RU2733414C1

RU2733414C1 - Device of a two-chamber television system with adjustment of the direction of the viewing axis and with high sensitivity to the same level for each of the "light-signal" channels

Info

Publication number: RU2733414C1
Application number: RU2020111856A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Смелков
Original assignee: Вячеслав Михайлович Смелков
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2020-10-01

Abstract

FIELD: television technology.

SUBSTANCE: invention relates to television engineering and is intended for use in systems for searching, detecting and tracking remote objects. Result is achieved due to that compensation of optical losses of cameras with lenses having different optical characteristics is carried out by using matrix photodetectors as sensors of television cameras, made on the technology of complementary "metal-oxide-semiconductor" (CMOS) structures, which form output video signal voltage at analog outputs of photodetectors. At the same time for their targets necessary ratio of amplification coefficients of light-sensitive elements is established.

EFFECT: technical result is providing the same sensitivity of television cameras in the television camera system.

1 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, а в ней - к аппаратуре прикладного телевидения, которая выполнена с использованием матричных фотоприемников, изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), и компьютеров. Аппаратура предназначена для применения в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов.The proposed invention relates to television technology, and in it - to the equipment of applied television, which is made using matrix photodetectors manufactured by the technology of complementary structures "metal-oxide-semiconductor" (CMOS), and computers. The equipment is intended for use as part of search systems, detection and tracking of remote objects.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство двухкамерной телевизионной системы [1], содержащее размещенные на ее основании первую («широкоугольную») и вторую («узкоугольную») телекамеры, каждая из которых состоит из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива («широкоугольного» или «узкоугольного») и датчика телевизионного сигнала (ДТС), выполненного на базе фотоприемника, изготовленного по технологии матричных приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), причем геометрические центры фотоприемников обеих телекамер совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, а каждая из телекамер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, а также последовательно соединенные по сигналу «видео» коммутатор-смеситель и персональный компьютер, при этом выходы первой и второй телекамер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя; в состав телевизионной системы также входят генератор электронной таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», последовательно расположенные и оптически связанные первый лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от первого лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости; в состав телевизионной системы также входят селектор синхроимпульсов, блок задержки по кадру, формирователь сигнала синхронизации и второй лазерный целеуказатель, излучающий лазерный зонд в дополнительном канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении отражательной таблицы параллельно излучению от первого лазерного целеуказателя, причем расстояние между лазерными зондами по горизонтали составляет двойную величину горизонтального разнесения геометрических центров фотоприемников первой и второй телекамер, при этом вход селектора синхроимпульсов подключен к выходу «видео» второй телекамеры, выход кадровых синхроимпульсов селектора подключен через блок задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора электронной таблицы, а выход строчных синхроимпульсов селектора соответственно - к входу строчной синхронизации генератора электронной таблицы и к первому входу формирователя сигнала синхронизации, второй вход которого подключен к выходу блока задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» первой телекамеры, выход сигнала «сетчатое поле» генератора электронной таблицы подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, а выход сигнала «окошко» генератора электронной таблицы - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя, при этом выбор режима работы коммутатора-смесителя осуществляется по команде, подаваемой с компьютера на его управляющий вход.The closest in technical essence to the claimed invention should be considered the device of a two-camera television system [1], containing placed on its base the first ("wide-angle") and the second ("narrow-angle") television cameras, each of which consists of sequentially located and optically connected input lens ("Wide-angle" or "narrow-angle") and a television signal sensor (TTS), made on the basis of a photodetector manufactured using the technology of charge-coupled matrix devices (CCD matrices), and the geometric centers of the photodetectors of both cameras coincide vertically and are horizontally spaced by base distance, and each of the TV cameras is kinematically connected to the mechanism of angular movement of the direction of the optical axis, respectively, horizontally and vertically, as well as a switcher-mixer and a personal computer connected in series by the video signal, while the outputs of the first and second TV cameras are connected respectively to the the second and second inputs of the mixer-mixer; the television system also includes the generator of the "grid field" spreadsheet and the "window" signal, the first laser designator and the "grid field" reflection table, which is located in the image plane of the television system, and the laser probe from the first laser the target designator is emitted in a channel made in the base of the television system in a direction parallel to its landing plane; the television system also includes a sync pulse selector, a frame delay unit, a synchronization signal generator and a second laser target designator emitting a laser probe in an additional channel made at the base of the television system in the direction of the reflection table parallel to the radiation from the first laser designator, and the distance between the laser designators probes horizontally is twice the horizontal separation of the geometric centers of the photodetectors of the first and second television cameras, while the input of the sync pulse selector is connected to the "video" output of the second television camera, the output of the frame sync pulses of the selector is connected through a frame delay unit to the frame synchronization input of the spreadsheet generator, and the output the horizontal sync pulses of the selector, respectively - to the input of the horizontal synchronization of the spreadsheet generator and to the first input of the synchronization signal generator, the second input of which is connected to the output of the frame delay unit , and the output is connected to the "synchro" input of the first TV camera, the signal output "grid field" of the spreadsheet generator is connected to the first control input of the switch-mixer, and the signal output "window" of the spreadsheet generator is connected to the second control input of the switch-mixer, while the choice of the operating mode of the switch-mixer is carried out by a command sent from the computer to its control input.

