MÉTODO PARA AJUSTAR LA DIRECCIÓN DEL EJE VISITARIO DE UN SISTEMA DE TELEVISIÓN..
SMELKOV Vyacheslav Mikhailovich, candidato de ciencias técnicas, profesor asociado
MÉTODO PARA AJUSTAR LA DIRECCIÓN DEL EJE DE VISIÓN DE UN SISTEMA DE TELEVISIÓN
El método analógico de escalado de imágenes óptico-electrónico y las soluciones técnicas originales basadas en él se publicaron anteriormente [1, 2, 3]. Una característica distintiva del método es el uso de un divisor de haz y dos matrices CCD como fotodetectores en la cámara de televisión.
Las ventajas indudables del método propuesto incluyen:
- alto rendimiento de la operación de “zoom” debido a la eliminación del tiempo para ajustar la distancia focal debido a la negativa a utilizar una lente vari-op;
- sin pérdida de resolución para una imagen ampliada en comparación con la método de zoom digital.
El dispositivo divisor de haz garantiza que la dirección del eje de observación del sistema de televisión sea tal que en la entrada el eje óptico del “gran angular” convencional La cámara de televisión de «ángulo estrecho» coincide con el eje óptico de la cámara de televisión convencional de «ángulo estrecho».
Debe reconocerse que la presencia de división del haz conduce a pérdidas notables en la sensibilidad energética (luz) del sistema de televisión, especialmente en el canal de imagen ampliado. Estas pérdidas pueden considerarse inaceptables para los sistemas de televisión diseñados para buscar, detectar y rastrear objetos remotos.
La negativa a utilizar un divisor de haz conduce inevitablemente a una separación espacial de los ejes ópticos de las cámaras de televisión, por ejemplo, separación horizontal y coincidencia vertical. Sin embargo, teniendo en cuenta el hecho de que el valor de esta separación básica es mucho menor que la distancia del sistema de televisión al objeto y se mantiene el paralelismo de los ejes ópticos, se puede despreciar el error al determinar las coordenadas del objetivo.
Un ejemplo bien conocido de tal solución puede considerarse la implementación de un sistema de televisión para observar el cometa Halley [4, p. 147]. Contenía dos cámaras de televisión a bordo de la nave espacial (SV): “de ángulo estrecho” (con una lente de enfoque largo) y “gran angular” (con una lente de enfoque corto), mientras que esta última se utilizaba como sensor de orientación. para el sistema de televisión. Se utilizaron matrices de dispositivos domésticos de carga acoplada (CCD) como fotodetectores en cada una de las cámaras. Además del sensor de guía de televisión, el sistema de televisión estaba equipado con un segundo sensor de guía analógico. Ambos sensores de guía controlaron por separado o conjuntamente la plataforma giratoria de la nave espacial, lo que permitió cambiar la dirección del eje de observación del sistema de televisión tanto en el plano orbital como en el plano perpendicular a él. La unidad electrónica del sistema de televisión, que realiza dos modos de funcionamiento: en espera y principal, — proporcionó la conmutación de señales de imagen de cada una de las cámaras de televisión para la posterior grabación de información de video en la grabadora de a bordo, la transmisión de la información acumulada a la Tierra y la reproducción de la imagen en la pantalla del monitor de video del Centro de Control de Misión .
Sin embargo, en comparación con un proyecto espacial, para equipos especiales relativamente simples y producidos en masa, el control a priori de la plataforma giratoria y, en consecuencia, la dirección del eje de observación del sistema de televisión, puede basarse en una sola (no -sensor de televisión) orientación.
Esto, a su vez, conduce a la necesidad de establecer requisitos estrictos para la colocación del sistema de televisión en la plataforma giratoria, en particular, para la dirección del eje de observación del sistema de televisión con respecto al plano de aterrizaje de su base. Para un sistema de televisión de dos cámaras, esto significa mayores requisitos en cuanto al paralelismo de los ejes ópticos de las cámaras de televisión entre sí y su paralelismo con respecto al plano de aterrizaje de la base. En este caso, el valor de error permitido en la dirección del eje de observación debe confirmarse mediante verificación metrológica durante el proceso de configuración del sistema de televisión en el fabricante.
