Система координат оптико-механического сканера.

Изображение строки в оптико-механическом сканере формируется за счет вращения зеркала, а строки – за счет перемещения носителя съемочной системы. Таким образом, каждый пиксель изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования.

Ө – угол поля зрения сканера.

Началом системы координат сканера является точка S – точка пересечения оси вращения зеркала и главной оптической оси объектива. Ось x z совпадает с биссектрисой угла поля зрения съемочной системы. Ось y дополняет систему до правой.

Система координат сканерного изображения задается также как и для оптико-электронного сканера, т.е. ось y с совпадает c одной из строк изображения, начало системы координат о находится в середине строки, а ось x с – дополняет систему до правой.

По измеренным координатам точки изображенияx с y с можно получить время формирования изображения данного пикселя, а следовательно и элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент.

Направление на точку местности М (рис.10) в системе координат сканера определяет единичный вектор r m , координаты которого можно определить следующим образом:

(18)

- размер кадра в пикселях вдоль оси y .

Определение координат точек местности по изображениям, полученным с помощью оптико-механического сканера выполняется аналогично тому, как это делалось для изображений, полученных оптико-электронным сканером.

Принцип действия лазерно-локационных съемочных систем

Лазерно-локационная съемочная система по принципу действия напоминает оптико-механический сканер, только вместо диафрагмы имеется лазер, с помощью которого сканируется (облучается) поверхность земли (рис.11). Таким образом, эта съемочная система относится к активным системам. Лазерный луч с определенной частотой посылается в сторону поверхности земли, который возвращается в съемочную систему и фиксируется в приемнике излучения в виде интенсивности отраженного сигнала. Кроме того, фиксируется время прохождения лазерного луча от лазера до поверхности земли и обратно до приемника излучений, что позволяет определить расстояние D до данной точки земли. Фиксируя угол поворота зеркала φ можно определить координаты точки поверхности земли в системе координат сканера Sxyz , а зная элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент, можно вычислить координаты этой точки в системе координат объекта OXYZ . Таким образом, результатом работы лазерного сканера является трехмерная модель снимаемого объекта в виде облака точек с известными координатами XYZ и интенсивностью отраженного сигнала.

Система координат лазерного сканера задается следующим образом (рис.11). Начало системы S совпадает с точкой пересечения оси вращения зеркала и оптической осью системы. Ось x совпадает с осью вращения зеркала. Ось z проходит через центр проекции S и совпадает с биссектрисой угла поля зрения сканера Ө . Ось у дополняет систему до правой. Положительное направление оси x совпадает с направлением полета.

Координаты вектора SM в системе координат сканера определяют как:

(19)

Если известны элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера в момент измерения наклонного расстояния D , то координаты точки М в системе координат объекта можно определить по известным формулам:

(20)

Элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера во время съемки определяются с помощью навигационного комплекса в составе дифференциальной GPS- системы и инерциальной системы.

Принцип формирования радиолокационных изображений.

Системы координат.

На рис.12 показан принцип радиолокационной съемки. Короткий импульс от передатчика, расположенного на носителе (самолете или спутнике), излучается в вертикальной плоскости с помощью направленной антенны. При достижении поверхности земли волна отражается. Часть отраженной энергии возвращается к приемнику, установленному на том же месте, что и передатчик. Принятая энергия квантуется. В результате получаются сигналы, пропорциональные принятой в данный момент энергии, зависящей от отражающей способности определенного участка местности. Одновременно измеряются наклонные дальности от передатчика до каждого из элементарных участков местности. Эти элементарные участки местности определяют разрешение съемочной системы. Таким образом, плотность пикселя радиолокационного изображения зависит от интенсивности отраженного радиосигнала от соответствующей точки объекта, а положение пикселя вдоль строки пропорционально наклонной дальности до данной точки. Строки изображения формируются за счет движения носителя.

Если расстояния до точек объекта равны между собой (D 1 и D 2 на рис. 13), то эти разные точки объекта изобразятся в одной точке на снимке. Диапазон измеряемых расстояний и соответственно полоса обзора определяются параметрами съемочной системы и лежат в пределах D o и D к начальной и конечной измеряемых дальностей.

Чтобы увеличить захват местности (полосу обзора), нужно увеличить время от начала посыла импульса до их приема.

Система координат радиолокационного изображения задается следующим образом. Ось y c совпадает с одной из строк изображения. Начало системы координат о совпадает с точкой соответствующей начальной дальности D o , которая фиксируется в момент съемки. Ось x c дополняет систему до правой.

Таким образом, измерив координатуy c любой точки изображения можно узнать наклонную дальность до этой точки.

где k – масштабный коэффициент, который определяется в результате калибровки системы.

Система координат самой радиолокационной системы задается следующим образом (рис.15).

Начало системы координат совпадает с точкой излучения радиоимпульса. Оси y,z лежат в плоскости излучения импульсов. Ось x дополняет систему до правой.

Плоскость излучения радиоимпульсов может быть произвольно ориентирована в пространстве

Изобретение относится к области лазерной локации и может быть использовано в системах обнаружения оптических и оптико-электронных (ОЭ) средств наблюдения в естественных условиях и их идентификации. Перед зондированием осуществляют прием сигналов естественного фонового излучения, в котором измеряют спектральное распределение излучения и определяют в нем соотношение между интенсивностями спектральных компонент на трех выбранных длинах волн. Генерируют пучки лазерного излучения на этих длинах волн с соотношением интенсивностей пучков, соответствующим соотношению интенсивностей спектральных компонент в принятом фоновом излучении. Формируют суммарный пучок лазерного излучения и осуществляют зондирование и прием отраженного лазерного излучения на трех длинах волн и в широкой спектральной полосе. Измеряют уровни принятых оптических сигналов и определяют величины показателей световозвращения для трех длин волн и для широкой полосы длин волн. По указанным величинам формируют спектральный портрет показателя световозвращения, по которому осуществляют обнаружение и распознавание оптических и ОЭ средств наблюдения. Технический результат - повышение вероятности обнаружения и распознавания оптических и ОЭ приборов и средств наблюдения и определение их принадлежности к известным классам ОЭ приборов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2524450

Изобретение относится к оптической и лазерной локации, системам наблюдения в оптическом диапазоне и к квантовой электронике.

Изобретение может быть использовано в системах наблюдения для обнаружения оптических и оптико-электронных (ОЭ) приборов и средств наблюдения и прицеливания, а также для определения типа обнаруженных оптических и ОЭ средств и их идентификации.

Известен способ обнаружения средств оптического и оптоэлектронного типа по патенту РФ № 2133485 , заключающийся в зондировании контролируемого объема пространства сканируемым импульсным лазерным излучением, приеме оптических сигналов с заданной дальности, преобразовании принятых сигналов в видеосигнал, пороговой селекции принятых сигналов, зондировании объема пространства с фиксированной частотой, кодировании излучаемой последовательности импульсов лазерного излучения, выявлении сигнала тревоги. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую вероятность правильного обнаружения средств оптического типа при простой пороговой обработке (селекции) принятого сигнала на фиксированной длине волны от контролируемого объема пространства, а также невозможность определения принадлежности обнаруженного оптического средства к конкретному классу средств оптоэлектронного типа, т.е. распознавания обнаруженного объекта. Вторым недостатком данного способа обнаружения является его собственная уязвимость по отношению к оптическим средствам обнаружения и распознавания внешнего наблюдателя, т.к. при осуществлении зондирования контролируемого объема пространства (КОП) импульсным лазерным излучением на фиксированной длине волны устройство, реализующее способ, демаскирует себя и может быть обнаружено и идентифицировано внешним наблюдателем, осуществляющим поиск и контроль излучений, облучающих место нахождения средств обнаружения данного вероятного стороннего наблюдателя.

Известен способ обнаружения глаз людей и животных по патенту РФ № 2223516 от 10.02.2004 г. , включающий облучение лоцирумого объема пространства импульсным сканируемым излучением в диапазоне длин волн 450-700 мкм и определение глаз по отношению интенсивностей отраженного излучения на двух длинах волн - 1 и 2 . К недостаткам данного способа следует отнести невысокую достоверность полученных результатов, малую вероятность правильного определения наличия заданного объекта, малую дальность действия. Указанные недостатки обусловлены отсутствием определения и компенсации фонового излучения, которое в реальных условиях может полностью изменить соотношения между принимаемым излучением на 1 и 2 , особенно при широкополосном зондирующем излучении. Также недостатком данного способа является его ограниченное применение, что исключает возможность его использования для обнаружения и распознавания широкого класса оптических и ОЭ приборов.

В качестве прототипа выбран способ обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения по патенту РФ № 2278399 .