В прототипе [1] в процессе проведения заводских регулировочных работ (юстировки) обеспечивается повышенная точность направления визирной оси телевизионной системы путем организации зондирования отражательной таблицы от двух лазерных целеуказателей и формирования совмещенного изображения, а также за счет использования в технологическом процессе унифицированных отражательных таблиц.In the prototype [1], in the process of carrying out factory adjustment work (alignment), increased accuracy of the direction of the sighting axis of the television system is ensured by organizing the probing of the reflection table from two laser designators and the formation of a combined image, as well as through the use of unified reflection tables in the technological process.

Однако следует признать и наличие существенного недостатка у прототипа [1] в процессе эксплуатации телевизионной системы. Имеет место ограниченная и неодинаковая чувствительность телекамер, выполненных на базе одного и того же фотоприемника на ПЗС, из-за отличающихся между собой оптических потерь их объективов.However, it should be admitted that there is a significant drawback in the prototype [1] during the operation of the television system. There is a limited and unequal sensitivity of TV cameras made on the basis of the same CCD photodetector, due to the different optical losses of their lenses.

Обозначим основные параметры объективов для первой и второй телекамер прототипа [1] и произведем оценку возникающих оптических потерь.Let's designate the main parameters of lenses for the first and second TV cameras of the prototype [1] and evaluate the resulting optical loss.

Итак, имеем следующие показатели:So, we have the following indicators:

D₁/ƒ₁ - относительное отверстие объектива первой телекамеры;D ₁ / ƒ ₁ - relative aperture of the lens of the first television camera;

τ₁ - коэффициент пропускания объектива первой телекамеры;τ ₁ is the transmission coefficient of the lens of the first television camera;

D₂/ƒ₂ - относительное отверстие объектива второй телекамеры;D ₂ / ƒ ₂ - relative aperture of the lens of the second television camera;

τ₂ - коэффициент пропускания объектива второй телекамеры,τ ₂ - transmission coefficient of the lens of the second television camera,

где D₁ и D₂ - эффективный диаметр входного зрачка объектива для первой и второй телекамер соответственно;where D ₁ and D ₂ - effective diameter of the entrance pupil of the objective for the first and second TV cameras, respectively;

ƒ₁ и ƒ₂ - фокусное расстояние объектива для этих телекамер соответственно.ƒ ₁ and ƒ ₂ - lens focal lengths for these cameras, respectively.

Тогда величина коэффициента β, определяемого как отношение показателя светосилы объектива первой телекамеры к показателю светосилы объектива второй телекамеры, может быть определена по соотношению:Then the value of the coefficient β, defined as the ratio of the aperture ratio of the lens of the first TV camera to the index of the aperture of the lens of the second TV camera, can be determined by the ratio:

Если, как упоминалось в описании прототипа [1], для реализации практической задачи по поиску, обнаружению и сопровождению удаленных объектов принять, что ƒ₁=30 мм, a ƒ₂=120 мм, то величина коэффициента β, имея в виду лучшие на сегодняшний день по светосиле объективы, может достигнуть значения около одного порядка (т.е. в пределах 10 раз).If, as mentioned in the description of the prototype [1], for the implementation of the practical task of searching, detecting and tracking distant objects, it is assumed that ƒ ₁ = 30 mm, a ƒ ₂ = 120 mm, then the value of the coefficient β, meaning the best today day for aperture lenses, can reach values of about one order of magnitude (ie within 10 times).