En la solución técnica propuesta a continuación, el ajuste de la dirección del eje de mira de un sistema de televisión de dos cámaras se realiza mediante:
- mesas reflectantes y electrónicas del tipo “campo de malla”, la cuyos parámetros tienen en cuenta la distancia horizontal básica entre los centros geométricos de los fotodetectores de las cámaras de televisión de este sistema de televisión;
- designador láser, cuya radiación se produce a través de una ranura realizada en la base del sistema de televisión y permite, con alta precisión (limitada solo por las capacidades de la tecnología de fabricación de la propia ranura), garantizar que la sonda láser sea paralela a la base del sistema de televisión.
Se muestra el diagrama de bloques del dispositivo para realizar el ajuste tecnológico (ajuste) de la dirección del eje de observación del sistema de televisión. enFig. 1. El dispositivo contiene una mesa reflectante (1) instalada en el plano de un objeto del sistema de televisión, que consta de una primera cámara de televisión (2) (gran angular), una segunda cámara de televisión (3) (ángulo estrecho), una señal de vídeo interruptor (4) y un monitor de vídeo (5); un designador de objetivo láser (6) y un generador de hoja de cálculo (7), en el que el designador de objetivo láser (6), a través de una ranura (8) realizada en la base (9) del sistema de televisión, forma un punto (10) del espectro visible en el plano de la mesa de reflexión (1), las salidas de las cámaras de televisión (2) y (3) están conectadas respectivamente a la primera y segunda entradas del conmutador de señal de vídeo (4), la salida de la cámara de televisión ( 3) se conecta a la entrada de sincronización externa de la cámara de televisión (2), y la salida del conmutador de señal de vídeo (4) a través de una mesa generadora electrónica (7) se conecta al monitor de vídeo (5).
Fig. 1. Diagrama de bloques de un dispositivo para realizar el ajuste tecnológico de la dirección del eje de observación de un sistema de televisión
La mesa de reflexión (1) se utiliza como prueba óptica cuando realizando el proceso de ajuste del sistema de televisión.
Un ejemplo de implementación de una mesa reflectante (1) se muestra en la Fig. 2.
Fig. 2. Tabla de prueba “campo de malla”
La tabla contiene 20 celdas horizontalmente y 12 celdas verticalmente. El centro geométrico de la mesa está marcado por el punto “O”. A la izquierda del centro «O», el punto «A» está marcado horizontalmente desplazado por dos celdas, y el punto «B» está marcado a la derecha, también desplazado por dos celdas. Con un desplazamiento vertical hacia abajo con respecto al centro «O» de tres celdas, se marca el punto «C» en la mesa. El tamaño horizontal y vertical de una celda corresponde a un cuarto de la separación horizontal básica de los ejes ópticos de las cámaras de televisión. Supongamos que la distancia de la base especificada es 68 mm, entonces el tamaño de la jaula es (17×17) mm.
Ambas cámaras de televisión (2) y (3) deben estar sincronizadas en modo Genlock con referencia a la frecuencia y fase de escaneos horizontales y verticales utilizando la señal de sincronización del receptor (RSS) o la señal de televisión completa de una de las cámaras de televisión o de una fuente externa. En la figura. 1 El modo Genlock se proporciona aplicando una señal compuesta desde la cámara (3) a la entrada de sincronización externa de la cámara (2).
En la solución propuesta, se debería establecer el mismo ángulo de campo de visión para cada una de las cámaras de televisión. En la práctica, esto se puede lograr utilizando matrices CCD con el mismo tamaño y formato de objetivo en cada una de las cámaras de televisión, por ejemplo, con un tamaño de diagonal de 1/2 pulgada y un formato de 4/3, así como utilizando un zoom. lente (lente de variación) como lente para una de las cámaras.
