Устройство для автоматического слежения за объектом

 

Изобретение относится к оптико-электронным приборам, предназначенным для слежения за объектом, и может быть использовано в производстве кино- и видеофильмов. Задачей изобретения является повышение точности слежения. Указанная цель достигается за счет обеспечения лучшей фильтрации полезного сигнала от различных помех. В рассматриваемом устройстве полезный сигнал модулируется по частоте, на которую настраивается управляемый генератор, формирующий опорные сигналы для синхронных детекторов, определяющих ошибки слежения. Наряду с этим обеспечивается дополнительная фильтрация сигналов с помощью оптического и полосовых фильтров. При этом в устройстве обеспечивается автоматическая регулировка усиления. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптико-электронным приборам, предназначенным для осуществления автоматического слежения за объектом, и может быть использовано в производстве кино- и видеофильмов, когда при съемке требуется автоматическое отслеживание движущегося объекта.

Известна система автоматического слежения, содержащая установленные по ходу луча излучатель, расположенный на объекте слежения, объектив и квадрантный фотоприемник, три сумматора и два дифференциальных усилителя, причем линии раздела элементов квадрантного фотоприемника расположены в горизонтальной и вертикальной плоскостях [1] Принцип действия основан на анализе смещения изображения светового пятна на поверхности квадрантного фотоприемника, формируемого при помощи объектива световым потоком, идущим от излучателя. За счет попарного суммирования и вычитания сигналов соответствующих элементов фотоприемника формируются два сигнала ошибки слежения: по оси Х и по оси Y. Сигналы ошибки управляют работой приводов, осуществляющих поворот оптической оси системы автоматического слежения.

Недостатком такой системы можно считать использование постоянного (немодулированного) светового потока излучателя, что затрудняет селекцию объекта на фоне помех и, следовательно, уменьшает точность слежения.

Наиболее близким по принципу действия является устройство для автоматического слежения за объектом, содержащее излучатель, объектив и расположенные последовательно с ним на одной оптической оси оптический фильтр и квадрантный фотоприемник, первый и второй дифференциальные усилители, двухканальный привод, выходы которого кинематически связаны с оптической осью устройства, причем выходы попарно противоположных элементов квадратного фотоприемника соединены соответственно с входами первого и второго дифференциальных усилителей, а линии раздела элементов квадрантного фотоприемника ориентированы под углом 45^о к горизонту. В данном устройстве сигнал ошибки формируется, как разность сигналов элементов квадрантного фотоприемника, расположенных на одной координатной оси. Оптическая ось излучателя соосна с оптической осью устройства. Использование немодулированного светового потока и отсутствие в устройстве подстройки тракта обработки принятого фотоприемником сигнала под частоту излучения излучателя затрудняет селекцию объекта на фоне помех и, следовательно, не позволяет получить высокую точность слежения [2] Изобретение направлено на улучшение селекции объекта на фоне помех и, следовательно, на повышение точности слежения. Кроме того, оно направлено на достижение возможности слежения за несколькими объектами.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для автоматического слежения за объектом, содержащее излучатель, объектив и расположенные последовательно с ним на одной оптической оси оптический фильтр и квадрантный фотоприемник, первый и второй дифференциальные усилители, двухканальный привод, выходы которого кинематически связаны с оптической осью устройства, причем выходы попарно противоположных элементов квадрантного фотоприемника соединены соответственно, с входами первого и второго дифференциальных усилителей, а линии раздела элементов квадрантного фотоприемника ориентированы под углом 45^о к горизонту, введены первый, второй и третий полюсовые фильтры, первый, второй и третий синхронные детекторы, первый, второй и третий сумматоры, фазовый детектор, управляемый фильтр низкой частоты, генератор, триггер Шмидта и пульт управления, причем излучатель выполнен излучающим модулированный световой поток и расположен на объекте слежения, выходы элементов квадрантного фотоприемника соединены с соответствующими входами первого сумматора, выходы первого и второго дифференциальных усилителей и первого сумматора соединены соответственно с входами первого, второго и третьего его полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего синхронных детекторов, к вторым входам которых и к первому входу фазового детектора подключен выход генератора, входом подключенного к выходу управляемого фильтра низкой частоты, выход третьего полосового фильтра подключен также к второму входу фазового детектора, выходом подключенного к входу управляемого фильтра низкой частоты, выходы первого и второго синхронных детекторов подключены соответственно к первым входам второго и третьего сумматоров, к вторым входам которых подключены соответственно первый и второй выходы пульта управления, к входу которого подключен выход триггера Шмидта, подключенный также к управляющему входу управляемого фильтра низкой частоты, выход третьего синхронного детектора подключен к входу триггера Шмидта и к управляющим входам первого и второго дифференциальных усилителей и первого сумматора, выходы второго и третьего сумматоров подключены к соответствующим входам двухканального привода.