Посмотрим на проблему чувствительности телекамер системы со стороны фотоприемника.Let's look at the problem of the sensitivity of the system cameras from the side of the photodetector.

Известно, [см. 2, с. 65], что емкость плавающей диффузионной области - выходного блока современных матричных ПЗС, в котором осуществляется считывание заряда, составляет величину порядка 0,01 пФ.It is known [see 2, p. 65] that the capacity of the floating diffusion region, the output unit of modern matrix CCDs, in which the charge is read, is about 0.01 pF.

Это соответствует коэффициенту преобразования в 15…25 мкВ напряжения видеосигнала на один электрон зарядового сигнала.This corresponds to a conversion factor of 15 ... 25 μV of the video signal voltage per one electron of the charge signal.

В КМОП фотоприемнике [см. там же 2, с. 65] емкость считывания обычно того же порядка, однако применение активного усилителя (докоммутационного усиления) позволяет добиться эквивалентного коэффициента преобразования на порядок больше, чем у ПЗС- до 250 мкВ/е.In a CMOS photodetector [see. ibid. 2, p. 65], the readout capacitance is usually of the same order of magnitude, however, the use of an active amplifier (pre-switching amplification) makes it possible to achieve an equivalent conversion factor an order of magnitude higher than that of a CCD, up to 250 μV / e.

