СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент
МЕТОД РЕГУЛИРОВКИ НАПРАВЛЕНИЯ ВИЗИРНОЙ ОСИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Аналоговый метод оптико-электронного масштабирования изображения и оригинальные технические решения на его основе были опубликованы ранее [1, 2, 3]. Отличительной особенностью метода является использование в телекамере светоделителя и двух матриц ПЗС в качестве фотоприемников.
К несомненным достоинствам предложенного метода следует отнести:
- высокое быстродействие выполнения операции “масштабирование” благодаря исключению времени регулировки фокусного расстояния из-за отказа от применения вариообъектива;
- отсутствие потерь разрешающей способности для увеличенного изображения по сравнению с цифровым методом масштабирования.
Устройство светоделителя обеспечивает такое направление визирной оси телевизионной системы, при котором на входе оптическая ось условной “широкоугольной” телекамеры совпадает с оптической осью условной “узкоугольной” телекамеры.
Следует признать, что наличие светоделения приводит к ощутимым потерям энергетической (световой) чувствительности телевизионной системы, особенно в канале увеличенного изображения. Эти потери могут быть признаны недопустимыми для телевизионных систем, которые предназначены для поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов.
Отказ от светоделителя неизбежно приводит к пространственному разнесению оптических осей телекамер, например к разнесению по горизонтали при совпадении по вертикали. Однако, с учетом того, что величина этого базового разнесения много меньше расстояния удаления телевизионной системы от объекта, а параллельность оптических осей соблюдается, погрешностью в определении координаты цели можно пренебречь.
Известным примером такого решения можно считать реализацию телевизионной системы наблюдения кометы Галлея [4, с. 147]. Она содержала на борту космического аппарата (КА) две телекамеры: “узкоугольную” (с длиннофокусным объективом) и “широкоугольную” (с короткофокусным объективом), при этом последняя использовалась в качестве датчика наведения телевизионной системы. В качестве фотоприемников в каждой из телекамер были применены отечественные матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Дополнительно к телевизионному датчику наведения в телевизионной системе был предусмотрен второй – аналоговый датчик наведения. Оба датчика наведения выполняли раздельно или совместно управление поворотной платформой КА, что позволяло изменять направление визирной оси телевизионной системы как в плоскости орбиты, так и в перпендикулярной ей плоскости. Электронный блок телевизионной системы, осуществляя два режима работы: дежурный и основной, - обеспечивал коммутацию сигналов изображения от каждой из телекамер для последующей записи видеоинформации на бортовой магнитофон, передачи накопленной информации на Землю и воспроизведения изображения на экране видеомонитора Центра управления полетом.
Однако по сравнению с космическим проектом, для относительно простых и массовых изделий спецтехники может быть заложено априори управление поворотной платформой, а, следовательно, и направлением визирной оси телевизионной системы только от одного (не телевизионного датчика) наведения.
Это, в свою очередь, приводит к необходимости задания жестких требований на размещение телевизионной системы на поворотной платформе, в частности, на направление визирной оси телевизионной системы относительно посадочной плоскости ее основания. Для двухкамерной телевизионной системы это означает повышенные требования на параллельность оптических осей телекамер между собой и их параллельность относительно посадочной плоскости основания. При этом допустимая величина ошибки в направлении оси визирования должна быть подтверждена метрологической проверкой в процессе настройки телевизионной системы на предприятии-изготовителе.
В предлагаемом ниже техническом решении регулировка направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы осуществляется при помощи:
- отражательной и электронной таблиц типа “сетчатое поле”, параметры которых учитывают базовое расстояние по горизонтали между геометрическими центрами фотоприемников телевизионных камер настоящей телевизионной системы;
- лазерного целеуказателя, излучение от которого производится через канавку, выполненную в основании телевизионной системы и позволяющую с высокой точностью, (ограниченной только возможностями технологии изготовления самой канавки), обеспечить параллельность лазерного зонда основанию телевизионной системы.
Структурная схема устройства для выполнения технологической регулировки (юстировки) направления визирной оси телевизионной системы представлена на рис. 1. Устройство содержит отражательную таблицу (1), установленную в плоскости объекта телевизионной системы, состоящей из первой (широкоугольной) телевизионной камеры (2), второй (узкоугольной) телевизионной камеры (3), коммутатора видеосигналов (4) и видеомонитора (5); лазерный целеуказатель (6) и генератор электронной таблицы (7), при этом лазерный целеуказатель (6) через канавку (8), выполненную в основании (9) телевизионной системы, формирует в плоскости отражательной таблицы (1) пятно (10) видимого спектра, выходы телевизионных камер (2) и (3) подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора видеосигналов (4), выход телевизионной камеры (3) подключен к входу внешней синхронизации телевизионной камеры (2), а выход коммутатора видеосигналов (4) через генератор электронной таблицы (7) подключен к видеомонитору (5).
