Патент на изобретение №2273048

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ СВЕТОВЫХ ОБЪЕКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения координат световых объектов и получения траектории их движения. Техническим результатом являются измерение полярных координат световых объектов, одновременно находящихся в поле зрения объектива, их яркости, поперечного размера изображения и удаление от оси в поле зрения каждого кадра (порядковый номер). Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее передающую телевизионную трубку, блоки, формирующие спиральную развертку луча телевизионной трубки, и блок обработки сигналов, введены дополнительно счетчик тактовых импульсов и счетчик видеоимпульсов, а также аналого-цифровой преобразователь и блок визуального наблюдения, сконструированные на основе пьезодефлекторов с оптическими отражателями на торце. При этом возможна выдача информации о 72000 световых объектов с частотой 100 Гц. 3 ил, 1 табл.

Изобретение относится к вычислительной технике, может использоваться для измерения координат световых объектов и получения траекторий их движения.

Прототипом является устройство для определения координат световых объектов [1], содержащее объектив, передающую телевизионную трубку, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор линейно нарастающего напряжения, перемножитель и блок сдвига фазы на 90°, генератор синусоидальных колебаний, первый, второй ключи, распределитель импульсов, счетчик числа витков спиральной развертки, дешифратор и блок обработки сигналов, включающий усилитель видеоимпульсов, блок элементов И, два дешифратора и два шифратора. Устройство измеряет декартовы координаты всех световых объектов, находящихся одновременно в поле зрения объектива. Недостатком прототипа является измерение только декартовых координат без измерения сопутствующих излучению параметров: яркость излучения, размер поперечного сечения светового источника, интервала удаления каждого светового объекта от других в поле зрения кадра.

Целью изобретения является измерение полярных координат и трех параметров световых объектов: яркости излучения, поперечного размера излучающего источника, интервала удаления каждого объекта от оси поля зрения. Техническим результатом является измерение полярных координат световых объектов, одновременно находящихся в поле зрения объектива, их яркости излучения, поперечного размера изображения и удаления объекта от оси в поле зрения каждого кадра. Увеличение числа измеряемых параметров создает высокую достоверность идентификации световых объектов для получения их траекторий движения в пространстве. Технический результат достигается вводом в устройство АЦП, третьего и четвертого ключей, трех счетчиков импульсов и блока визуального наблюдения. Полярные координаты: радиус вектор и полярный угол [2, с.199] каждого объекта, величина яркости, размер диаметра объекта и его порядковый номер выдаются синхронно в темпе лета объектов /в реальном масштабе времени/ с частотой 100 Гц. Радиус вектор представляется числом витков в спиральной развертке луча телевизионной трубки, полярный угол представляется углом, от 0 до 360° отдельно в каждом витке спирали.

Сущность изобретения в тем, что в устройство для определения координат световых объектов, содержащее объектив, передающую телевизионную трубку, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор линейно нарастающего напряжения, перемножитель, блок сдвига фазы на 90°, генератор синусоидальных колебаний, первый и второй ключи, распрелитель импульсов, счетчик числа витков спиральной развертки, дешифратор и блок обработки сигналов, включающий усилитель, блок элементов И и шифратор, введены третий ключ и счетчик импульсов, четвертый ключ и счетчик видеоимпульсов, АЦП и блок визуального наблюдения.

Структурная схема устройства на фиг.1, принцип измерения полярных координат на фиг.2, конструкция пьезодефлектора на фиг.3.