Задачей изобретения является повышенная до одинакового уровня чувствительность телекамер (каждого из каналов «свет - сигнал») путем использования в качестве их сенсоров фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов.The objective of the invention is to increase the sensitivity of television cameras (each of the "light-signal" channels) to the same level by using CMOS photodetector matrices as their sensors, setting the required ratio of the gains of the photosensitive elements for their targets.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы, содержащее размещенные на ее основании первую («широкоугольную») и вторую («узкоугольную») телекамеры, каждая из которых состоит из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива («широкоугольного» или «узкоугольного») и матричного фотоприемника, причем геометрические центры фотоприемников обеих телекамер совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, а каждая из телекамер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, а также последовательно соединенные по сигналу «видео» коммутатор-смеситель и персональный компьютер, при этом выходы первой и второй телекамер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя; в состав телевизионной системы также входят генератор электронной таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», последовательно расположенные и оптически связанные первый лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от первого лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости; в состав телевизионной системы также входят селектор синхроимпульсов, блок задержки по кадру, формирователь сигнала синхронизации и второй лазерный целеуказатель, излучающий лазерный зонд в дополнительном канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении отражательной таблицы параллельно излучению от первого лазерного целеуказателя, причем расстояние между лазерными зондами по горизонтали составляет двойную величину горизонтального разнесения геометрических центров фотоприемников первой и второй телекамер, при этом вход селектора синхроимпульсов подключен к выходу «видео» второй телекамеры, выход кадровых синхроимпульсов селектора подключен через блок задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора электронной таблицы, а выход строчных синхроимпульсов селектора соответственно - к входу строчной синхронизации генератора электронной таблицы и к первому входу формирователя сигнала синхронизации, второй вход которого подключен к выходу блока задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» первой телекамеры, выход сигнала «сетчатое поле» генератора электронной таблицы подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, а выход сигнала «окошко» генератора электронной таблицы - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя, при этом выбор режима работы коммутатора-смесителя осуществляется по команде, подаваемой с компьютера на его управляющий вход, а в отличие от прототипа [1] фотоприемник первой и фотоприемник второй телекамеры соответственно выполнены согласно работе [см. 2, с. 64, рис 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии матриц КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K₁, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K₂, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K₃, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь величина коэффициента усиления K₁ фотоприемника второй телекамеры в β раз превышает величину коэффициента усиления K₁ фотоприемника первой телекамеры, где величина коэффициента β вычисляется по соотношению (1).The problem is solved by the fact that in the claimed device of a two-camera television system containing placed on its base the first ("wide-angle") and the second ("narrow-angle") television cameras, each of which consists of sequentially located and optically connected input lens ("wide-angle" or "Narrow-angle") and matrix photodetector, and the geometric centers of the photodetectors of both television cameras coincide vertically and are horizontally spaced by the base distance, and each of the television cameras is kinematically connected with the mechanism of angular movement of the direction of the optical axis, respectively, horizontally and vertically, and also connected in series along signal "video" switch-mixer and a personal computer, while the outputs of the first and second television cameras are connected respectively to the first and second inputs of the switch-mixer; the television system also includes the generator of the "grid field" spreadsheet and the "window" signal, the first laser designator and the "grid field" reflection table, which is located in the image plane of the television system, and the laser probe from the first laser the target designator is emitted in a channel made in the base of the television system in a direction parallel to its landing plane; the television system also includes a sync pulse selector, a frame delay unit, a synchronization signal generator and a second laser target designator emitting a laser probe in an additional channel made at the base of the television system in the direction of the reflection table parallel to the radiation from the first laser designator, and the distance between the laser designators probes horizontally is twice the horizontal separation of the geometric centers of the photodetectors of the first and second television cameras, while the input of the sync pulse selector is connected to the "video" output of the second television camera, the output of the frame sync pulses of the selector is connected through a frame delay unit to the frame synchronization input of the spreadsheet generator, and the output the horizontal sync pulses of the selector, respectively - to the input of the horizontal synchronization of the spreadsheet generator and to the first input of the synchronization signal generator, the second input of which is connected to the output of the frame delay unit , and the output is connected to the "synchro" input of the first TV camera, the signal output "grid field" of the spreadsheet generator is connected to the first control input of the switch-mixer, and the signal output "window" of the spreadsheet generator is connected to the second control input of the switch-mixer, while the choice of the operating mode of the switch-mixer is carried out by a command sent from the computer to its control input, and in contrast to the prototype [1], the photodetector of the first and the photodetector of the second television camera, respectively, are made according to [see. 2, p. 64, Fig. 1.18] on a sensor crystal made using CMOS matrix technology, by implementing the "coordinate addressing" method, and the sensor target consists of photodiode active pixels, each of which has a gain K ₁ , as well as a transistor MOS switch providing transmission video signal of the active pixel to the video bus, which combines all the active pixels of the target into active columns, each of which additionally has a video signal amplifier with a gain K ₂ , and the control of the MOS keys of the active pixels located horizontally is carried out using a separate horizontal (line ) buses, the total number of which determines the number of lines in the sensor, and the number of video buses - the number of elements (pixels) in each line of the sensor; at the same time, on the common crystal of the photodetector, its electronic "framing" is placed - the blocks that perform the scanning and formation of the output voltage of the video signal, namely: the vertical (vertical) scan register, which selects the line; key MOS transistors for each active column, ensuring the transmission of the video signal at the output of its amplifier to the corresponding input of the horizontal (line) multiplexer, which connects the video signal from each active pixel to the input of the output amplifier with a gain of K ₃ , while in the active pixels of the target sensors with a frame period accumulate charge packets of the current frame and simultaneously read the video information of the previous frame sequentially one after the other for each pixel of a single target line and consecutive line by line for the target as a whole, forming the voltage of the sensor video output signal at the output of the photodetector in analog form, and to compensate for optical losses, the magnitude of the gain K _{1 of the} photodetector of the second television camera is β times greater than the value of the gain K _{1 of the} photodetector of the first television camera, where the value of the coefficient β is calculated by relation (1).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы отличается от прототипа [1] реализацией в качестве фотоприемников первой и второй телекамер матричных приборов, изготовленных по технологии однокристальной КМОП.Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device of a two-chamber television system differs from the prototype [1] by the implementation of matrix devices made using single-chip CMOS technology as photodetectors of the first and second television cameras.

Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.The set of known and new features of the claimed device is not known from the prior art, therefore the proposed technical solution meets the criterion of novelty.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - схемотехническая организация фотоприемника КМОП в составе первой и второй телекамер; на фиг. 3 представлена отражательная таблица, соответствующая универсальной электронной испытательной таблице (УЭИТ); на фиг. 4 показано относительное положение растров первой и второй телекамер; на фиг. 5…6 приведены изображения с экрана монитора компьютера, наблюдаемые в процессе юстировки телевизионной системы.FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device; in fig. 2 - schematic organization of the CMOS photodetector as part of the first and second television cameras; in fig. 3 shows a reflection table corresponding to the universal electronic test table (UEIT); in fig. 4 shows the relative position of the rasters of the first and second cameras; in fig. 5 ... 6 show images from the computer monitor, observed in the process of adjusting the television system.

Заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы с юстировкой направления визирной оси и с повышенной чувствительностью до одинакового уровня каждого из каналов «свет - сигнал», см. фиг. 1, содержит первую («широкоугольную») телекамеру 1 с механизмом 1-1 углового перемещения оптической оси и вторую («узкоугольную») телекамеру 2 с механизмом 2-1 углового перемещения оптической оси, которые размещены на основании 3 телевизионной системы; коммутатор-смеситель 4; селектор 5 синхроимпульсов; генератор 6 таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко»; первый лазерный целеуказатель 7; второй лазерный целеуказатель 8; компьютер 9 и отражательную таблицу 10, при этом лазерный целеуказатель 7 через канал 11, выполненный в основании 3 телевизионной системы, формирует в плоскости отражательной таблицы 10 первое пятно 12 видимого спектра, а лазерный целеуказатель 8 через канал 13 - второе пятно 14, при этом выходы телекамер 1 и 2 подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя 4, а выход «видео» телекамеры 2 дополнительно - и к входу селектора 5 синхроимпульсов; выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) селектора 5 подключен через блок 15 задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора 6, а выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора 5 соответственно - к входу строчной синхронизации генератора 6 и к первому входу формирователя 16 сигнала синхронизации приемника, второй вход которого подключен к выходу блока 15 задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» телекамеры 1; выход сигнала «сетчатое поле» генератора 6 подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя 4, выход сигнала «окошко» - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя 4, выход которого подключен к входу «видео» компьютера 9, по команде с которого на управляющий вход коммутатора-смесителя 4 осуществляется выбор его режима работы и телевизионной системы.The claimed device of a two-camera television system with alignment of the direction of the sighting axis and with increased sensitivity to the same level of each of the "light-signal" channels, see FIG. 1, contains the first ("wide-angle") TV camera 1 with a mechanism 1-1 for angular movement of the optical axis and a second ("narrow-angle") TV camera 2 with a mechanism 2-1 for angular movement of the optical axis, which are located on the base 3 of the television system; switch-mixer 4; selector 5 sync pulses; generator 6 table "grid field" and signal "window"; the first laser designator 7; the second laser designator 8; computer 9 and reflective table 10, while the laser designator 7 through channel 11, made in the base 3 of the television system, forms in the plane of the reflective table 10 the first spot 12 of the visible spectrum, and the laser designator 8 through channel 13 - the second spot 14, while the outputs TV cameras 1 and 2 are connected respectively to the first and second inputs of the switch-mixer 4, and the “video” output of the TV camera 2 is additionally connected to the input of the sync pulse selector 5; the output of the vertical sync pulses (CSI) of the selector 5 is connected through the frame delay unit 15 to the input of the vertical synchronization of the generator 6, and the output of the horizontal sync pulses (SSI) of the selector 5, respectively, to the input of the horizontal synchronization of the generator 6 and to the first input of the generator 16 of the receiver synchronization signal, the second whose input is connected to the output of the frame delay unit 15, and the output is connected to the input of the "synchro" TV camera 1; the output of the signal "mesh field" of the generator 6 is connected to the first control input of the switch-mixer 4, the output of the signal "window" to the second control input of the switch-mixer 4, the output of which is connected to the "video" input of the computer 9, on command from which to the control the input of the switch-mixer 4 is used to select its operating mode and television system.

Фотоприемник на КМОП каждой из телекамер (см. фиг. 2) содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 17, регистр кадровой развертки в позиции 18 и мультиплексор строчной развертки в позиции 19.The CMOS photodetector of each of the cameras (see Fig. 2) contains on a common crystal a photoreceiving area (target) at position 17, a vertical scan register at position 18 and a line scan multiplexer at position 19.

Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 17-1, усилитель 17-2 с коэффициентом усиления K₁ и МОП-ключ (ключевой МОП-транзистор в позиции 17-3.Each active pixel of the target contains a light-sensitive area (area) 17-1, an amplifier 17-2 with a gain K ₁ and a MOS switch (a key MOS transistor in position 17-3.