Рис. 1. Структурная схема устройства для выполнения технологической регулировки направления визирной оси телевизионной системы
Отражательная таблица (1) используется в качестве оптического теста при выполнении процесса юстировки телевизионной системы.
Пример выполнения отражательной таблицы (1) показан на рис. 2.
Рис. 2. Испытательная таблица “сетчатое поле”
Таблица содержит 20 клеток по горизонтали и 12 клеток по вертикали. Геометрический центр таблицы отмечен точкой “O”. Слева от центра “O” со смещением по горизонтали на две клетки отмечена точка “A”, а справа, также со смещением на две клетки – точка “B”. Со смещением вертикально вниз относительно центра “O” на три клетки на таблице отмечена точка “C”. Размер одной клетки по горизонтали и вертикали соответствует одной четвертой величины базового разнесения по горизонтали оптических осей телевизионных камер. Предположим, что величина указанного базового расстояния составляет 68 мм, то размер клетки – (17х17) мм.
Обе телевизионные камеры (2) и (3) должны быть синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы горизонтальной и вертикальной разверток по сигналу синхронизации приемника (ССП) или по полному телевизионному сигналу от одной из телевизионных камер или от внешнего источника. На рис. 1 режим Genlock обеспечивается путем подачи на вход внешней синхронизации камеры (2) композитного сигнала от камеры (3).
В предлагаемом решении для каждой из телевизионных камер должна быть выставлена одинаковая величина угла поля зрения. На практике это может быть обеспечено применением в каждой из телевизионных камер матриц ПЗС с одинаковым размером и форматом мишени, например с размером по диагонали 1/2 дюйма и форматом 4/3, а также использованием в качестве объектива для одной из камер трансфокатора (вариообъектива).
В качестве лазерного целеуказателя 6 может быть применен прибор ЛЦУ, выпускаемый Белорусским оптико-механическим объединением “БЕЛОМО”, с длиной волны лазерного излучения 645 нм и создающим на объекте красную световую точку [http://matrix 1984 narod. ru].
Канавка (8) предназначена для канализации зонда лазерного излучения в основании 9 телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости. Канавка (8) может быть выполнена методом точного фрезерования.
Генератор электронной таблицы (7) предназначен для формирования электрического сигнала “сетчатое поле” в формате, равном формату кадра фотоприемников телевизионных камер. В нашем примере этот формат 4/3, а электронная таблица содержит 16 клеток по горизонтали и 12 клеток по вертикали. Очевидно, что размер одной клетки в единицах времени стандартной строчной развертки составляет: 52/16 = 3,25мкс.
Входным сигналом для генератора (7) является полный телевизионный сигнал с выхода коммутатора видеосигналов (4) размахом (1±0,2) В на нагрузке (75±3,75) Ом. На выходе генератора (7), на нагрузке (75±3,75) Ом, вырабатывается полный телевизионный сигнал размахом (1±0,2) В суммарного изображения, составляющими которого являются входной видеосигнал и сигнал “сетчатое поле”. Формирование второго сигнала предпочтительно выполнить путем замещения соответствующего по координате первого сигнала. Целесообразно также обеспечить положительную и отрицательную полярность сигнала “сетчатое поле” с возможностью оперативного переключения. Схемное решение генератора (7) может быть выполнено на базе PIC-процессора.
Рассмотрим технологический процесс регулировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, воспользовавшись структурной схемой на рис. 1.
Телевизионные камеры (2) и (3) работают одновременно в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной разверток от композитного сигнала камеры (3).
Коммутатор видеосигналов (4) по внешней команде подает на вход генератора электронной таблицы (7) полный телевизионный сигнал от телевизионной камеры (2) или от телевизионной камеры (3). В генераторе (7) в видеосигнал добавляется маркерный сигнал “сетчатое поле”. Суммарный сигнал изображения воспроизводится на видеомониторе (5).
Сначала ориентируют положение отражательной таблицы (1) так, чтобы при взгляде на нее регулировщик мог зафиксировать пятно от лазерного целеуказателя в точке “C”.