Заявляемое устройство содержит /фиг.1/ объектив 1, передающую телевизионную трубку 2, блок 3 обработки сигналов, включающий усилитель 4 видеоимпульсов, блок 5 элементов И и шифратор 6, последовательно соединенные генератор 7 тактовых импульсов, делитель 8 частоты, генератор 9 линейно нарастающего напряжения, перемножитель 10 и блок 11 сдвига фазы на 90°, генератор 12 синусоидальных колебаний, первый ключ 13 и распределитель 14 импульсов, второй ключ 15 и счетчик 16 числа витков спиральной развертки и дешифратор 17, аналого-цифровой преобразователь 18 /АЦП/, включающий усилитель 19 видеоимпульсов, пьезодефлектор 20 с отражателем на торце, источник 21 положительного опорного напряжения, источник 22 отрицательного опорного напряжения, излучатель из светодиода 23, щелевой диафрагмы 24 и микро-объектива 25, линейку 26 многоэлементного фотоприемника и счетчик 27 импульсов, содержит третий ключ 28 и счетчик 29 тактовых импульсов, четвертый ключ 30 и счетчик 31 видеоимпульсов и блок 32 визуального наблюдения, включающий последовательно соединенные первый усилитель 33 и первый пьезодефлектор 34 с отражателем на торце, первый источник 35 положительного опорного напряжения, второй источник 36 отрицательного опорного напряжения, последовательно соединенные видеоусилитель 37 и излучатель из светодиода 38, щелевой диафрагмы 39 и микрообъектива 40, последовательно соединенные второй усилитель 41 и второй пьезодефлектор 42 с отражателем на торце, третий источник 43 положительного опорного напряжения, четвертый источник 44 отрицательного опорного напряжения и матовый экран 4Б. Пьезодефлекторы 20, 34, 42 выполнена идентично /фиг.3/, каждый содержит [3, с.118] первую 46, вторую 47 пьезопластины, внутренний электрод 48, первый 49 и второй 50 внешние электроды, один конец пьезопластин закреплен в держателе 51, на свободном торце закреплен световой отражатель 52. Передающая телевизионная трубка 2 является малоинерционной трубкой с диаметром фотокатода 24 мм, например изокон ЛИ801 [4, с.350]. Генератор 12 синусоидальных колебаний совместно с генератором 9, перемножителем 10 и блоком 11 сдвига фазы на 90° выполняют спиральную развертку электронного луча в трубке 2 от центра фотокатода против часовой стрелки /фиг.2/, частота спиральной развертки 100 Гц. Спиральная развертка содержит 200 витков. Генератор 12 выдает синусоидальные колебания 20 кГц. Генератор 9 формирует линейно нарастающее напряжение частотой 100 Гц. Перемножитель 10 выдает синусоидальные колебания с линейно растущей амплитудой, которые подаются непосредственно и через блок 11 на управляющие входы телевизионной трубки 2. Передающая телевизионная трубка 2 воспринимает излучение световых объектов и производит сканирование их изображений на фотокатоде электронным лучом. Блок 3 обработки сигналов преобразует временные интервалы каждого витка спирали в трубке 2 в двоичные коды полярного угла с разрешением в 1°. Усилитель 4 осуществляет усиление видеоимпульсов с трубки 2, формирует их по амплитуде и длительности. Блок 5 включает 360 элементов И, соответственно 360°. С поступлением на один из входов шифратора 6 сигнала с элемента И он выдает 9-разрядный код полярного угла светового объекта, 360 соответствует коду 101101000. За период спиральной развертки шифратор 6 выдает 72000 кодов /200 витков ×360/, т.е. за один кадр /0,01 с/ определяет координаты 72000 световых объектов, одновременно находящихся и поле зрения объектива 1. Генератор 7 обеспечивает устройство тактовыми импульсами, частота которых составляет: 100 Гц ×200_вит×360=7,2 МГц,

где 100 Гц – частота кадров спиральной развертки,

200_спир – число витков в спирали кадра,

360 – разрешающая способность углового положения луча в каждом витке спирали, равная 1°.

