиеся в формировании оптического изображения движущихся объектов на светочувствительной поверхности приемника излучения, экспонировании (например, за счет срабатывания створчатого затвора) в течение выбранного временного интервала и привязке к системе единого времени начала и конца экспонирования. Последующее измерение координат начала и конца следа, оставленного изображением объекта на светочувствительной поверхности, позволяет получать траекторию объекта с привязкой ко времени [1]. Из-за обмера на траектории всего двух точек точность регистрации невысока. Кроме того, при вхождении объекта в кадр после начала экспонирования, либо при выходе объекта из кадра до окончания экспонирования, получить траекторию объекта невозможно, т.к. на следе остается только одна точка, привязанная ко времени.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ регистрации движущихся объектов, заключающийся в многократном прерывании потока излучения при экспонировании и преобразовании потока в периодическую последовательность световых импульсов равной длительности и равного периода следования (например, за счет срабатывания обтюраторного затвора). Световые импульсы равной длительности обеспечивают формирование на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде равновеликих штрихов, разделенных равновеликими пробелами. Привязка к системе единого времени начала и конца каждого светового импульса и измерение координат начала и конца каждого штриха позволяет повысить точность регистрации траекторий объектов, в том числе и объектов, начало или конец следа которых не укладывается в кадр [2]. Но при отсутствии информации о направлении движения объекта, а также в случае, когда объект пересекает кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования, определение траектории становится невозможным.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа регистрации движущихся объектов.
Технический результат - возможность регистрации объектов с заранее неизвестными направлениями движения и объектов, пересекающих кадр за время, меньшее продолжительности процесса экспонирования.
Это достигается тем, что в способе регистрации движущихся объектов, заключающемся в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха, в отличие от известного, устанавливают продолжительность периода следования импульсов пропорциональной текущему времени.
При этом либо длительность импульса излучения в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность паузы постоянна, либо длительность паузы в каждом периоде следования импульсов, пропорциональна текущему времени, а длительность импульса излучения - постоянна.
На фиг.1 приведена временная диаграмма формирования световых импульсов, на фиг.2 представлены изображения траекторий трех подвижных точечных объектов на светочувствительной поверхности, на фиг.3 приведена временная диаграмма световых импульсов, сформированных этими объектами в процессе экспонирования. На чертежах обозначено: Еим - амплитуда светового импульса при экспонировании, t - текущее время, Тн эк - начало процесса экспонирования, Тк эк - конец процесса экспонирования, Тэк - общая продолжительность процесса экспонирования, t1 им - длительность первого светового импульса, t2 им - длительность второго светового импульса, tN-1 им - длительность (N-l)-го светового импульса, tN им - длительность N-го светового импульса, tп - длительность паузы; хоу - система координат с началом в верхнем левом углу кадра, 1 - траектория объекта, входящего в кадр после начала процесса экспонирования (после момента Тн эк); 2 - траектория объекта, выходящего из кадра до окончания процесса экспонирования (до момента Тк эк); 3 - траектория объекта, пересекающего кадр за время, меньшее Тэк (входящего в кадр после момента Тн эк и выходящего из кадра до момента Тк эк); x1, y1, х2, y2, x3, y3, x4, y4 - линейные координаты в кадре начальных и конечных точек штрихов, зарегистрированных на светочувствительной поверхности; Т1 эк; Т2 эк; Т3 эк - продолжительности экспонирования 1-го, 2-го и 3-го объектов; t1, t2, t3, t4, - моменты привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.
Для независимой привязки линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени длительность каждого светового импульса при постоянной паузе устанавливают пропорциональной текущему времени, например, следующим образом.
Назначают длительность i-го светового импульса (продолжительность экспонирования в i-м периоде)
где t° - постоянная составляющая светового импульса, остающаяся неизменной в каждом периоде,
Δt - временной дискрет, характеризующий увеличение длительности импульса данного периода по сравнению с предыдущим,
* - знак операции умножения.
Длительность импульса в 1-м периоде будет равна Для последующих периодов
Назначают длительность паузы постоянной и для всех периодов следования импульсов и равной tп.