Выполнение излучателя излучающим модулированный световой поток с установкой его на объекте слежения обеспечивает попадание в объектив устройства модулированного светового потока от объекта, а фильтрация постоянных и фоновых засветок осуществляется за счет введенных электронных блоков. Таким образом, все отличительные признаки неразрывно связаны между собой для достижения селекции объекта на фоне помех и следовательно, повышения точности слежения.

Кроме того, для слежения за несколькими объектами в устройство дополнительно введены один или более излучателей, причем, генератор выполнен управляемым напряжением, пульт управления выполнен с управляющим выходом, соединенным с управляющим входом генератора, управляемого напряжением. Данные отличия позволяют осуществить обработку световых потоков, идущих от разных излучателей и слежение за излучателем с выбранной частотой модуляции светового потока.

Кроме того, для маскировки излучателя на объекте предложено излучатель выполнять излучающим инфракрасный световой поток. При этом поток излучателя не виден глазом и не является засветкой (помехой) при кино- или телесъемке.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 один из возможных вариантов выполнения пульта управления; на фиг. 3 один из возможных вариантов выполнения управляемого фильтра низкой частоты; на фиг. 4 один из возможных вариантов выполнения блока управления генератором, дополнительно включаемого в пульт управления устройства автоматического слежения за несколькими объектами.

Предлагаемое устройство содержит излучатель 1, объектив 2, оптический фильтр 3, квадрантный фотоприемник 4, первый дифференциальный усилитель 5, второй дифференциальный усилитель 6, первый сумматор 7, первый полосовой фильтр 8, второй полосовой фильтр 9, третий полосовой фильтр 10, фазовый детектор 11, управляемый фильтр 12 низкой частоты, генератор 13, первый синхронный детектор 14, второй синхронный детектор 15, третий синхронный детектор 16, триггер Шмидта 17, второй сумматор 18, третий сумматор 19, двухканальный привод 20, пульт 21 управления, кинематическую связь 22, оптическую ось 23 устройства.