Делитель 8 частоты производит деление частоты тактовых импульсов на первом выходе 72000:1 /100 Гц/, на втором выходе 360:1 /20 кГц/, первый ключ 13 пропускает в открытом состоянии импульсы 7,2 МГц в распределитель 14 импульсов, которые определяют разрешение полярного утла в 1°. Ключ 15 в открытом состоянии пропускает импульсы 20 кГц в счетчик 16, производящий счет числа витков в кадре. Счетчик 16 имеет восемь разрядов, 200 в двоичном коде 11001000. С приходом в дешифратор 17 кода 11001000 сигнал U_о обнуляет счетчик 16. Сигнал с передающей телевизионной трубки 2 поступает на вход усилителя 19, который усиливает его до величины, необходимой для срабатывания пьезодефлектора 20, который отклоняет луч от светодиода по входным окнам линейки 26 многоэлементного фотоприемника пропорционально величине амплитуды видеосигнала. Принцип преобразования АЦП 18 видеосигнала в код состоит в развертке луча от источника излучения по плоскости входных окон линейки 26. Щелевая диафрагма 24 и микрообъектив 25 формируют луч шириной, не превышающей диаметр входного окна фотоприемника в линейке 26. Источником излучения принят инфракрасный светодиод АЛ107А, работающий в непрерывном режиме. Линейка 26 включает 255 фотоприемников для кодирования яркости объектов 8-разрядным кодом. Световые импульсы каждым фотоприемником линейки 26 преобразуются в электрические сигналы, которые в процессе развертки луча по входным окнам поступают в счетчик 27 импульсов. Чем выше яркость объекта, тем больше отклонится луч светодиода 23 и большее число импульсов поступит в счетчик 27. Амплитуда яркости представляется кодами от 00000001 до 11111111. Сигнал с первого окна линейки 26 используется еще и как сигнал U_вых кодов из счетчиков 27, 29 в момент возврата луча в исходное положение, он же обнуляет счетчики 27, 29. Измерение диаметра объекта на фотокатоде выполняется при помощи ключа 28 и счетчика 29 тактовых импульсов. Тактовые импульсы с генератора 7 поступают через открытый на время длительности видеоимпульса ключ 28 а счетчик 29. Чем больше размер светового объекта, тем больше длительность видеоимпульса, тем больше значение кода, формируемого счетчиком 29. Присвоение порядкового номера световым объектам выполняется ключом 30 и счетчиком 31 видеоимпульсов. Счетчик 31 имеет 8 разрядов, что обеспечивает присвоение порядковых номеров 255-и световым объектам. Счетчик 31 ведет счет видеоимпульсов в течение кадра. Выдача кода выполняется сигналом U_выд c элемента И блока 5 /через диод/ без обнуления счетчика 31. Разряды счетчика 31 обнуляются с дешифратора 17 по окончании 200 спиралей развертки. При регистрации в компьютере на каждый световой объект синхронно с частотой 100 Гц поступают: с выхода 1 – порядковый номер светового объекта, с выхода 2 – полярный угол , с выхода 3 – радиус вектор , с выхода 4 – код яркости, с выхода 5 – код диаметра изображения объекта. Пример данных, поступающих в компьютер, приведен в таблице:

Таблица
ВЫХОДЫ	1	2	3	4	5
Параметры объекта	номер объекта	полярный угол	радиус вектор	яркость	диаметр изображ.
Код	00000001 8 разрядов	000001101 9 разряд.	00000011 8 разряд.	00001001 8 разряд.	00000010 8 разр.