Эта последовательность импульсов с нарастающей длительностью и с постоянной паузой показана на фиг.1. Общая продолжительность процесса экспонирования Тэк представляется зависимостью
где N - количество периодов.
В соответствии с приведенной зависимостью, а также с учетом технических характеристик объектива и приемника излучения выбирают конкретную реализацию процесса регистрации движущихся объектов.
Например, регистрации подлежат точечные объекты, средняя видимая угловая скорость которых составляет ω=2 угл. рад./с. Изображения объектов формируются на светочувствительной поверхности размером 10×10 мм при помощи объектива с фокусным расстоянием f=500 мм. Качество объектива обеспечивает кружок рассеяния dкр=0,03 мм. Общая продолжительность процесса экспонирования Тэк≈0,5 с. Многократное прерывание светового потока в процессе экспонирования осуществляется при помощи быстродействующего электромеханического затвора.
При выбранных ранее соотношениях для длительности импульса и длительности паузы tп постоянную составляющую назначают такой, чтобы за время t0 изображение объекта оставляло на светочувствительной поверхности штрих длиной L0, позволяющей произвести его точный обмер. Т.к. ширина штриха составит dкр, то его минимальная длина должна быть в несколько, например, в 4…6 раз больше, т.е. L0=0,12-0,18 мм.
Учитывая, что средняя линейная скорость изображения объекта V=f*tg(ω)=500*tg(2)=17,5 мм/с, назначают t0=L0/V=0,01 с. Для паузы выбирают такое же значение, т.е. tп=0,01 с. Величину временного дискрета выбирают такой, чтобы обеспечивалась надежная идентификация каждого штриха по приращению его длины. Для этого назначают, например, значение Δt в 5 раз меньшее, чем t0, т.е. At=0,002 с.
Тогда
и т.д.
Так как tп=t0=0,01 с, то расстояние, которое проходит изображение объекта во время паузы, т.е. величина пробелов между штрихами Lп, а также расстояние, которое проходит изображение объекта за время t0, будут равны Lп=L0=0.01*V=0,175 мм. Расстояние, проходимое за время At, будет равно ΔL=0.002*V=0,035 мм.
Соответственно длина 1-го штриха составит 2-го штриха составит L2=0,245 мм, 3-го штриха составит L3=0,280 мм и т.д.
Если ориентироваться на заданную продолжительность процесса экспонирования Тэк=0,5 с, то после подстановки в выражение (2) значений , tп Δt находят, что в заданную продолжительность «вкладываются» 14,41 периодов экспонирования, т.е. полных периодов будет N=14. Максимальная длительность светового импульса в последнем (14-м) периоде составит t14 нм=0,01+14*0,002=0,038 с. Длина последнего (14-го) штриха при линейной скорости изображения объекта 17,5 мм/с составит L14=0,665 мм. Уточненное значение продолжительности процесса экспонирования составит Тэк=0,486 с.
Отметим, что приведенные геометрические характеристики прерывистого следа соответствуют объекту, движущемуся с угловой скоростью 2 угл. град./с. Для объектов с другими угловыми скоростями эти характеристики будут другими.
Неизвестный объект может входить в кадр после начала процесса экспонирования. Этот случай изображен на фиг.2 (траектория 1) и фиг.3 (временная диаграмма а). Движущийся объект 1 экспонируется в течение времени т1 эк и на фотоприемник попадает 4 полных световых импульса. В результате регистрируется конечная часть траектории (4 полных штриха), что позволяет определить скорость, направление движения и траекторию объекта. Подобная информация получается по неизвестному объекту, выходящему из кадра до окончания процесса экспонирования (фиг.2, траектория 2 и фиг.3, диаграмма б). За время экспонирования Т2 эк на фотоприемник попадает восемь полных световых импульсов и соответственно начальная часть зарегистрированной траектории содержит 8 полных штрихов, достаточных для определения скорости, направления движения и траектории объекта.
Благодаря тому, что каждый штрих привязан к системе единого времени автономно, предлагаемый способ позволяет определять траекторию всего лишь по двум полным штрихам. Рассмотрим более подробно траекторию 3. За время экспонирования Т3 эк на фотоприемник попадает два полных световых импульса. На траектории регистрируются координаты четырех точек, являющихся началами и окончаниями двух полных штрихов. Какая-либо априорная информация скорости и направлении движения объекта, а также о времени входа и выхода из кадра отсутствует.