Como designador de objetivo láser 6, puede utilizarse un dispositivo de objetivo láser producido por la Asociación Óptico-Mecánica de Bielorrusia “BELOMO”. ser utilizado, con una longitud de onda de radiación láser de 645 nm y creando un punto de luz roja en el objeto [http ://matrix 1984 people. es].
La ranura (8) está diseñada para canalizar la sonda de radiación láser hacia la base 9 del sistema de televisión, en dirección paralela a su plano de aterrizaje. La ranura (8) se puede realizar mediante fresado de precisión.
El generador de hoja de cálculo (7) está diseñado para generar una señal eléctrica de «campo de cuadrícula» en un formato igual al formato de fotograma de los fotodetectores de las cámaras de televisión. En nuestro ejemplo, este formato es 4/3 y la hoja de cálculo contiene 16 celdas horizontales y 12 celdas verticales. Obviamente, el tamaño de una celda en unidades de tiempo de escaneo horizontal estándar es: 52/16 = 3,25 μs.
La señal de entrada para el generador (7) es una señal de televisión completa procedente de la salida del conmutador de señal de vídeo (4) con una oscilación de (1±0,2) V a una carga de (75±3,75) Ohmios. A la salida del generador (7), a una carga de (75±3,75) Ohm, se genera una señal de televisión completa con una oscilación de (1±0,2) V de la imagen total, cuyos componentes son el vídeo de entrada. señal y la señal de “campo de cuadrícula”. Es preferible generar la segunda señal reemplazando la primera señal correspondiente en coordenadas. También es aconsejable proporcionar polaridad positiva y negativa de la señal del «campo de malla» con la capacidad de cambiar rápidamente. El diseño del circuito del generador (7) se puede realizar sobre la base de un procesador PIC.
Consideremos el proceso tecnológico de ajustar la dirección del eje de observación de un sistema de televisión de dos cámaras, utilizando el diagrama de bloques de la Fig. 1.
Las cámaras de TV (2) y (3) funcionan simultáneamente en el modo de sincronización en frecuencia y fase de escaneo vertical y horizontal a partir de la señal compuesta de la cámara (3).
El conmutador de vídeo (4), mediante una orden externa, suministra a la entrada del generador de hojas de cálculo (7) una señal de televisión completa procedente de la cámara de televisión (2) o de la cámara de televisión (3). En el generador (7), se añade una señal marcadora de «campo de cuadrícula» a la señal de vídeo. La señal total de la imagen se reproduce en el monitor de vídeo (5).
Primero se orienta la posición de la mesa reflectante (1) de manera que al mirarla, el ajustador pueda fijar el punto del puntero láser en el punto “C”.
Luego comienzan a analizar imágenes de televisión. Supongamos que la señal de vídeo de la primera cámara de televisión (2) se conmuta a la salida del sistema de televisión.
La imagen del área de la mesa de reflexión (1), ubicada a la derecha y limitada por los puntos de referencia de este fragmento, se ingresa en el ráster del fotodetector de la primera cámara (Fig. 2). El formato de esta área es 4/3, y su centro geométrico coincide con el punto “B” de la tabla (1). En este caso, el número de celdas observadas en la tabla (1) horizontalmente es 16 y verticalmente – 12 y corresponde al mismo número de celdas marcadoras del generador de hoja de cálculo (7). Tenga en cuenta que la distancia básica entre los puntos “A” y “B” ocupa cuatro celdas, que en unidades de tiempo es 3,25×4 = 13 μs.