Данный способ включает зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучением (ЛИ) на фиксированной длине волны, прием отраженного от КОП ЛИ с заданной дальности, преобразовании принятого ЛИ в электрический сигнал и пороговую обработку сформированного электрического сигнала, формирование сигнала тревоги - сигнала обнаружения объекта на основании пороговой обработки, определение дальности до обнаруженного объекта, прием сигналов естественного фонового излучения от КОП, изменение частоты повторения ЛИ, формирование разностного видеосигнала из сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения и его пороговую обработку, формирование композитного видеосигнала и его преобразование в оптический сигнал для наблюдения оператором.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести невысокую вероятность и эффективность правильного обнаружения приборов и средств наблюдения оптико-электронного типа, а также невозможность распознавания обнаруженных объектов и определение их принадлежности к ОЭ-приборам соответствующего класса. Эти недостатки обусловлены тем, что собственно обнаружение объекта - прибора ОЭ-типа - осуществляют посредством простой пороговой обработки принятого отраженного сигнала от КОП, т.е. на основании превышения принятого импульсного сигнала некоторого установленного уровня. При этом отраженный от КОП сигнал, превышающий фиксированный порог, может быть получен и от ряда объектов естественного происхождения, не принадлежащих к приборам ОЭ-типа, т.к. уровень отраженного сигнала на некоторой фиксированной длине волны лазерного излучения не может быть использован в качестве достоверного критерия принадлежности обнаруженного объекта к приборам ОЭ-типа. Различные аддитивные манипуляции с уровнем фонового излучения и формирование разностных сигналов также не приводят к повышению вероятности правильного обнаружения приборов и средств ОЭ-типа.

В качестве прототипа для устройства, реализующего способ, выбрано устройство, реализующее способ-прототип .

Достигаемым новым техническим результатом является повышение вероятности обнаружения и распознавания оптических и оптоэлектронных приборов и средств наблюдения и определение их принадлежности к известным классам ОЭ-приборов. Также достигается дополнительный положительный эффект - уменьшение возможности обнаружения предлагаемого устройства внешними наблюдателями, в т.ч. средствами обнаружения ОЭ-типа.

Указанный технический результат достигается следующим.

1. В способе, включающем зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучения (ЛИ) на длине волны 1 , прием отраженных сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения от КОП, преобразование принятого ЛИ в электрический сигнал, его пороговую обработку и определение дальности до обнаруженного ОЭСН,

прием сигналов естественного фонового излучения от КОП осуществляют перед зондированием КОП, в принятом естественном фоновом излучении от КОП измеряют спектральное распределение излучения, в измеренном спектральном распределении определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 основных спектральных компонент цветовой гаммы видимого диапазона длин волн, на длине волны 1 и на двух дополнительных длинах волн 2 , 3 , соответствующих интенсивностям W 1 , W 2 , W 3 и образующих в совокупности оптическое излучение белого цвета, генерируют пучки импульсного ЛИ на длинах волн 1 , 2 , 3 с соотношением интенсивностей пучков P 1 , P 2 , P 3 , соответствующим соотношению между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 основных спектральных компонент в спектральном распределении фонового излучения от КОП, формируют суммарный пучок ЛИ посредством оптического суммирования пучков на длинах волн 1 , 2 , 3 , измеряют его спектральное распределение, сравнивают со спектральным распределением естественного излучения от КОП и корректируют его до достижения равенства соотношений спектральных компонент суммарного пучка ЛИ и естественного фонового излучения от КОП на длинах волн 1 , 2 , 3 , далее осуществляют зондирование КОП сформированным пучком ЛИ и прием на длинах волн 1 , 2 , 3 и в широкой спектральной полосе = 3 - 1 , после преобразования принятого ЛИ в электрические сигналы и их пороговой обработки, измеряют уровни принятых оптических сигналов ЛИ, определяют величины показателей световозвращения (ПСВ) для трех длин волн и для полосы ДА, по ним формируют спектральный портрет ПСВ обнаруженного ОЭСН и сравнивают его с банком данных ПСВ, на основании сравнения осуществляют окончательное обнаружение ОЭСН и определение его принадлежности к известному типу ОЭСН (распознавание ОЭСН).

2. Определение показателей световозвращения (ПСВ) П i для каждой из используемых для подсвета контролируемого пространства (КОП) длин волн лазерного излучения i (i=1, 2, 3) осуществляют в соответствии со следующей формулой:

,

где E i - величина уровня принятого оптического сигнала, отраженного от КОП на длине волны i (1=1, 2, 3) зондирующего КОП ЛИ;

Величина энергии (мощности) зондирующего КОП ЛИ на длине волны i ;

Ni - расходимость пучка ЛИ на длине волны i (плоский угол);

L - измеренная дальность до обнаруженного объекта;

D пр - диаметр (действующий) приемного объектива реализующего способ устройства;

ОМТ - величина пропускания оптико-механического тракта реализующего устройства;

Атм - величина пропускания атмосферного тракта на соответствующей длине волны i .

3. Определение показателя световозвращения (ПСВ) П для широкой полосы длин волн = 3 - 1 зондирующего ЛИ осуществляют в соответствии со следующей формулой:

,

где E - величина уровня принятого оптического сигнала, отраженного от КОП, зарегистрированного широкополосным фотоприемником устройства, реализующего способ, в широкой полосе длин волн = 3 - 1 ;

P - суммарная величина энергии (мощности) ЛИ, зондирующего КОП ;

Ср, , атм ср - усредненные по длинам волн 1 , 2 , 3 величины расходимости ЛИ, пропускания оптико-механического тракта и пропускания атмосферы.

4. В устройство обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения, содержащее последовательно размещенные на оптической оси блок сканирования, первый лазерный генератор, работающий на первой длине волны 1 , первый объектив, оптический вход которого связан посредством оптического зеркала с оптическим входом блока сканирования, первый фотоприемник, оптический вход которого посредством первого оптического фильтра, первой линзы и второго оптического зеркала связан с оптическим выходом первого объектива, первый блок обработки информации, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, второй объектив, оптическая ось которого параллельна оптической оси блока сканирования,электрический вход которого подключен к первому блоку обработки информации, введены второй и третий лазерные генераторы, три управляемых оптических фильтра, оптический сумматор, оптический спектроанализатор, четыре фотоприемных блока, второй блок обработки информации, блок распознавания, первое и второе откидные зеркала, три фотоприемника, три оптических фильтра, четыре полупрозрачных зеркала и четыре оптических зеркала, а также четыре волоконно-оптических световода, при этом оптический вход оптического спектроанализатора связан с оптическим выходом второго объектива, оптический выход оптического спектроанализатора посредством волоконно-оптических световодов связан со входами четырех фотоприемных блоков, выходы которых подсоединены ко второму блоку обработки информации, оптический вход оптического сумматора через три управляемых оптических фильтра, полупрозрачное и оптическое зеркала связаны с соответствующими оптическими выходами первого, второго и третьего лазерных генераторов, выход оптического сумматора связан с оптическим входом блока сканирования, а посредством первого откидного зеркала, двух оптических зеркал и второго откидного зеркала оптически связан с оптическим входом оптического спектроанализатора, оптический выход первого объектива оптически связан с вновь введенными вторым, третьим и четвертым фотоприемниками посредством трех полупрозрачных зеркал, трех линз и трех оптических фильтров, выходы второго, третьего и четвертого фотоприемников подсоединены ко входам первого блока обработки информации, выходы которого подключены к блоку распознавания и второму блоку обработки информации, выходы которого подсоединены к управляющим входам первого, второго и третьего лазерных генераторов, первого, второго и третьего управляемых фильтров и первого и второго откидных зеркал.

5. Оптический спектроанализатор выполнен на основе оптической дифракционной решетки.

6. Блок распознавания выполнен на основе цифровой электронно-вычислительной машины, содержащей блок данных величин эталонных портретов спектральных показателей световозвращения (ПСВ).

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, где обозначены следующие элементы.

1 - Лазерный генератор, работающий на длине волны 1 (ЛГ)

2; 3 - Лазерные генераторы, работающие на длинах волн 2 и 3

4; 5; 6 - Управляемые оптические фильтры

7 - Оптический сумматор

8 - Блок сканирования

9 - Первый объектив

10; 11; 12; 13 - Фотоприемники

14; 15; 16; 17 - Линзы

18 - Первый блок обработки информации

19 - Второй объектив

20 - Оптический спектроанализатор

21; 22; 23; 24 - Фотоприемные блоки (ФП)

25 - Второй блок обработки информации

26 - Полупрозрачное зеркало

27; 28; 29 - Оптические зеркала

30 - Первое откидное зеркало

31 - Блок управления вторым откидным зеркалом

32 - Блок управления первым откидным зеркалом

33 - Второе откидное зеркало

34; 35 - Оптические зеркала

36; 37; 38 - Полупрозрачные зеркала

39 - Оптическое зеркало

40; 41; 42; 43 - Оптические фильтры

44 - Блок распознавания

45 - контролируемый объем пространства (КОП)

46 - оптико-электронный прибор (ОЭП)

47; 48; 49; 50 - волоконные оптические световоды.

В ограничительной части формулы изобретения на устройство присутствуют элементы, по сути и функциям общие с элементами устройства-прототипа, но имеющие разные наименования:

Первый блок обработки информации, функции которого в прототипе выполняет блок обработки видеосигналов;

Первый объектив, в прототипе входящий в состав видеокамеры;

Блок сканирования, в прототипе входящий в состав лазера и обеспечивающий зондирование КОП импульсным ЛИ.

При этом второй блок обработки информации является вновь введенным и выполняет новую функцию обработки оптических сигналов с выхода оптического спектроанализатора 20 (фиг.1).

Принцип действия способа заключается в следующем.

С помощью блока сканирования 8 (см. фиг.1) осуществляют зондирование КОП 45 импульсным ЛИ одновременно на трех длинах волн 1 , 2 , 3 , генерируемых лазерными генераторами (ЛГ) 1, 2, 3. Управление блоком сканирования осуществляют по сигналам, поступающим от первого блока обработки информации 18.