После измерения линейных координат начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов, получают
X1=9,764 мм, y1=0,681 мм,
х2=9,293 мм, у2=0,461 мм,
х3=9,057 мм, у3=0,351 мм,
х4=8,539 мм, у4=0,109 мм.
По измеренным координатам находят длину первого зарегистрированного штриха
Lрег1=[(x1-x2)2+(y1-y2)2]1/2=[(9,764-9,293)2+(0,681-0,461)2]1/2=0,519 мм
По этим же координатам находят длину пробела между штрихами, т.е. расстояние Lп, которое проходит изображение объекта за время паузы tп, а также расстояние L0, которое проходит изображение объекта за время t0
Lп=L0=[(x2-x3)2+(y2-y3)2]1/2=[(9,293-9,057)2+(0,461-0,351)2]1/2=0,26l мм.
Соответственно находят ΔL=Lп/5=0,052 мм.
Для нахождения неизвестного номера периода n1, соответствующего первому зарегистрированному штриху, с учетом соотношений (1) и (2) из полученных значений составляют уравнение
Lрег1=L0+n1*ΔL=0,261+n1*0,052=0,519 мм; откуда n1=4,961.
Так как истинное значение n1 всегда является целочисленным, то принимают n1=5. Аналогичные вычисления выполняют для второго штриха
Lрег2=[(х3-х4)2+(у3-у4)2]1/2=[(9,057-8,539)2+(0,351-0,109)2]1/2=0,572 мм
Lрег2=L0+n2*ΔL=0,261+n2*0,052=0,572 мм; откуда n2=5,975=6.
Таким образом, изображение неизвестного объекта движется в кадре справа налево с линейной скоростью Vн=Lп/tп=0,261/0,01=26,1 мм/с. Угловая скорость неизвестного объекта составляет ω=arctg(Vн/f)=2,98 угл. гр./с.
По вычисленным n1 и n2 привязывают линейные координаты начальных и конечных точек зарегистрированных штрихов к системе единого времени.
t1=Тн эк+t1 им+tп+t2 им+tп+t3 им+tп+t4 им+tп=Тн эк+4*t0+4*tп+10*Δt=Тн эк+0,1 с;
t2=t1+t0+5*Δt=Tн эк+0,1+0,01+5*0,002=Тн эк+0,12 с;
t3=t2+tп=Tн эк+0,12+0,01=Тн эк+0,13 с;
t4=t3+t0+6*Δt=Tн эк+0,13+0,01+6*0,002=Тн эк+0,152 с.
Таким образом, многократное прерывание потока излучения при экспонировании, то есть преобразование потока в периодическую последовательность световых импульсов, длительность которых и соответственно период следования пропорционален текущему времени, привязывание ко времени начала и конца каждого импульса, формирования на светочувствительной поверхности прерывистых следов объектов в виде штрихов и пробелов и измерения координат начала и конца каждого штриха позволяет регистрировать все попадающие в кадр движущиеся объекты, в том числе объекты, пересекающие кадр за время меньшее продолжительности экспонирования и объекты с неизвестными направлениями движения, что значительно расширяет точность и достоверность регистрации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Быков О.П. Первое фотографическое наблюдение ИСЗ в СССР. Международная конференция «Околоземная астрономия», п.Терскол, 2007, Тезисы, стр.4.
2. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. - М.: Недра, 1986, стр.52-66, рис.15.
1. Способ регистрации движущихся объектов, заключающийся в преобразовании потока излучения в последовательность световых импульсов, привязки ко времени начала и конца каждого импульса, формировании на светочувствительной поверхности следов объектов в виде штрихов и измерении координат начала и конца каждого штриха, отличающийся тем, что устанавливают продолжительность периода следования импульсов пропорциональной текущему времени.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса излучения в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность паузы - постоянна.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность паузы в каждом периоде следования импульсов пропорциональна текущему времени, а длительность импульса излучения - постоянна.