Управление ключевого МОП-транзистора 17-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 17-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 18 кадровой развертки.The control of the key MOS transistor 17-3 pixels for each line of the photodetector is carried out using a separate (own) line bus 17-4, which transmits a control signal from the corresponding output of the frame scan register 18.

Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 17-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 17-5, а затем - на вход усилителя столбца 17-6 с коэффициентом усиления K₂. Далее с выхода усилителя 17-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 17-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 19, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 17-8 с коэффициентом усиления K₃ для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора.The video signal from the output of each key MOS transistor 17-3 for each active pixel of an individual taken active column is transmitted to the video bus 17-5, and then to the input of the amplifier of the column 17-6 with a gain K ₂ . Further, from the output of the amplifier 17-6 using a key MOS transistor 17-7, controlled from one of the outputs of the multiplexer 19, the video signal is transmitted to the input of the output amplifier 17-8 with a gain K ₃ to obtain the required level of the analog video signal of the current pixel of this active column at the sensor output.

Заметим, что выходной усилитель 17-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.Note that the output amplifier 17-8 is not a member of this particular active column, but is a common element for all active columns of the device.

То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других активных столбцов мишени 17 сенсора.The same video signal shaping occurs within the other active columns of the sensor target 17.

В результате на выходе усилителя 17-8 в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.As a result, at the output of the amplifier 17-8 in a rectangular raster, one after the other for each pixel of a separate line and sequentially line by line for the target as a whole, the voltage of the output video signal of the photodetector is formed in analog form.

Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник, но и блоки развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.Thanks to the CMOS technology adopted for the manufacture of the sensor, it is possible to integrate into one common crystal not only a photodetector, but also scanners of a television camera, which can be implemented with a significant decrease in their power consumption.

Блоки телевизионной системы, предназначенные для заводской юстировки направления визирной оси, см. фиг. 1, в т.ч.: коммутатор-смеситель 4, селектор 5 синхроимпульсов, генератор 6 таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», первый лазерный целеуказатель 7, второй лазерный целеуказатель 8, компьютер 9, блок 15 задержки по кадру, формирователь 16 ССП, а также необходимее принадлежности для выполнения этой юстировки, в т.ч.: механизм 1-1 углового перемещения оптической оси телекамеры 1; механизм 2-1 углового перемещения телекамеры 2; основание 3 телевизионной системы с каналами 11 и 13; отражательная таблица 10, - ничем не отличаются от соответствующих блоков и принадлежностей прототипа [1].Television system blocks for factory alignment of the sighting axis direction, see FIG. 1, including: switch-mixer 4, sync pulse selector 5, generator 6 of the grid field table and the window signal, the first laser designator 7, the second laser designator 8, computer 9, frame delay unit 15, shaper 16 SSPs, as well as the necessary accessories for performing this adjustment, including: mechanism 1-1 for angular movement of the optical axis of the television camera 1; mechanism 2-1 angular movement of the camera 2; base 3 of a television system with channels 11 and 13; reflective table 10, - no different from the corresponding blocks and accessories of the prototype [1].

Селектор 5 синхроимпульсов предназначен для выделения из полного телевизионного сигнала, вырабатываемого на выходе «видео» телекамеры 2, импульсов КСИ и ССИ.The selector 5 sync pulses is designed to extract from the complete television signal, generated at the output of the "video" of the TV camera 2, pulses KSI and SSI.

Коммутатор-смеситель 4 предназначен для формирования на выходе:The mixer-mixer 4 is designed to form at the output:

в режиме 1 - полного телевизионного сигнала (композитного видеосигнала) от телекамеры 1 и «наложенного» на него сигнала «сетчатое поле»;

in mode 1 - a complete television signal (composite video signal) from camera 1 and a “mesh field” signal "superimposed" on it;

в режиме 2 - композитного видеосигнала комбинированного изображения, состоящего из видеосигнала от телекамеры 2 в пределах «окошка» и видеосигнала от телекамеры 1 на остальной части ее растра при сохранении на всей площади сигнала «сетчатое поле».

in mode 2 - composite video signal of the combined image, consisting of the video signal from the TV camera 2 within the "window" and the video signal from the TV camera 1 on the rest of its raster while maintaining the entire signal area of the "mesh field".