До зондирования КОП ЛИ осуществляют измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП 45. Для этого с помощью второго объектива 19, направленного на КОП, осуществляют непрерывный прием естественного фонового излучения. Принятое фоновое излучение поступает на вход оптического спектроанализатора 20, который осуществляет формирование спектрального распределения принятого излучения в виде, например, пространственного оптического распределенного сигнала.

Отдельные спектральные составляющие сформированного спектрального пространственного распределения с помощью волоконных световодов 47÷50 поступают с выхода оптического спектроанализатора 20 на входы фотоприемных блоков 21÷24, которые регистрируют уровни фонового излучения от КОП на длинах волн 1 2 3 - фотоприемные блоки 21÷23, а также регистрируют уровень суммарного фонового излучения в спектральном диапазоне = 3 - 1 (фотоприемный блок - 24). Информация об уровнях спектрального распределения фонового излучения на указанных длинах волн поступает на вход второго блока обработки информации 25. Измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП 45 осуществляют на трех фиксированных длинах волн 1 2 3 , которые выбирают соответствующими основным компонентам цветовой гаммы видимого диапазона длин волн, а именно: 1 - соответствует длине волны красного цвета, 2 - длине волны зеленого цвета, 3 - длине волны синего цвета. Соответственно 1 =0,7 мкм, 2 =0,54 мкм, 3 =0,43 мкм.

В настоящее время для указанных длин волн существуют источники лазерного излучения . Во втором блоке обработки информации 25 на основе уровней интенсивности сигналов с выходов фотоприемных блоков 21, 22, 23 определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент фонового излучения на выбранных длинах волн соответственно 1 2 3 . Далее в моменты времени генерации лазерного излучения с помощью лазерных генераторов поз.1, 2, 3 устанавливают соотношение между интенсивностями генерируемых лазерных импульсов соответственно на длинах волн 1 -P 1 (лазерный генератор 1 на фиг.1); 2 -P 2 и 3 -P 3, соответствующими соотношению между интенсивностями спектральных компонент на соответствующих длинах волн 1 2 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от контролируемого объема пространства КОП 45. При этом устанавливают следующее соотношение между величинами (интенсивностями) лазерных импульсов, генерируемых лазерными генераторами 1, 2, 3 на длинах волн 1 2 3: P 1 P 2 P 3 и интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент фонового излучения на длинах волн 1 2 3:

Управление величинами лазерных импульсов, генерируемых лазерными генераторами поз.1, 2, 3, осуществляют по командам от второго блока обработки информации 25, поступающим в лазерные генераторы, и сформированные на основании измерений уровней лазерного излучения от генераторов ЛИ с помощью фотоприемных блоков 21-24. Далее осуществляют оптическое суммирование трех лазерных импульсов - пучков лазерного излучения, генерируемых лазерными генераторами поз. 1, 2, 3 на фиг.1 с помощью оптического сумматора 7, на который поступает лазерное излучение с выходов указанных лазерных генераторов. Сформированное суммарное лазерное излучение на выходе оптического сумматора 7 содержит спектральные компоненты на трех длинах волн 1 2 3 в соотношении, соответствующем соотношению спектральных компонент в фоновом излучении КОП 45.

Далее осуществляют измерение спектрального распределения сформированного суммарного пучка лазерного излучения с выхода оптического сумматора 7 и сравнение его с измеренным спектральным распределением фонового излучения от контролируемого объема пространства. Для этого с помощью первого и второго откидных зеркал 30 и 33 сформированное излучение с выхода оптического сумматора 7 поступает на вход оптического спектроанализатора 20, осуществляющего формирование пространственного спектрального распределения, которое затем регистрируют на длинах волн 1 2 3 посредством фотоприемных блоков 21-23. Блоки 21-23 аналогично регистрируют спектральное распределение фонового излучения от КОП 45. Блок 24 регистрирует суммарный уровень излучения в некотором выбранном диапазоне длин волн = 3 - 1 . Во втором блоке обработки информации 25 осуществляют регистрацию спектрального распределения суммарного пучка ЛИ P 11 , P 21 , P 31 (с учетом ослабления в оптических элементах 7, 28, 29, 30, 33, 20, через которые проходит сформированное ЛИ). Далее измеренное распределение интенсивностей (амплитуд импульсов) сравнивают с ранее измеренным и запомненным в блоке информации 25 спектральным распределением интенсивности фонового излучения W 1 , W 2 , W 3 от КОП 45. По результатам этого сравнения осуществляют коррекцию спектрального пучка ЛИ до достижения равенства соотношений спектральных компонент P 11 , P 21 , P 31 на выходе оптического сумматора 7 соотношениям спектральных компонент W 1 , W 2 , W 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от КОП 45.

Коррекцию осуществляют с помощью управляемых оптических фильтров 4, 5, 6, на которые поступают управляющие сигналы с выхода второго блока обработки информации 25, раздельно для каждой длины волны 1 2 3 . Подстройку пропускания управляемых фильтров 4, 5, 6 раздельно по каждой длине волны осуществляют до точного достижения следующего равенства:

В результате осуществленной коррекции спектрального распределения сформированного суммарного пучка на выходе оптического сумматора 7 образуется пучок лазерного излучения на трех фиксированных длинах волн 1 2 3 , образующих цветовую гамму белого света, спектральное распределение которого на основных длинах волн 1 2 3 точно соответствует спектральному распределению (составу) данных длин волн в фоновом излучении от КОП. Сформированные в результате данной коррекции интенсивности лазерных пучков P 1 , P 2 , P 3 на соответствующих длинах волн 1 2 3 , измеренные фотоприемными блоками 21-23, а также величину P в спектральном диапазоне , измеренную блоком 24, запоминают во втором блоке обработки информации 25.

В результате в блоке обработки информации 25 запоминаются следующие величины энергии (или мощности) импульсов пучков ЛИ P ni , генерируемые лазерными генераторами, и приведенными к выходу блока сканирования 8:

, i=1, 2, 3; 1 ={ 1 ; 2 ; 3 ;},

где i - соответствующий корректирующий коэффициент для каждой длины волны i , связывающий величину энергии (мощности) ЛИ E i на соответствующей длине волны i , измеренной в ФП блоках 21÷24, с величиной энергии ЛИ на выходе блока сканирования 8, т.е. с величиной энергии (мощности) ЛИ, излученной в направлении КОП 45. Данные измеренные величины далее будут использованы для определения параметров спектрального портрета показателей световозвращения обнаруженного объекта-ОЭП поз.46 в КОП 45. Корректирующие коэффициенты i являются фиксированными техническими параметрами устройства и определяются соответствующими коэффициентами пропускания j оптических зеркал, блока сканирования 8 и спектроанализатора 20, волоконных световодов 47÷50 на соответствующих длинах волн:

,

где j - пропускание соответствующего оптического элемента соответствующей позиции на фиг.1 на длине волны i . Например, 8 - пропускание блока сканирования 8. Пропускание зеркал 28, 29 выбрано достаточно малым для ослабления излучения с выхода оптического сумматора 7 до уровня чувствительности фотоприемных блоков 21-24. Далее этот сформированный суммарный пучок ЛИ поступает на блок сканирования 8, с помощью которого осуществляют зондирование контролируемого объема пространства сканируемым импульсным излучением на трех длинах волн 1 2 3 одновременно. На этой стадии откидное зеркало 30 не участвует в работе оптического канала. Далее осуществляют прием оптического излучения, отраженного от КОП 45 с помощью первого объектива 9 и преобразование принятого излучения в электрические сигналы посредством фотоприемников поз.10-12 (фиг.1), каждый из которых работает на соответствующей длине волны 1 2 3 . Фотоприемник поз.13 регистрирует излучение в широкой спектральной полосе = 3 - 1 . Перед каждым из фотоприемников поз.10-12 установлены спектральные узкополосные фильтры (например интерференционные), на соответствующую длину волны 1 - 3 , поз.40-43. Перед фотоприемником 13 установлен оптический фильтр 43 нейтрального типа с широкой полосой пропускания . Далее электрические сигналы с выходов фотоприемников 10-13 поступают в первый блок обработки информации 18, в котором осуществляют пороговую обработку каждого из электрических сигналов для соответствующих фиксированных длин волн 1 ÷ 3 (фотоприемники 10-12), а также сигнала с выхода фотоприемника 13 для широкой спектральной полосы = 3 - 1 . Пороговая обработка заключается в сравнении уровня (амплитуды) i импульсного сигнала с соответствующего фотоприемника 10-13 с пороговым уровнем Пi , установленным для данной длины волны i = 1 , 2 , 3 , или с пороговым уровнем П , установленным для широкой спектральной полосы приема . Решение об обнаружении объекта в виде бликующего оптического или оптико-электронного прибора предварительно принимают при условии превышения установленного порогового уровня хотя бы для одной из длин волн 1 , 2 или 3 на выходе одного из фотоприемников поз.10-12, или при превышении установленного порогового уровня П сигналом с выхода фотоприемника 13, работающего в широкой спектральной полосе приема :

Установление пороговых уровней i в каждом из спектральных каналов приема на длинах волн 1 , 2 , 3 осуществляют до приема излучения, отраженного от КОП 45, а также устанавливают пороговый уровень П в суммарном спектральном канале с широкой спектральной полосой приема излучения = 3 - 1 , регистрируемого фотоприемником 13.