Излучатель 1 располагается на объекте слежения и представляет собой, например, светодиод, в частности ИК-светодиод, управляемый от автономного генератора. Объектив 2 фокусирует модулированный световой поток, идущий от излучателя 1, на светочувствительной поверхности квадрантного фотоприемника 4, перед которым установлен оптический фильтр 3, предназначенный для спектральной фильтрации излучения, например, отрезающий излучение видимого диапазона и пропускающий ИК-излучение. Дифференциальные усилители 5 и 6 предназначены для формирования разности сигналов противоположных элементов квадрантного фотоприемника. Сигналы на выходе дифференциальных усилителей 5 и 6 характеризуют положение светового пятна на поверхности квадрантного фотоприемника 4 по координатам Х и Y соответственно. Первый сумматор 7 предназначен для формирования суммарного сигнала всех элементов квадрантного фотоприемника 4. Этот сигнал характеризует величину светового потока, попавшего на квадрантный фотоприемник 4, и используется для автоматической регулировки усиления. Полосовые фильтры 8, 9 и 10 пропускают сигналы только с частотами, близкими к частоте излучения излучателя 1. Таким образом, осуществляется частичная селекция объекта на фоне постоянных помех ("засветок"). Генератор 13 генерирует сигнал с частотой, близкой к частоте модуляции излучения излучателем 1. Фазовый детектор 11 предназначен для сравнения по частоте и по фазе сигналов генератора 13 и сигнала на выходе полосового фильтра 10. Управляемый фильтр низкой частоты 12 предназначен для подстройки частоты генератора 13. Один из возможных вариантов выполнения фильтра 12 представлен на фиг. 3. Синхронные детекторы 14 и 15 осуществляют детектирование сигнала ошибки из модулированного разностного сигнала. В синхронных детекторах осуществляется основная селекция сигналов объекта от сигналов помех. Амплитуда модулированного сигнала несет информацию о величине ошибки, а его фаза о знаке ошибки. Синхронный детектор 16 осуществляет детектирование суммарного сигнала элементов квадрантного фотоприемника 4 и предназначен для выработки сигнала, управляющего усилением дифференциальных усилителей 5 и 6 и первого сумматора 7. Таким образом, поддерживается постоянным коэффициент передачи всего устройства, что, в свою очередь, увеличивает точность слежения за объектами, расположенными на различных расстояниях до устройства. Триггер Шмидта 17 предназначен для формирования сигнала, несущего информацию о том, что световой поток излучателя попал в объектив 2 устройства и предназначенного для управления полосой пропускания управляемого фильтра 12 низкой частоты и управления индикаторным светодиодом HL1 в пульте 21 управления (фиг. 2). Сумматоры 18 и 19 предназначены для суммирования сигналов, управляющих двухканальным приводом 20 и поступающих от синхронных детекторов 14 и 15 в режиме автоматического слежения за объектом и от пульта 21 управления в режиме предварительной наводки на объект слежения. Двухканальный привод 20 осуществляет поворот оптической оси устройства относительно двух координатных осей. Под оптической осью устройства понимается общая оптическая ось объектива 2, светофильтра 3 и квадрантного фотоприемника 4. Поворот оптической оси осуществляется за счет поворота оптической части устройства, заключенной в корпусе, установленном, например, в карданном подвесе. Пульт 21 управления предназначен для предварительной наводки устройства оператором на объект и индикации о том, что излучатель 1, расположенный на объекте, попал в поле зрения устройства. Один из возможных вариантов выполнения пульта 21 управления представлен на фиг. 2.

Устройство работает следующим образом.

Излучатель, расположенный на объекте слежения, излучает модулированный световой поток, который объективом 2 фокусируется на поверхности квадрантного фотоприемника 4. Сигналы противоположных элементов квадрантного фотоприемника 4 поступают на соответствующие входы дифференциальных усилителей 5 и 6, на выходе которых образуются разностные сигналы, содержащие информацию о смещении светового пятна относительно центра квадрантного фотоприемника 4. Первый сумматор 7 формирует суммарный сигнал всех элементов квадрантного фотоприемника. Полосовые усилители 8, 9 и 10 служат для дополнительного усиления суммарного и разностных сигналов на частоте модуляции. Фазовый детектор 11 сравнивает по частоте и фазе сигналы генератора 13 и сумматора 7 и при помощи управляемого фильтра 12 низкой частоты подстраивает частоту и фазу генератора 13 в соответствии с сигналом сумматора 7. Синхронный детектор 16 детектирует совпадение частоты и фазы генератора 13 и сумматора 7 и формирует сигнал, управляющий усилением дифференциальных усилителей 5 и 6 и сумматора 7 и переключающий триггер Шмидта 17. Выходной сигнал триггера Шмидта 17 сужает полосу пропускания управляемого фильтра 12 низкой частоты, тем самым повышая помехозащищенность генератора 13, что обеспечивает более точную селекцию излучателя на фоне помех. Кроме того, выходной сигнал триггера Шмидта 17 поступает на вход пульта 21 управления (фиг. 2). В результате чего светится индикаторный светодиод HL1, индицируя попадание светового потока излучателя 1 в объектив 2 устройства. Синхронные детекторы 14 и 15 из разностного сигнала вырабатывают напряжения соответствующего знака, пропорциональные ошибке слежения, которые через сумматоры 18 и 19 управляют работой двухканального привода 20, осуществляющего поворот оптической оси 23 устройства относительно двух координатных осей. Таким образом, осуществляется автоматическое слежение за объектом, на котором расположен излучатель 1. Для предварительной наводки на объект используется пульт управления 21, один из возможных вариантов выполнения которого представлен на фиг. 2. Для этого оператор при помощи сдвоенного потенциометра R1-R2 устанавливает скорость слежения по координатам Х и Y и нажатием на кнопки SB1-SB4 осуществляет поворот оптической оси 23 устройства. Стрелками на фиг. 2 показаны направления поворота оптической оси устройства.