Блок 32 визуального наблюдения предназначен для наведения оптической оси объектива 1 в нужный участок пространства, изменения ее направления или сопровождения отдельного светового объекта по его траектории. Механическая связь центра экрана 45 и оптической оси передающей телевизионной трубки 2 осуществляется соответствующим электроприводом, который здесь не рассматривается. Видеосигналы с передающей телевизионной трубки 2 поступают на вход видеоусилителя 37, с выхода которого они поступают на импульсный светодиод 38. В излучателе применяется светодиод белого излучения GNL-5013 UWC/20-10C с силой света 10 кд и током 0,02 А [5, с.47]. Спиральная развертка на экране 45 выполняется пьезодефлекторами 34 и 42. Синусоидальное напряжение частотой 20 кГц с блока 10, усиленное до необходимой величины в усилителе 33, поступает на внутренний электрод 48 /фиг.3/ пьезодефлектора 34. К внешнему электроду 49 приложено напряжение с источника 35, к внешнему электроду 50 приложено напряжение с источника 36. С подачей управляющего напряжения на внутренний электрод происходит деформация пьезопластин [3, с.122]: одна удлиняется, вторая укорачивается, торец со световым отражателем 52 приходит в колебательное движение с частотой и амплитудой управляющего сигнала. Идет горизонтальная развертка луча по отражателю пьезодефлектора 42. Щель диафрагмы 39 расположена перпендикулярно длинной стороне светового отражателя пьезодефлектора 34 и принята 0,5 мм. Ширина отражателя пьезодефлектора 34 принята 0,02 мм, длина 4 мм /для облегчения юстировки/. Синусоидальное напряжение 20 кГц изменяющийся амплитуды с блока 11, сдвинутой по фазе на 90°, относительно синусоидального напряжения с блока 10, усиленное в блоке 41, поступает на внутренний электрод пьезодефлектора 42, приводит торец с отражателем в колебательное движение соответственно управляющему сигналу. Ширина отражателя пьезодефлектора 42 составляет 1 мм, длина не менее 8 мм /0,02 мм ×400 строк/. Совместные колебания пьезодефлекторов 34 и 42 выполняют на матовом экране 45 спиральную развертку с частотой 100 Гц.

Работа устройства.

С включением питания генератор 7 выдает тактовые импульсы 7,2 МГц. Блоки 8, 9, 10, 11 и 12 осуществляют спиральную развертку в передающей телевизионной трубке 2, которая электронным лучом сканирует изображения световых объектов на фотокатоде и выдает видеоимпульсы от них в усилители 4, 19, 37. Блок 3 выдает с шифратора 6 коды полярного угла для всех световых объектов в поле зрения объектива 1. Сигнал с первого выхода делителя 8 частоты открывает ключ 13 на время длительности спиральной развертки /0,01 с/, который пропускает тактовые импульсы 7,2 МГц в распределитель 14 импульсов, имеющий 360 выходов по числу 360°. За период одной спирали с блока 14 360 импульсов последовательно поступают на вторые входы элементов И в блоке 5. В момент совпадения импульса с блока 14 и видеоимпульса с усилителя 4 в элементе И с его выхода сигнал выдает с шифратора 6 код полярного угла светового объекта. Код величины радиуса вектора выдается со счетчика 16 числа витков. Обнуляется счетчик 16 по окончании 200 витков спиральной развертки сигналом U₀ с дешифратора 17. По каждому световому объекту одновременно выдаются: номер объекта, коды его полярных координат , , код яркости и код поперечного сечения изображения светового объекта на фотокатоде трубки 2. Частота выдачи измерений 10 Гц. Коды поступают в компьютер для регистрации, идентификации объектов или получения траектории их движения. При необходимости с полярных координат вычисляются и декартовы координаты x=Cos, y=sin [2, с.200]. В процессе измерений параметров световых объектов на матовом экране 45 выполняется визуальное наблюдение световых объектов либо отслеживается выбранный объект.

Заявленное устройство может использоваться при астрономических измерениях или для получения траекториях измерений световых объектов в реальном масштабе времени.

Использованные источники.

1. Патент №2029369, кл. G 06 К, бюл. №5 от 20.02.95, прототип.

2. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике, М., 1964, с.199, 200.

3. Фридлянд И.В, Сошников В.Г. Системы автоматического регулирования в устройствах видеозаписи. М., 1988, с.118, рис.5.5, с.122, рис.5.10.

4. Кацнельсон Б.В, Калугин А.М. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы. Справочник. М., 1985, с.350.

5. “Радио” №9, 2004, с.47.