Пороговые уровни устанавливают в соответствии с чувствительностью используемых фотоприемников поз.10-13, работающих на указанных дискретных длинах волн 1 , 2 , 3 , и в широком диапазоне - фотоприемник 13. Пороговые уровни устанавливают программно в первом блоке обработки информации 18 в соответствии со следующими условиями:

где K 1 - требуемое отношение сигнал/шум, которое для обеспечения, например, вероятности правильного обнаружения р=0,99 выбирают равным K 1 =3; - чувствительность фотоприемника на длине волны i i=1, 2, 3, или фотоприемника 13, работающего в широком спектральном диапазоне .

Данная чувствительность представлена здесь в виде уровня мощности (или энергии) импульсного светового излучения на входе фотоприемника 11-13 на соответствующей длине волны i или в диапазоне длин волн , при которой на выходе фотоприемника образуется электрический сигнал, равный по амплитуде уровню собственных шумов ш данного фотоприемника, т.е. реализуется величина отношения сигнал/шум, равная единице.

После предварительного обнаружения объекта в каком-либо из спектральных каналов i , или в широкополосном канале приема (ФП 13), осуществляют измерение дальности L до обнаруженного объекта в соответствии со стандартной процедурой определения дальности по времени задержки 1 импульса приема относительно момента излучения лазерного импульса зондирования КОП 45:

где C - скорость света.

Далее в каждом из спектральных каналов приема 1 , 2 , 3 , (ФП 10-13) осуществляют измерение уровня принятого оптического сигнала E i относительно уровня чувствительности, соответствующего ФП поз.1-13 , выраженной в энергетических единицах.

Для этого в первом блоке обработки информации 18 при регистрации электрических сигналов с выходов ФП 10-13 определяют путем оцифровки уровень (амплитуду) электрического сигнала E Эi с выхода каждого ФП 10-13 и определяют для каждого спектрального канала приема отношение K ПШi - сигнал/шум, равное отношению , где E опрi - запомненный в блоке 18 уровень собственного шумового сигнала данного ФП 10-13, соответствующий уровню энергии (мощности) входного оптического сигнала для этого ФП, равный , т.е. уровню энергетической чувствительности данного ФП. Далее уровень принятого оптического сигнала на входе ФП E i и E определяют по формуле:

где в последней формуле определен уровень входного сигнала в широкополосном канале приема (ФП 13).

показателей световозвращения (ПСВ) Пi для данного обнаруженного объекта, сигнал от которого превысил установленный пороговый уровень в одном или нескольких каналах приема ( 1 ÷ 3 , ).

Измерение показателей световозвращения i=1, 2, 3, П i , осуществляют в первом блоке обработки информации 18 на основе указанных измеренных величин уровней принятого сигнала в каждом из четырех каналов приема (ФП 10-13), на основании измерений, а также с использованием величин уровней лазерных импульсных сигналов, генерируемых лазерными генераторами 1-3 и измеренных фотоприемными блоками поз.21-24 (P 1 , P 2 , P 3). Между первым и вторым блоками обработки информации осуществляется постоянный обмен информацией по связывающей их линии связи.

Измеренные величины показателей световозвращения (ПСВ) на трех длинах волн, а также ПСВ для широкой спектральной полосы П образуют некоторый спектральный портрет {П i ; П } ПСВ отраженного сигнала от КОП для данного фиксируемого положения визирной оси блока сканирования 8 и фиксированного момента времени, при которых получены отраженные импульсы оптического излучения, электрические сигналы от которых на выходах ФП 10-13 превысили установленные пороговые уровни в первом блоке обработки информации 18.

Данный полученный спектральный портрет показателей световозвращения (ПСВ) П i , П используют далее для более точного обнаружения и окончательного определения наличия в КОП 45 прибора оптического или оптоэлектронного типа (для данного положения в пространстве визирной оси блока сканирования 8). При этом полученный спектральный портрет ПСВ позволяет определить принадлежность обнаруженного оптоэлектронного прибора к некоторому классу оптических приборов, например, определить наличие оптико-электронного прибора наблюдения с телевизионной камерой, оптического прицела или наличие наблюдателя с биноклем или стереотрубой.

Указанные ОЭ-приборы и приборы наблюдения имеют существенно различающиеся спектральные портреты ПСВ в видимом или ближнем ИК-диапазоне. Для осуществления распознавания обнаруженного объекта в КОП 45 по измеренному спектральному портрету ПСВ {П i ; П } информацию о величине ПСВ с выхода первого блока обработки информации 18 направляют на вход блока распознавания 44, где осуществляют сравнение полученного и измеренного спектрального портрета ПСВ {П i ; П } с банком данных спектральных портретов ПСВ различных типов оптических и оптико-электронных приборов. По результатам сравнения осуществляют определение принадлежности обнаруженного оптического или ОЭ-прибора к соответствующему классу оптических приборов известного типа.

Информация о результатах сравнения передается потребителю и отображается на дисплее блока 44. На этом цикл зондирования КОП 45 и обнаружения и опознавания оптических и ОЭ приборов, находящихся в КОП, завершен.

Определение спектрального портрета показателей световозвращения осуществляют в первом блоке обработки информации 18 следующим образом.

Определение ПСВ П i осуществляют на основе известной формулы лазерной локации , определяющей связь между энергией (мощностью) импульсного лазерного излучения , сформированного лазерным генератором на соответствующей длине волны i и излученного в направлении КОП 45, с величиной энергии E i принятого импульсного излучения от КОП на соответствующей длине волны i и ряда параметров, характеризующих среду распространения, отражающий объект в КОП, а также ряд геометрических и оптических параметров приемных каналов устройства, реализующего способ:

где ni - расходимость ЛИ на длине волны i совпадает с расходимостью ЛИ на выходе соответствующего лазерного генератора (1, 2, 3), которая известна из паспортных данных на используемые лазерные генераторы поз.1, 2, 3, или может быть получена из измерений;

L - дальность до отражающего объекта в КОП 45;

S об - площадь объекта, эффективно отражающая ЛИ на длине волны i с расходимостью обратной диаграммы направленности об и коэффициентом отражения на длине волны i отр;

D пр - диаметр приемного объектива поз.9 фиг.1 в приемном устройстве, реализующем способ;

П - полный коэффициент пропускания лазерного излучения на длине волны i , включающий следующие составляющие:

П = ОМТ · атм, где

ОМТ - пропускание оптико-механического тракта устройства, реализующего способ на фиг.1 в передающей и приемной частях устройства, (при условии, если в измерениях энергии излученного и принятого от объекта импульсов ЛИ не учтены пропускания оптико-механического тракта. В противоположном случае омт =1).

Атм - коэффициент пропускания атмосферного тракта в прямом и обратном распространении зондирующего лазерного излучения на дальности до объекта L.

Данный коэффициент пропускания атмосферы на двойной дальности до объекта 2L определяют в соответствии со следующей оценочной формулой:

Где показатель ослабления атмосферы

L MDB - метеорологическая дальность видимости, определяемая из известных метеорологических таблиц .

Таким образом, в представленной формуле лазерной локации (8) наряду с параметрами, отражающими характеристики объекта, все остальные параметры являются известными или определены и измерены в результате работы устройства, реализующего способ: L - измеренная дальность до объекта; , E i - измеренные мощности (энергии) (3) в излучаемом и принятом импульсе ЛИ на длинах волн i , i=1, 2, 3,

Величина L MDB вводится априорно оператором на основании известных таблиц и исходя из визуальной оценки атмосферных условий и времени суток в период действия устройства, реализующего способ. Фотоприемники поз.10-13 на фиг.1 регистрируют энергию (уровень) принятых импульсных сигналов ЛИ, отраженных от КОП, на соответствующих длинах волн ЛИ, а также в широкой полосе длин волн, и преобразуют уровень этих сигналов в электрическую форму. В электрической форме информация об уровнях принятых сигналов ЛИ поступает с выходов фотоприемников 10-13 на входы первого блока обработки информации 18.

В формуле (8) величина

по определению является показателем световозвращения наблюдаемого и освещаемого лазерным излучением объекта на длине волны i . Все составляющие, входящие в данную величину (10), обусловлены собственными отражательными характеристиками объекта. Отсюда на основании формулы (8), измеренных параметров L, E i , . и известных параметров ni , D пр, ОМТ и параметра атм, определенного по формуле (9), определяют спектральный показатель световозвращения ПСВ для каждой из используемых длин волн i i=1, 2, 3, в соответствии со следующим соотношением для П i , получаемым из формул (8-10):

где атм из формулы (9).

Для широкого спектрального диапазона длин волн = 3 - 1 величину показателя световозвращения ПСВ=П определяют на основании следующей формулы (11-2), в которой вместо E i подставляют величину E энергии (мощности) импульса ЛИ, зарегистрированного широкополосным фотоприемником поз.13 в диапазоне ; в качестве величины энергии (мощности) ; в качестве величин ; ОМТ и атм подставляют их усредненные по длине волны значения ср; ОМТ ср; атм ср.

Совокупность измеренных величин спектральных показателей световозвращения для трех длин волн и суммарной полосы образуют спектральный портрет показателя световозвращения {П }П i для одного акта освещения элемента (наблюдаемой точки) КОП 45 трехволновым зондирующим излучением.

Таким образом, в первом блоке обработки информации 18 для каждого излученного и принятого от КОП 45 импульса ЛИ на трех длинах волн определяют величину показателей световозвращения ПСВ на соответствующих длинах волн i , из совокупности длин волн { i } лазерных излучений, которыми осуществляют зондирование КОП, и для широкой полосы .