Затем приступают к анализу телевизионных изображений. Предположим, что на выход телевизионной системы коммутируется видеосигнал от первой телевизионной камеры (2).
В растр фотоприемника первой камеры вписывают изображение области отражательной таблицы (1), расположенной справа и ограниченной реперами этого фрагмента (рис. 2). Формат этой области 4/3, а ее геометрический центр совпадает с точкой “B” на таблице (1). При этом количество наблюдаемых клеток таблицы (1) по горизонтали равно 16, а по вертикали – 12 и соответствует аналогичному числу маркерных клеток от генератора электронной таблицы (7). Отметим, что базовое расстояние между точками “A” и “B” занимает четыре клетки, что в единицах времени составляет 3,25х4 = 13 мкс.
Затем при помощи предусмотренных в конструкции телевизионной камеры (2) для совокупности “объектив – фотоприемник элементов регулировки углового перемещения по горизонтали и вертикали добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра телевизионного изображения “B” таблицы (1) с центром электронной таблицы, а клеток изображения таблицы (1) – с маркерными клетками от генератора (7). Идеальный результат совмещения изображений представлен на рис. 3а.
а)
б)
Рис. 3. а – изображение с экрана видеомонитора от первой телекамеры (2); б – изображение на экране видеомонитора от второй телекамеры (3)
Далее, не меняя пространственного положения отражательной таблицы (1), коммутируют на выход телевизионной системы сигнал изображения от второй телевизионной камеры (3). При этом регулировщик на экране видеомонитора (5) должен наблюдать изображение другой области таблицы (1), расположенной слева, с центром в точке “A” и ограниченной реперами этого фрагмента. Число клеток наблюдаемого телевизионного изображения аналогично предыдущей коммутации видеосигнала и составляет 16х12 при формате 4/3. Затем аналогично, используя элементы регулировки углового перемещения для совокупности “объектив – фотоприемник” камеры (3), добиваются максимального совмещения наблюдаемого центра “A” с центром электронной таблицы, а клеток изображения оптического теста – с маркерными клетками, добиваясь в идеале результата, показанного на рис. 3б.
Проведем инженерную оценку технического результата предлагаемого решения.
Величина “остаточного” углового смещения направления визирной оси после завершения юстировки может быть определена по соотношениям:
(1),
где b – максимальная величина “остаточного” рассовмещения изображений по горизонтали в мм;
S – расстояние от таблицы 1 до телевизионной камеры в мм.
(2)
где a – максимальная величина “остаточного” рассовмещения изображений по вертикали в мм;
S – расстояние от таблицы 1 до телевизионной камеры в мм.
Пусть в качестве фотоприемников в телевизионных камерах используется матрица ПЗС с числом элементов 768(H)х576(V), а выставленная величина поля зрения для двух его угловых значений (HхV) составляет (12х7,8) град.
Если принять, что при допустимом рассовмещении изображений минимальная величина оптического изменения составляет 2 элемента разложения фотоприемника в обоих направлениях, то величина gг составит 0,031 град. (0,55 мрад), а величина gв – 0,027 град. (0,47 мрад). Эти параметры можно считать рабочими для выполнения юстировки.
Следовательно, если по завершении регулировки, в результате вычисления по соотношениям (1) и (2) будут получены величины “остаточных” угловых смещений, которые больше соответственно 0,55 мрад и 0,47 мрад, то это означает, что регулировка выполнена не полностью и ее необходимо продолжить для достижения требуемой точности.
В качестве вывода
Точность выполнения регулировки по направлению визирной оси телевизионной системы согласно предлагаемому методу принципиально зависит от информационной емкости ПЗС-матриц. Поэтому для уменьшения величины “остаточного” углового смещения визирной оси необходимо увеличивать число элементов фотоприемников в обоих направлениях.
Литература
1. Смелков В.М. Телевизионная камера для скрытого наблюдения автоматизированной охраны.//Специальная техника, 2001, №3, с. 20 – 23.
2. Смелков В.М. Охранная телевизионная камера: новое решение по методу оптико-электронного масштабирования.//Специальная техника, 2002, №6, с. 12 – 15.
3. Смелков В.М. Охранная телекамера с селективным масштабированием: новое решение.//Специальная техника, 2003, №3, с. 17 – 20.
4. Цыцулин А.К. Телевидение и космос. С.-Петербург, Издательство СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2003.
Статья опубликована на сайте: 29.11.2006