Слежение за несколькими объектами, например тремя, может быть обеспечено следующим образом.

На каждом из объектов слежения устанавливается свой излучатель, излучающий модулированный световой поток в своем частотном диапазоне. Причем, частоты модуляции излучателей не перекрываются. Полосы пропускания полосовых фильтров 8, 9 и 10 достаточно широки и включают частоты излучения всех трех излучателей. Генератор 13 выполняется управляемым напряжением, а в пульт управления 21 добавляется блок управления генератором 13, управляемым напряжением. Один из возможных вариантов выполнения этого блока представлен на фиг. 4. Оператор выбирает при помощи переключателя S1 на пульте 21 управления объект. Соответствующее напряжение подается на управляющий вход генератора 13, управляемого напряжением, который генерирует сигнал с частотой, соответствующей частоте излучения одного из излучателей, расположенных на объектах. Назначение и работа остальных блоков описана выше. В результате устройство осуществляет слежение только за одним (выбранным оператором) объектом.

Введение в известное устройство полосовых фильтров 8, 9 и 10, синхронных детекторов 14, 15 и 16, сумматоров 7, 18 и 19, фазового детектора 11, управляемого фильтра 12 низкой частоты, генератора 13, триггера Шмидта 17 и пульта 21 управления и выполнение излучателя расположенным на объекте слежения и излучающим модулированный световой поток позволяет осуществить селекцию объекта на фоне помех и увеличить точность слежения за объектом. Введение дополнительных излучателей и выполнение генератора 13 управляемым напряжением позволяет осуществлять селекцию и слежение за двумя и более объектами слежения. Использование излучателя, излучающего ИК световой поток, позволяет замаскировать излучатель на объекте, т.е. осуществить, например, съемку объекта слежения на кино- или видеокамеру в видимом спектральном диапазоне.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СЛЕЖЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТОМ, содержащее излучатель, объектив и расположенные последовательно с ним на одной оптической оси оптический фильтр и квадрантный фотоприемник, первый и второй дифференциальные усилители, двухканальный привод, выходы которого кинематически связаны с оптической осью устройства, причем выходы попарно противоположных элементов квадрантного фотоприемника соединены соответственно с входами первого и второго дифференциальных усилителей, а линии раздела элементов квадрантного фотоприемника ориентированы под углом 45^o к горизонту, отличающееся тем, что в него введены первый, второй и третий полосовые фильтры, первый, второй и третий синхронные детекторы, первый, второй и третий сумматоры, фазовый детектор, управляемый фильтр низкой частоты, генератор, триггер Шмидта и пульт управления, причем излучатель выполнен излучающим модулированный световой поток и расположен на объекте слежения, выходы элементов квадрантного фотоприемника соединены с соответствующими входами первого сумматора, выходы первого и второго дифференциальных усилителей и первого сумматора соединены соответственно с входами первого, второго и третьего полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего синхронных детекторов, к вторым входам которых и к первому входу фазового детектора подключен выход генератора, входом подключенного к выходу управляемого фильтра низкой частоты, выход третьего полосового фильтра подключен также к второму входу фазового детектора, выходом подключенного к входу управляемого фильтра низкой частоты, выходы первого и второго синхронных детекторов подключены соответственно к первым входам второго и третьего сумматоров, к вторым входам которых подключены соответственно первый и второй выходы пульта управления, к входу которого подключен выход триггера Шмидта, подключенный также к управляющему входу управляемого фильтра низкой частоты, выход третьего синхронного детектора подключен к входу триггера Шмидта и к управляющим входам первого и второго дифференциальных усилителей и первого сумматора, выходы второго и третьего сумматоров подключены к соответствующим входам двухканального привода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него дополнительно введены один или более излучателей, причем генератор выполнен управляемым напряжением, пульт управления выполнен с управляющим выходом, соединенным с управляющим входом генератора, управляемого напряжением.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучатель выполнен излучающим инфракрасный световой поток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4