На основании полученных значений совокупности величин показателя световозвращения образуют спектральный портрет ПСВ для одного акта зондирования КОП лазерным излучением на трех длинах волн для одного конкретного фиксированного направления в пространстве визирной оси блока сканирования 8. Полученная величина спектрального портрета ПСВ заносится в память первого блока обработки информации 18. Далее блок сканирования 8 переключает (направляет) свою визирную ось в другую (соседнюю) точку пространства (КОП 45), которую освещают трехволновым лазерным излучением, принимают отраженное от КОП излучение, измеряют уровни отраженного и принятого сигналов на длинах волн 1 ÷ 3 и определяют спектральный портрет ПСВ по формулам (11), (11-2), величины которого заносят в память первого блока обработки информации 18. Таким образом, в результате зондирования КОП ЛИ на трех длинах волн для каждого направления в пространстве от точки расположения устройства, реализующего способ, в сторону КОП и для каждой точки (локальной) зоны наблюдения КОП измеряют и образуют величину спектрального портрета ПСВ (если в этой точке принятым сигналом хотя бы на одной длине волны i превышен установленный в блоке 18 порог обнаружения). Операция сравнения измеренных спектральных портретов ПСВ с базой данных в блоке распознавания 44 позволяет осуществить более точное обнаружение приборов оптического и ОЭ типа, имеющих конкретные значения спектрального портрета ПСВ, а также осуществить распознавание обнаруженного оптико-электронного прибора - определить его принадлежность к конкретному классу оптических приборов, эталонные значения спектральных портретов ПСВ которых хранятся в базе данных - в блоке памяти блока распознавания 44.

Сравнение измеренного спектрального портрета ПСВ осуществляют следующим образом.

Осуществляют поэлементное сравнение величин показателя световозвращения в измеренном спектральном портрете ПСВ и в эталонном спектральном портрете ПСВ отдельно для каждой из трех длин волн i i=1÷3 и диапазона , и формируют разностный спектральный портрет

где - величина показателя световозвращения некоторого эталонного спектрального портрета эталонного оптико-электронного прибора для фиксированной длины волны i , - эталонная величина ПСВ для диапазона .

Далее на основании измеренного разностного спектрального портрета R (12) определяют параметр соответствия F между измеренным спектральным портретом и эталонным спектральным портретом по формуле:

Далее указанное сравнение измеренного спектрального портрета ПСВ осуществляют для всех эталонных спектральных портретов П Э, хранящихся в базе данных - блоке памяти блока распознавания 44, и формируют величины разностных портретов R i (12) и параметров соответствия F j (13) для каждого из эталонов в базе данных блока 44 (j=1÷N).

При этом формируют массив величин соответствия {F j ; j=1÷N} (14).

Далее из сформированного массива величин соответствия (14) выбирают от одного до трех величин F j , имеющих минимальное значение из всех остальных величин F j измеренного массива F j (14). При этом определяют указанные три минимальных величины соответствия F j =min{F j j=1÷N} (15) j=ja 1 ; ja 2 ; ja 3 , по которым судят о принадлежности обнаруженного оптико-электронного прибора к соответствующему классу приборов оптико-электронного типа.

В предлагаемом способе обнаружения оптических и оптоэлектронных средств зондирование КОП 45 осуществляют одновременно на трех длинах волн 1 ÷ 3 . При этом ЛИ на трех длинах волн формируют в видимом диапазоне длин волн, а длины волн выбраны соответствующими основным компонентам цветовой гаммы видимого диапазона, обеспечивающие восприятие наблюдателем суммарного длинноволнового излучения { 1 , 2 , 3 }, как излучения белого цвета. При этом длины волн трех лазерных генераторов (поз.1÷3) и их исходные интенсивности равны следующим величинам:

Лазерный генератор (ЛГ) поз.1 фиг.1 генерирует излучение красного цвета (R) с длиной волны 1 =0,7 мкм с интенсивностью светового потока в одном импульсе ЛИ P 1 , например, равной одному люмену (лм).

Лазерный генератор поз.2 генерирует излучение зеленого цвета (G), с длиной волны 2 =0,5 мкм и интенсивностью светового потока P 3 =4,59 в условных единицах, например люменах, относительно ЛИ ЛГ поз.1, генерирующего излучение 1 красного цвета.

ЛГ поз.3 генерирует излучение синего цвета (В) с длиной волны 3 =0,43 мкм и интенсивностью светового потока в указанных единицах относительно излучения ЛГ поз.1, равного P 3 =0,06. Данное указанное соотношение между световыми потоками P i i=1, 2, 3, генерируемыми ЛГ 1÷3, является исходным и устанавливается путем выбора соответствующих уровней накачки используемых ЛГ. При этом указанное соотношение между интенсивностями световых потоков ЛГ P 1:P 2:P 3 =P R:P G:P B =1:4,59:0,06 обеспечивает восприятие суммарного светового потока (суммарного лазерного импульса) как излучения белого цвета. Следует отметить, что восприятие суммарного излучателя как белого цвета будет иметь место при наблюдении данного излучения как наблюдателем с пассивным наблюдением, например, с использованием бинокля, так и при приеме (наблюдении) суммарного излучения с помощью оптоэлектронных средств с широкополосным спектральным фотоприемником видимого диапазона. Указанное соотношение интенсивностей излучений ЛГ и длин волн выбрано в соответствии с известной колориметрической теорией смешения спектральных цветов .

Согласно предложенному способу при генерации ЛИ на трех длинах волн тремя различными ЛГ 1÷3 устанавливают соотношение между интенсивностями генерируемых лазерных пучков P 1 , P 2 , P 3 , соответствующими измеренному соотношению между интенсивностями W 1:W 2:W 3 спектральных компонент на указанных выбранных трех длинах волн 1 , 2 , 3 в измеренном спектральном распределении фонового излучения от контролируемого объема пространства. При этом уровень накачки ЛГ 1÷3 предварительно уже выбран в соответствии со стандартным отношением интенсивностей цветовых излучений в трехцветной колориметрической цветовой гамме .

Поэтому при выполнении этой операции осуществляют лишь небольшую подстройку уровня накачки ЛГ 1-3 до получения соотношения между интенсивностями генерируемых лазерных пучков в первом приближении соответствующими измеренному соотношению между интенсивностями W 1:W 2:W 3 спектральных компонент в измеренном фоновом излучении от КОП 45. Последующая коррекция спектрального распределения суммарного светового потока с помощью управляемых светофильтров 5, 6, 4 позволяет обеспечить точное соответствие спектрального распределения генерируемого суммарного трехдлинноволнового излучения спектральному рапределению естественного измеренного фонового излучения на указанных основных (цветовых) длинах волн. Использование для зондирования контролируемого объема пространства 45 трехдлинноволнового излучения со спектральным распределением, соответствующим спектральному распределению естественного фонового излучения от КОП, обеспечивает следующие преимущества предложенного способа.

Фоновое излучение от КОП при его приеме фотоприемниками 10, 11, 12, работающими в участках спектра со средними длинами волн 1 , 2 , 3 не вносит искажений в отношение интенсивностей (уровней) принятых оптических сигналов в соответствующих спектральных каналах приема, так как в этих каналах приема уровень фонового излучения пропорционален уровню излучения подсвета КОП на соответствующих длинах волн и соответственно уровню принятого отраженного от КОП оптического сигнала. При этом при регистрации отраженного от КОП излучения соотношение между уровнями принятых оптических сигналов (излучений) на различных длинах волн 1 , 2 , 3 не изменяются в зависимости от уровней фонового излучения на этих длинах волн 1 , 2 , 3 , а определяются только параметрами (характеристиками) спектрального портрета показателей световозвращения на 1 , 2 , 3 от обнаруженного объекта, что позволяет обеспечить более точное распознавание и обнаружение оптико-электронных приборов (ОЭП) при различных уровнях фонового излучения в различное время суток.

Следует отметить, что уровень фоновой облученности и его спектральный состав - соотношение между основными (базовыми) спектральными компонентами - в значительной степени изменяются в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, времени суток и т.п. (см., например, стр.283, табл.15 - цветовая температура естественной освещенности в зависимости от высоты Солнца над горизонтом). Поэтому предложенный способ обнаружения ОЭП с использованием зондирования КОП трехдлинноволновым ЛИ со спектральным распределением, соответствующим спектральному распределению фонового естественного излучения, позволяет обеспечить высокоточное измерение (определение) спектрального портрета показателя световозвращения в любое время суток независимо от характера и спектрального распределения естественного внешнего фонового излучения. Уменьшение влияния распределения фонового излучения при регистрации принятого оптического сигнала, отраженного от КОП на трех длинах волн можно продемонстрировать следующим образом.

Регистрируемый оптический сигнал в электрической форме на выходах фотоприемников 10, 11, 12 J i i=1, 2, 3 можно представить в следующем виде:

,

где P u1 , P u2 , P u3 - интенсивности лазерных излучений для подсвета КОП, генерируемые лазерными генераторами и излученные на соответствующих трех длинах волн, 1 , 2 , 3 , - коэффициенты преобразования, связывающие уровень (амплитуду) излученных импульсов ЛИ с величиной принятого сигнала в соответствии с соотношением (8), а также учитывающие чувствительность и передаточные характеристики фотоприемников; e 1 , e 2 , e 3 - уровень естественного фонового излучения на соответствующей длине волны ЛИ (i=1, 2, 3), представленный в форме электрического (шумового) сигнала на выходе соответствующего фотоприемника поз.10-13 на фиг.1.