Формула изобретения

Устройство для определения координат световых объектов, содержащее объектив, передающую телевизионную трубку, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор линейно нарастающего напряжения, перемножитель и блок сдвига фазы на 90°, генератор синусоидальных колебаний, вход которого подключен к второму выходу делителя частоты, а выход подключен к второму входу перемножителя, выход которого и выход блока сдвига фазы на 90° подключены к управляющим входам передающей телевизионной трубки, последовательно соединенные первый ключ, сигнальный вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, управляющий вход подключен к второму выходу делителя частоты, и распределитель импульсов, последовательно соединенные второй ключ, сигнальный вход которого подключен к второму выходу делителя частоты, управляющий вход подключен к первому выходу делителя частоты, счетчик числа витков спиральной развертки и дешифратор, содержащее блок обработки сигналов, включающий усилитель видеоимпульсов, блок элементов И и шифратор, выходы которого являются выходами блока обработки сигналов, вход усилителя видеоимпульсов является информационным входом блока обработки сигналов и подключен к выходу передающей телевизионной трубки, выход усилителя видеоимпульсов подключен в блоке элементов И параллельно к первым входам элементов И, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, входы дешифратора подключены к выходам счетчика числа витков спиральной развертки, первый управляющий вход подключен к выходу дешифратора, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные третий ключ и счетчик тактовых импульсов, последовательно соединенные четвертый ключ и счетчик видеоимпульсов, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и блок визуального наблюдения, АЦП содержит последовательно соединенные усилитель видеоимпульсов, вход которого подключен к выходу передающей телевизионной трубки, и пьезодефлектор с отражателем на торце, источник положительного опорного напряжения, выход которого подключен к вторым входам пьезодефлектора и усилителя видеоимпульсов, источник отрицательного опорного напряжения, выход которого подключен к третьим входам пьезодефлектора и усилителя видеоимпульсов, излучатель из светодиода, щелевой диафрагмы и микрообъектива, последовательно соединенные линейку многоэлементного фотоприемника и счетчик импульсов, выходы которого являются выходами АЦП, входные окна линейки многоэлементного фотоприемника через отражатель пьезодефлектора оптически соединены с излучателем, сигнальный вход третьего ключа подключен к выходу генератора тактовых импульсов, управляющий вход его подключен к выходу усилителя видеоимпульсов АЦП, управляющие входы счетчика импульсов АЦП и счетчика тактовых импульсов подключены к первому выходу линейки многоэлементного фотоприемника, в блоке обработки сигналов соответствующие выходы блока элементов И подключены к соответствующим входам шифратора, а через диоды эти выходы объединены и подключены к второму управляющему входу счетчика числа витков спиральной развертки, сигнальный вход четвертого ключа подключен к выходу усилителя видеоимпульсов в блоке обработки сигналов, управляющий вход четвертого ключа подключен к первому выходу делителя частоты, первый управляющий вход счетчика видеоимпульсов подключен к выходу дешифратора, второй его управляющий вход подключен к второму управляющему входу счетчика числа витков спиральной развертки, информационными выходами устройства являются: первым – выходы счетчика видеоимпульсов, вторым – выходы шифратора в блоке обработки сигналов, третьим – выходы счетчика числа витков спиральной развертки, четвертым – выходы счетчика импульсов АЦП, пятым – выходы счетчика тактовых импульсов, блок визуального наблюдения содержит последовательно соединенные первый усилитель, вход которого подключен к выходу перемножителя, и первый пьезодефлектор с отражателем на торце, первый источник положительного опорного напряжения, выход которого подключен к вторым входам первого усилителя и первого пьезодефлектора, второй источник отрицательного опорного напряжения, выход которого подключен к третьим входам первого усилителя и первого пьезодефлектора, последовательно соединенные видеоусилитель, вход которого подключен к выходу передающей телевизионной трубки, и излучатель из светодиода, вход которого подключен к выходу видеоусилителя, щелевой диафрагмы и микрообъектива, последовательно соединенные второй усилитель, вход которого подключен к выходу блока сдвига фазы на 90°, и второй пьезодефлектор с отражателем на торце, третий источник положительного опорного напряжения, выход которого подключен к вторым входам второго усилителя и второго пьезодефлектора, четвертый источник отрицательного опорного напряжения, выход которого подключен к третьим входам второго усилителя и второго пьезодефлектора и содержит матовый экран, который через отражатель второго пьзодефлектора и отражатель первого пьезодефлектора оптически соединен с излучающей стороной светодиода излучателя.

РИСУНКИ