Luego, utilizando la cámara de televisión proporcionada en el diseño (2) para el conjunto de “lente – elementos fotorreceptores para ajustar el movimiento angular horizontal y verticalmente, logramos la máxima alineación del centro observado de la imagen de televisión “B” de la mesa (1) con el centro de la mesa electrónica, y las celdas de la imagen de la tabla (1) con celdas marcadoras del generador (7). El resultado ideal del registro de imágenes se muestra en la Fig. 3a.
a)
b)
figura. 3. a – imagen de la pantalla del monitor de vídeo de la primera cámara de televisión (2); b – imagen en la pantalla del monitor de vídeo de la segunda cámara de televisión (3)
A continuación, sin cambiar la posición espacial de la mesa de reflexión (1), la señal de imagen de la segunda cámara de televisión (3) se conmuta a la salida del sistema de televisión. En este caso, el controlador en la pantalla del monitor de vídeo (5) deberá observar la imagen de otra zona de la mesa (1), situada a la izquierda, centrada en el punto “A” y limitada por los puntos de referencia de este fragmento. El número de celdas de la imagen de televisión observada es similar al de la conmutación de señal de vídeo anterior y es de 16×12 con formato 4/3. Luego, de manera similar, utilizando los elementos de ajuste del movimiento angular para la combinación “lente — fotodetector” de la cámara (3), logramos la máxima alineación del centro observado “A” con el centro de la mesa electrónica, y la prueba óptica celdas de la imagen con las celdas del marcador, logrando idealmente el resultado que se muestra en el arroz. 3b.
Realizaremos una evaluación de ingeniería del resultado técnico de la solución propuesta.
La magnitud del desplazamiento angular «residual» de la dirección del eje de mira después de completar el ajuste se puede determinar a partir de las relaciones:
(1 ),
donde b es el valor máximo de la desalineación horizontal “residual” de las imágenes en mm;
S es la distancia desde la mesa 1 a la cámara de televisión en mm .
(2)
donde a– el valor máximo de la desalineación “residual” de las imágenes verticalmente en mm;
S – la distancia desde la mesa 1 a la cámara de televisión en mm.
Déjalas Para utilizar como fotodetectores en cámaras de televisión se utiliza una matriz CCD con un número de elementos de 768(H)x576(V), y el valor establecido del campo de visión para sus dos valores angulares (HxV) es (12×7. 8) grados.
Si asumimos que, con un registro incorrecto de imágenes aceptable, el valor mínimo del cambio óptico es de 2 elementos de la descomposición del fotodetector en ambas direcciones, entonces el valor de gg será 0,031 grados. (0,55 mrad), y el valor de gв es 0,027 grados. (0,47 mrad). Se puede considerar que estos parámetros funcionan para el ajuste.
Por tanto, si al finalizar el ajuste, como resultado del cálculo utilizando las relaciones (1) y (2), se obtienen valores de desplazamientos angulares “residuales” superiores a 0,55 mrad y 0,47 mrad, respectivamente, entonces esto significa que el ajuste no se ha completado por completo y se debe continuar hasta lograr la precisión requerida.
Como conclusión
La precisión del ajuste en la dirección del eje de mira del sistema de televisión según el método propuesto depende fundamentalmente de la capacidad de información de las matrices CCD. Por lo tanto, para reducir la magnitud del desplazamiento angular «residual» del eje de observación, es necesario aumentar el número de elementos fotodetectores en ambas direcciones.
Literatura
1. Smelkov v.m. Cámara de televisión para vigilancia encubierta y seguridad automatizada.//Equipo especial, 2001, No. 3, p. 20 – 23.
2. Smelkov V.M. Cámara de televisión de seguridad: una nueva solución utilizando el método de escalado óptico-electrónico.//Equipo especial, 2002, No. 6, p. 12 – 15.
3. Smelkov V.M. Cámara de seguridad con zoom selectivo: una nueva solución.//Equipamiento especial, 2003, nº 3, p. 17 – 20.
4. Tsytsulin A.K. Televisión y espacio. San Petersburgo, Editorial de la Universidad Electrotécnica Estatal de San Petersburgo “LETI”, 2003.