В величине i i=1÷3 содержится величина измеряемого ПСВ (11), а также ряд известных параметров, определяемых конструкцией устройства, реализующего способ, например, диаметр объектива 9.

В соответствии с измеренным уровнем спектрального распределения фонового излучения и интенсивностями P u1 , P u2 , P u3 величины J 1,2,3 (16) можно представить в следующей форме:

,

где n 2 , n 3 - известные и измеренные в блоке 25 величины соотношений между спектральными компонентами в фоновом излучении: W 1:W 2:W 3 =e 1:n 2 e 1:n 3 e 1, полученные при условии принятия величины e 1 за единицу отсчета (базовый уровень фона) при определении соотношений между спектральными составляющими фонового излучения: . W 1:W 2 =1:n 2

Соответственно, имеем аналогичные соотношения и для интенсивности излучений ЛГ P ui i=1, 2, 3, установленных в тех же пропорциях, что и W 1:W 2:W 3 . Из соотношений (17) видно, что при увеличении фоновой составляющей, например,на второй длине волны в n 2 раз относительно фоновой составляющей на первой длине волны уровень интенсивности освещающего КОП ЛИ на этой второй длине волны также увеличивается в n 2 раз и влияние изменения уровня фона на соотношение измеряемых принятых сигналов на первой и второй длинах волн уменьшается, или исключается, таким образом, реализуется автоматическая компенсация изменения уровня фона соответствующим увеличением уровня интенсивности освещающего КОП 45 ЛИ на этой длине волны. Отношение сигнал/шум(фон) в (17) одинаково для всех трех длин волн (при равных величинах 1 = 2 = 3), следовательно, фоновое излучение будет вносить одинаковые погрешности в измерение уровней пришедших сигналов и в измеренные ПСВ на всех трех длинах волн, и не будет вносить дополнительных ошибок в отношение измеренных значений ПСВ на трех длинах волн, что важно для получения достоверной информации о спектральном портрете ПСВ.

При одинаковых параметрах отражательных характеристик объекта на трех длинах волн 1 = 2 = 3 , (тест-объект), имеем соотношение J 1:J 2 равным , не зависящим от уровня фонового излучения e 1 , e 2 , e 3 , меняющегося в течение суток. Аналогично . Напомним здесь n 2 и n 3 - измеренные относительные величины фоновых составляющих на второй и третьей длинах волн относительно фоновой составляющей на первой длине волны, принятой за единицу (за базовый уровень отсчета величины фона), e 1 , e 2 , e 3 - уровни фона на соответствующих длинах волн 1, 2, 3, представленные в электрических сигналах, зарегистрированных на выходах соответствующих фотоприемников поз.10-13.

Таким образом, измерение соотношений между величинами 1 , 2 , 3 при принятии и регистрации оптического сигнала, отраженного от КОП, обеспечено в предложенном способе с уменьшением влияния действующего на момент осуществления измерений ПСВ естественного спектрального распределения фонового излучения от КОП. Следует отметить, что измерение спектрального распределения фонового излучения от КОП с помощью оптического спектроанализатора 20 и фотоприемных блоков 21-24 осуществляют в районе выбранных длин волн 1 , 2 , 3 , в некоторых спектральных поддиапазонах 1 , 2 , 3 , причем длины волн 1 ÷ 3 расположены в середине указанных диапазонов. В первом блоке обработки информации 18 после регистрации электрических сигналов J i (17) с выходов фотоприемников 10÷12 осуществляют компенсацию аддитивных фоновых составляющих e 1 , e 2 , e 3 в зарегистрированных электрических сигналах J i . Для этого осуществляют определение (оценку) уровня фоновой составляющей e 2 , являющейся наиболее интенсивной спектральной составляющей естественного фонового излучения на длине волны 2 (G - зеленого цвета). Оценку уровня данной фоновой составляющей осуществляют с помощью оптического спектроанализатора 20 и соответствующего фотоприемного блока 22, работающего на длине волны 2 . При этом, как было отмечено ранее, фотоприемный блок 22 осуществляет оценку уровня W 2 естественного фонового излучения на длине волны 2 в некотором диапазоне . Информация об этой величине W 2 уровня фоновой засветки на длине волны 2 , представляющая некоторую усредненную величину фона на 2 за некоторое время усреднения, поступает в первый блок обработки информации 18, где на основании величины W 2 формируют среднюю оценку величины фоновой составляющей e 2 (на 2), которую в блоке 18 вычисляют на основании имеющейся информации о полосе спектральной чувствительности фотоприемника 11 на 2 или о полосе пропускания интерференционного спектрального фильтра 44. Собственно чувствительность фотоприемника 11, а также информация о диаметре приемного первого объектива 9 и пропускании оптического тракта на длине волны 2 имеются в блоке 18. Далее осуществляют собственно компенсацию фоновой составляющей в зарегистрированном сигнале J 2 путем вычета в первом блоке обработки информации 18 из величины J 2 полученной оценки фоновой составляющей фоновых составляющих осуществляют на основании полученной оценки средней величины фоновой составляющей для длины волны 2 на основании следующих соотношений:

где n 2 и n 3 - в соответствии с (17), как было указано, являются известными и ранее измеренными в блоке 25 величинами соотношений между спектральными компонентами в измеренном естественном фоновом излучении. Аналогичным образом осуществляют и компенсацию фона в сигнале, зарегистрированном на выходе фотоприемника 13, работающего в широкой спектральной полосе.

Компенсация фонового излучения в зарегистрированных сигналах J i позволяет повысить точность определения распределения спектрального портрета ПСВ и осуществить более точное определение принадлежности обнаруженного ОЭ-прибора к конкретному классу аналогичных приборов.

Важным преимуществом, достигаемым в результате реализации предложенного способа, является обеспечение скрытности работы предложенного устройства обнаружения ОЭС. Это обеспечивается тем, что, как было указано выше, восприятие излучения, зондирующего КОП внешним сторонним наблюдателем, реализуется как короткая вспышка белого цвета, совпадающая по спектральному ощущению с фоновым естественным излучением в контролируемом объеме пространства, действующим в соответствующий момент времени наблюдения и действия устройства обнаружения при конкретном времени суток и высоты над горизонтом естественных источников излучения - Солнца или Луны. Поэтому излучение предлагаемого устройства будет воспринято внешним наблюдателем как случайный блик от пассивного отражателя - стекла или металлического предмета, отражающего естественное фоновое излучение, а работа устройства, как действующего обнаружительного зондирующего лазерного комплекса, не будет обнаружена. Аналогично ОЭС разведки с широкополосными оптическими фотоприемниками будут воспринимать излучение предлагаемого устройства как отражение естественного источника света от пассивного отражателя, а не как работу лазерного зондирующего комплекса. Следовательно, при работе предлагаемого способа и реализующего его устройства обеспечивается скрытность работы устройства в любое время суток и высоте естественного источника света над горизонтом.

В базе данных блока распознавания 44 хранятся эталонные спектральные портреты ПСВ различных ОЭ приборов и ОЭС наблюдателя, полученные экспериментальным (или расчетным) путем для различных базовых (основных) спектральных длин волн 1 - 3 видимого диапазона и широкой полосы длин волн , полученные для различных высот над горизонтом естественных источников света для разного времени суток или различных сезонов года (лето, зима и т.п.). При этом, как было отмечено, распознавание типа ОЭ-прибора осуществляют как на основании формирования разностного портрета спектральных ПСВ, так и на основании сравнения соотношений между отдельными спектральными составляющими ПСВ в измеренном спектральном портрете ПСВ от обнаруженного объекта ОЭ-прибора и в эталонном ПСВ из базы данных блока 44.

3 - за одно измерение - по одному отсчету принятого уровня отраженного оптического сигнала от КОП, зарегистрированного фотоприемником 13. Данный измеренный ПСВ по сигналу от фотоприемника 13 (интегральный ПСВ) совместно со спектральным портретом ПСВ на длинах волн 1 , 2 , 3 позволяет более точно идентифицировать обнаруженный объект 46 КОП, как ОЭ-прибор соответствующего известного типа (класса) оптических приборов.

Предложенное устройство обнаружения ОЭ-приборов реализовано на базе стандартных блоков и узлов. Первый и второй блоки обработки информации 18, 25 выполнены на основе стандартных электронно-вычислительных машин (ПК) и снабжены специальным программным обеспечением, обеспечивающим регистрацию и обработку поступающих электрических сигналов с выходов фотоприемников и фотоприемных блоков, измерение уровней соответствующих электрических сигналов, формирование пороговых уровней и выполнение других операций над поступающими сигналами, в соответствии с вышеприведенными операциями способа. Кроме того, второй блок обработки информации 25 осуществляет управление работой лазерных генераторов и управляемых фильтров, а также управление установлением в оптический тракт первого и второго откидных зеркал. Первый блок обработки информации 18 осуществляет также управление работой блока сканирования 8 и вырабатывает необходимые для управления блоком сканирования управляющие электрические сигналы.

Блок распознавания поз.44 представляет собой специализированную электронно-вычислительную машину (ПК) и осуществляет определение (расчет) по приведенным формулам показателей световозвращения (ПСВ) наблюдаемого и обнаруженного объектов в КОП для трех длин волн, определение (расчет) ПСВ (в полосе ) и формирование портрета ПСВ, а также распознавание обнаруженного объекта путем сравнения его измеренных величин ПСВ и величин эталонных ПСВ, хранящихся в специальных регистрах памяти блока распознавания 44.

Оптический спектроанализатор 20 может быть выполнен на базе любого известного оптического спектрального прибора (спектрографа), например, на основе высокоразрешающей дифракционной решетки . Фотоприемные блоки поз.21-24 осуществляют регистрацию интенсивностей спектрального распределения естественного фонового излучения от КОП, принятого объективом 19, на фиксированных длинах волн 1 , 2 , 3 , а также в широком спектральном диапазоне. Выходы оптического спектроанализатора 20 оптически соединены с фотоприемными блоками 21-24 с помощью волоконно-оптических световодов 47-50. Первое и второе откидные зеркала 30, 33 механически соединены с блоками управления 32, 31, представляющими собой, например, шаговые двигатели, управляемые программно от блока обработки информации. Блок сканирования 8 выполнен на основе управляемой акустооптической ячейки, или на основе отражательного зеркала, вращаемого с помощью шагового электродвигателя, управляемого по сигналам от первого блока обработки информации 18.

Таким образом осуществление подсвета КОП 45 лазерным излучением одновременно на нескольких длинах волн позволяет реализовать следующие преимущества: 1. Обеспечивает измерение ПСВ наблюдаемого в КОП объекта на нескольких длинах волн. 2. Обеспечивает получение спектрального портрета ПСВ объекта, по которому реализуется увеличение вероятности обнаружения и распознавания объекта в КОП, увеличение достоверности отнесения обнаруженного объекта к известному классу ОЭ приборов, уменьшение влияния фонового излучения на величины измеренных ПСВ и более точное измерение ПСВ, что повышает вероятность обнаружения и распознавания ОЭСН. Измерение ПСВ в широком диапазоне длин волн позволяет получить дополнительную информацию об отражательных характеристиках наблюдаемого объекта, получаемую непосредственно одним фотоприемником, что дополняет информацию, получаемую отдельными узкоспектральными фотоприемниками и в совокупности обеспечивает повышение вероятности распознавания ОЭ приборов в реальных условиях.

Источники информации

Патент РФ № 2133485 от 07.1998 г. «Способ обнаружения средств оптического и оптоэлектронного типа».

Патент РФ № 2223516 от 07.2002 г. «Способ обнаружения глаз людей и животных».

Патент РФ № 2278399 от 16.06.2004 г. «Способ обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения и устройство для его осуществления» (прототип).

Справочник по лазерной технике под ред. А.П. Напартовича, М.: Госэнергоиздат, 1991 г.

Сигналы и помехи в лазерной локации. В.М. Орлов и др., под ред. В.Е. Зуева, М.: Радио и связь, 1985 г.

В.В. Шаронов «Свет и цвет», М.: Госфизматлит, 1961 г.

М. Борн, Э. Вольф «Основы оптики», М.: Наука, 1973 г.

Патент РФ № 2380834 от 23.06.2008 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения (ОЭСН), включающий зондирование контролируемого объема пространства (КОП) сканируемым импульсным лазерным излучением (ЛИ) на длине волны 1 , прием отраженных сигналов ЛИ и сигналов естественного фонового излучения от КОП, преобразование принятого ЛИ в электрический сигнал, его пороговую обработку, обнаружение ОЭСН и определение дальности,

отличающийся тем, что прием сигналов естественного фонового излучения от КОП осуществляют перед зондированием КОП, в принятом естественном фоновом излучении от КОП измеряют спектральное распределение излучения, в измеренном спектральном распределении определяют соотношение между интенсивностями W 1 , W 2 , W 3 спектральных компонент, на длине волны 1 и на двух дополнительных длинах волн 2 , 3 , соответствующих интенсивностям W 1 , W 2 , W 3 , генерируют пучки импульсного ЛИ на длинах волн 1 , 1 , 1 , i . 1 , зарегистрированного широкополосным фотоприемником устройства, реализующего способ; 1 , 2 , 3 величины расходимости ЛИ, пропускания оптико-механического тракта и пропускания атмосферы.

4. Устройство обнаружения оптических и оптико-электронных средств наблюдения, содержащее последовательно размещенные на оптической оси блок сканирования, первый лазерный генератор, работающий на первой длине волны 1 , первый объектив, оптический вход которого связан посредством оптического зеркала с оптическим входом блока сканирования, первый фотоприемник, оптический вход которого посредством первого оптического фильтра, первой линзы и второго оптического зеркала связан с оптическим выходом первого объектива, первый блок обработки информации, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, второй объектив, оптическая ось которого параллельна оптической оси блока сканирования, электрический вход которого подключен к первому блоку обработки информации, отличающееся тем, что введены второй и третий лазерные генераторы, три управляемых оптических фильтра, оптический сумматор, оптический спектроанализатор, четыре фотоприемных блока, второй блок обработки информации, блок распознавания, первое и второе откидные зеркала, три фотоприемника, три оптических фильтра, четыре полупрозрачных зеркала и четыре оптических зеркала, а также четыре волоконно-оптических световода, при этом оптический вход оптического спектроанализатора связан с оптическим выходом второго объектива, оптический выход оптического спектроанализатора посредством волоконно-оптических световодов связан со входами четырех фотоприемных блоков, выходы которых подсоединены ко второму блоку обработки информации, оптический вход оптического сумматора через три управляемых оптических фильтра, полупрозрачное и оптическое зеркала связаны с соответствующими оптическими выходами первого, второго и третьего лазерных генераторов, оптический выход оптического сумматора связан с оптическим входом блока сканирования, а посредством первого откидного зеркала, двух оптических зеркал и второго откидного зеркала оптически связан с оптическим входом оптического спектроанализатора, оптический выход первого объектива оптически связан с вновь введенными вторым, третьим и четвертым фотоприемниками посредством трех полупрозрачных зеркал, трех линз и трех оптических фильтров, выходы второго, третьего и четвертого фотоприемников подсоединены ко входам первого блока обработки информации, выходы которого подключены к блоку распознавания и второму блоку обработки информации, выходы которого подсоединены к управляющим входам первого, второго и третьего лазерных генераторов, первого, второго и третьего управляемых фильтров и первого и второго откидных зеркал.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем оптический спектроанализатор выполнен на основе оптической дифракционной решетки.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в нем блок распознавания выполнен на основе цифровой электронно-вычислительной машины, содержащей блок данных величин эталонных портретов спектральных показателей световозвращения (ПСВ).

Сканирующие системы появились в сере­дине 70-х годов и к концу 80-х почти полностью вытеснили традицион­ные фотографические и телевизионные системы. Сегодня они являются основными поставщиками данных ДЗЗ при решении задач природно-­ресурсного и экологического мониторинга.

В общих чертах механизм сканирования заключается в следующем. На спутнике имеется сканер, который оснащён фотоэлектрическим или термоэлектрическим приёмником. В этот приёмник попадает отражённое излучение с некоторого участка земной поверхности. Приёмник генерирует электрический сигнал, завися­щий от интенсивности излучения. Величина сигнала фиксируется в памяти устройства, а датчик начинает принимать сигнал со следующего участка земной поверхности. Таким образом, участок за участком, начинает формироваться изображение. Каждый такой участок земной поверхности, отражение от которого было одномоментно зарегистрировано датчиком, на снимке отображается в виде пиксела – наименьшего неделимого элемента изображения. На каждом пикселе отражается осреднённое значение яркости всех объектов, попавших в пределы данного пиксела. Таким образом, чем меньше размер пиксела, тем качественнее изображение можно получить на снимке, так как становится возможным отображение более мелких объектов.

Сканерные системы дистанционного зондирования бывают двух видов – оптико-механические (делятся на линейные и поперечные) и оптико-электронные (продольные и планарные).

В линейных сканерах (для съёмки всей сцены используется один-единственный детекторный элемент

Рисунок 1 – Линейный оптико-механический сканер

В сканерах этого типа установлено зеркало, которое качается из стороны в сторону поперёк направления движения спутника. На зеркало последовательно попадает отраженное излучение от разных участков поверхности вдоль строки, а с зеркала оно уже попадает на детектор. Дойдя до крайней точки строки зеркало начинает вращаться в обратную сторону, считывая следующую строку (спутник за это время пролетел расстояние, соответствующее одной строке пикселов). Таким образом, строка за строкой изображение наращивается. Колебание зеркала поперек маршрута съемки реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется полное изображение снимка, имеющее строчно-сетчатую поэлементную структуру.

Другой разновидностью линейных сканеров является сканер, в котором зеркало не качается из стороны в сторону, а вращается всегда в одном направлении вокруг своей оси, в диапазоне 360 градусов. Здесь датчик считывает сигнал вдоль строки, а затем, пока датчик делает вокруг своей оси, спутник продвигается на некоторое расстояние вперёд и датчик вновь начинает считывать следующую строку в том же направлении. За одну секунду осуществляется около 7 таких циклов.

В поперечных ПЗС-сканерах , например, сканер TM (Thematic Mapper) спутника Landsat-5, используется линейка детекторов, расположенных вдоль маршрута съёмки. Такая линейка называется линейка ПЗС (прибор с зарядовой связью; название отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу). В результате, при каждом цикле движения зеркала все детекторные элементы осуществляют параллельное сканирование земной поверхности. Как и для линейных сканеров, движение датчика может осуществляться из стороны в сторону, когда следующая строка считывается в противоположном направлении, либо вокруг своей оси.

Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом. В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника.

Продольные ПЗС-сканеры оснащены ПЗС-линейкой, состоящей из тысяч детекторных элементов, расположенных поперёк маршрута. В результате параллельное сканирование всего набора данных происходит просто за счёт движения платформы по орбите.

Планарный ПЗС представляет собой матрицу датчиков, аналогично матрице в обычном цифровом фотоаппарате. Необ­ходимо обеспечить достаточное время, чтобы определенное количество фотонов попало на датчик. Если датчик находится в движении относи­тельно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить размывание.

Независимо от типа сканирующей системы полный угол сканирования поперек маршрута съемки называется углом обзора , а соответствующая величина на поверхности Земли шириной полосы съемки (другое название - ширина полосы охвата ). Расстояние на земной поверхности, соответствующее расстоянию между центрами соседних пикселов, называется наземным интервалом дискретизации (другое название – наземный шаг сканирования ). Наземные интервалы дискретизации вдоль и поперек маршрута съемки определяются соответствующими частотами дискретизации, а также скоростью движения платформы. На практике частоту дискретизации обычно подбирают так, чтобы величина наземного интервала дискретизации была равна размеру мгновенного поля обзора, то есть ширине проекции одного детекторного элемента на земную поверхность (рис. 2 и 3). Таким образом, мгновенные поля обзора соседних пикселов примыкают друг к другу как в продольном, так и в поперечном направлении. Наземный интервал дискретизации вдоль маршрута съемки определяется скоростью платформы и либо частотой дискретизации (для продольных ПЗС-сканеров), либо скоростью сканирования (для линейных и поперечных ПЗС-сканеров), которые подбираются так, чтобы соответствовать мгновенному полю обзора в надире. Использование в некоторых системах более высокой частоты поперечной дискретизации приводит к наложению мгновенных полей обзора и, как следствие, к некоторому улучшению качества данных. Такой метод «избыточного сканирования» применяется, в частности, в съемочных системах Landsat MSS и AVHRR KLM.

Рисунок 2 – Простейшая геометрическая схема расположения детекторного элемента в фокальной плоскости датчика

Рисунок 3 – Связь между проекцией мгновенного поля обзора и интервалом дискретизации для типовых сканеров и для приборов MSS и AVHRR

Наземный интервал дискретизации GSI определяется высотой расположения платформы Н, фокусным расстоянием f и междетекторным интервалом (или, как было отмечено выше, пространственной частотой дискретизации). Если частота дискретизации равна одному пикселу на один междетекторный интервал, наземный интервал в надире , то есть непосредственно под датчиком, задаётся простой формулой:

Где m = f/H – коэффициент геометрического увеличения, а величина междетекторного интервала обычно равна ширине детекторного элемента w .

Мгновенное поле обзора GIFOV зависит от величин H, f и w аналогичным образом. При этом следует заметить, что инженеры-разработчики систем дистанционного зондирования предпочитают использовать в своих расчётах другой параметр – величину мгновенного угла обзора IFOV, равную углу, который образует детекторный элемент с осью оптической системы (рисунок 2). Это обусловлено тем, что IFOV является величиной постоянной и не зависит от рабочей высоты датчика.

Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв в береговой зоне и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду.

Фотограмметрия – (photos-свет, gramma-запись, metreo-измерения) научная дисциплина, связанная с определением геометрических параметров (формы размеры пространственного положения и других св-в объектов по их изображению)

Дистанционное зондирование – получение информации об объекте по данным измерений сделанных на расстоянии от объекта, т.е без прямого контакта с ним.

Достоинство данных дистанционного зондирования:

Цифровой вид информации

Объективность и достоверность

Обзорность

Оперативность

Регулярность и периодичность поступления информации

Разнообразие по разрешению и видам съемки

Возможность исследования медленно протекающих и скоротечных процессов

Недостатки данных дистанционного зондирования:

Наличие геометрических, радиометрических и прочих искажений

Перенасыщенность информации

Наличие белых пятен

Методы ДЗ:

Пассивный

Съемочная система фиксирует либо отраженную объектом солнечную энергию, либо собственное излучение объекта

Активный

Съемочная система испускает сигнал собственного источника энергии, а затем фиксирует его отраженную объектом часть

Съемочные системы

Классификация съемочных систем:

В зависимости от приемника различают:

Фотографическое изображение

Изображение формируется оптическим способом на фотопленке, а видимое изображение получается после фотохимической обработки (проявка и печать)

Цифровое изображение

Приемником излучения яв-ся матрицы или линейки ПЗС (приборы с зарядовой связью)

По методу получения изображения:

Пассивные

1. Фотографические

   Оптико – механические сканерные системы

   Оптико – электронные сканерные системы

Активные

1. Радиолокационные съемочные системы

   Лазерные сканерные съемочные системы

Фотографические съемочные системы

В фотографической СС снимок формируется практически мгновенно, по законам центральной проекции.

Классификация фотоапапаратов:

Одно-объективные

Много-объективные

Панорамные

По величине угла зрения:

Узкоугольные (τ < 50°)

Нормальны (50° < τ < 90°)

Широкоугольные (90° < τ < 110°)

Сверх широкоугольные (τ > 110°)

По величине фоккусного расстояния:

Коротко-фокусные (f < 100 мм)

Нормальные (100 мм < f < 300мм)

Длиннофокусные (f > 300 мм)

Оптико – механические сканерные системы

Оптико – механические сканер – содержит только 1 технический элемент (датчик), который позволяет измерять яркость небольшого участка (пикселя) земной поверхности

Вращающееся зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени, т.е сформировать строку изображения.

Следующая строка изображения формируется за счет движения носителя.

Если единственный датчик заменить линейкой, можно получить многоканальное изображение.

Тепловую составляющую излучения можно получить при помощи полу прозрачного зеркала.

Оптико – электронные сканерные системы

Изображение построенное при помощи оптико – электронных сканеров проектируется на линейное, либо матричное множество ПЗС.

Радио локационные сканерные системы

Взаимный импульс от передатчика установленного на носителе излучается направленной антенной формирующий веерообразный луч в вертикальной плоскости.

Часть отраженной энергии регистрируется приемником, установленном там же, где и передатчик. В результате образуются сигналы, которые управляют яркостью светового пятна электронно-лучевой трубки. Совокупность таких пятен образует строку радио-локационного изображения, а время прохождение сигнала определяет расстояние до объекта.

Диапазоны длин волны:

Х полоса (𝜆=2,4 – 3,8 см)

С полоса (𝜆=3,8 – 7,5 см)

L полоса (𝜆=15 – 30 см)

Лазерные съемочные системы

Лазер – усиление света по средством вынужденного излучения, т.е это устройство преобразующее энергию накачки в энергию монохроматического и узко направленного потока излучений.

Одиночные снимки

Е – предметная плоскость (плоскость местности) - Горизонтальная плоскость, проходящая через какую-либо точку местности

S – точка фотографирования (центр проекции)

n – Плоскость наилучшего изображения

So ′ - главный луч

f – фокусное расстояние – расстояние от S до o′

p – плоскости снимка

o – главная тоска снимка

a , b – малое изображение точек A и B

O – Точка на местности соответствующая главной точке

Связка лучей – совокупность всех проектирующих лучей

Главный луч - Луч совпадающий с оптической осью камеры

Н ф – высота фотографирования – расстояния от точки фотографирования S до предметной плоскости Е.

–основная формула определения масштаба

n – точка надира – точка пересечения отвесной линии проведенной через точку фотографирования и отвесной линией

N – точка на местности соответствующая точке надира

α° - суммарный угол наклона снимка

с – точка нулевых искажений – точка пересечения биссектрисы угла наклона снимка и плоскости снимка

С – точка на местности соответствующая точке нулевых искажений

Tt – линия основания – линия пересечения плоскости Е и плоскости p

Q – плоскость главного вертикала –вертикальная плоскость проходящая через главный луч

Vv – главная вертикаль – линия пересечения плоскости главного вертикала и плоскости снимка

VV – линия направления съемки – линия пересечения предметной плоскости и плоскости главного вертикала (Q и Е)

Е′ - плоскость действительного горизонта - горизонтальная плоскость, проведенная через точку фотографирования

ii – линия действительного горизонта – линия пересечения плоскости действительного горизонта и плоскости p.

I – главная точка схода – точка пересечения действительного горизонта и главной вертикали VV

qq – главная горизонталь – прямая в плоскости снимка проведенная через главную точку перпендикулярная главной вертикали

h c h c – линия нулевых искажений – прямая в плоскости снимка проходящая через точку нулевых искажений параллельно главной горизонтали qq.

Для офисных и домашних задач, а также для большинства работ по компьютерной графике лучше всего подходят так называемые планшетные сканеры . Различные модели этого типа шире других представлены в продаже. Поэтому начнем с рассмотрения принципов построения и функционирования сканеров именно этого типа. Уяснение этих принципов позволит лучше понять значение технических характеристик, которые учитываются при выборе сканеров.

Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке.

Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Рис. 119. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD): свет лампы отражается от оригинала и через оптическую систему попадает на матрицу светочувствительных элементов, а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.

Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.

Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология.

Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.

Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.

Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света.

Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.

Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.

Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.

Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.

Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.

Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.

Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.

Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).

Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.

Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.

Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.

Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.