Выбор режима работы (режима 1 или режима 2) коммутатора-смесителя 4 осуществляется по команде с компьютера 9.The choice of the operating mode (mode 1 or mode 2) of the mixer-mixer 4 is carried out by command from the computer 9.

Генератор 6 предназначен для формирования в режиме ведомой синхронизации от КСИ и ССИ двух выходных импульсных сигналов, а именно: сигнала «сетчатое поле» и сигнала «окошко».Generator 6 is designed to generate two output pulse signals in the slave synchronization mode from the CSI and SSI, namely: the "mesh field" signal and the "window" signal.

Сигнал «сетчатое поле» имеет формат кадра, равный формату кадра фотоприемников телекамер. В нашем примере этот формат 4/3, а электронная таблица содержит 24 клетки по горизонтали и 18 клеток по вертикали, как показано на фиг. 5 и 6.The "mesh field" signal has a frame format equal to the frame format of the photodetectors of television cameras. In our example, this format is 4/3 and the spreadsheet contains 24 cells horizontally and 18 cells vertically, as shown in FIG. 5 and 6.

Сигнал «окошко» в пределах растра имеет ширину в единицах времени, равную расстоянию между лазерными зондами, которое кратно числу электронных клеток таблицы «сетчатое поле». По вертикали сигнал «окошко» занимает половину высоты растра.The signal "window" within the raster has a width in units of time equal to the distance between the laser probes, which is a multiple of the number of electronic cells in the table "grid field". Vertically, the "window" signal occupies half of the raster height.

Отражательная таблица 10 используется в качестве оптического теста при выполнении процесса юстировки телевизионной системы.Reflector table 10 is used as an optical test during the television alignment process.

Пример выполнения отражательной таблицы 10, показанной на фиг. 3, соответствует универсальной электронной испытательной таблице (УЭИТ), являясь ее компьютерной распечаткой.An exemplary embodiment of the reflection table 10 shown in FIG. 3 corresponds to the universal electronic test chart (UEIT), being its computer printout.

Блок 15 задержки по кадру реализует на интервал полукадра временную задержку кадрового синхроимпульса (КСИ) от телекамеры 2.The frame delay unit 15 implements the time delay of the frame sync pulse (CSI) from the TV camera 2 for the half-frame interval.

Формирователь 16 сигнала синхронизации обеспечивает получение на выходе по сигналам строк и кадров сигнала синхронизации приемника (ССП) с временными характеристиками его составляющих по ГОСТ 7845-92.The generator 16 of the synchronization signal ensures that the receiver synchronization signal (SSP) with the time characteristics of its components according to GOST 7845-92 is obtained at the output from the lines and frames signals.

Как и в прототипе [1], здесь реализован режим принудительной внешней синхронизации телекамеры 1 от телекамеры 2 путем подачи на вход «синхро» телекамеры 1 сигнала синхронизации приемника (ССП), создаваемого на выходе формирователя 16.As in the prototype [1], here the mode of forced external synchronization of the TV camera 1 from the TV camera 2 is implemented by applying to the input of the “synchro” TV camera 1 a receiver synchronization signal (SSP) created at the output of the shaper 16.

Особенностью этого режима является задержка на полукадр момента начала вертикальной синхронизации телекамеры 1 относительно аналогичного момента для телекамеры 2. Режим синхронизации иллюстрирует фиг. 4, где представлено взаимное расположение растров телекамер. На этом рисунке прямоугольник со сплошной заливкой обозначает растр телекамеры 1, а границы растра телекамеры 2 отмечены штрихпунктирной линией. Прямоугольник с размерами (а × b), имеющий штриховку «от центра», показывает растровое положение сигнала «окошко».A feature of this mode is a half-frame delay of the start of vertical synchronization of camera 1 relative to a similar moment for camera 2. The synchronization mode is illustrated in FIG. 4, which shows the relative position of the camera rasters. In this figure, a solid rectangle denotes the raster of camera 1, and the borders of the raster of camera 2 are marked with a dash-and-dot line. A rectangle with dimensions (a × b), hatched from the center, shows the raster position of the window signal.

В конструкциях обеих телекамер, как и в прототипе [1], предусмотрены механизмы 1-1 и 2-1 для выполнения углового перемещения оптической оси каждой из телекамер.In the designs of both television cameras, as in the prototype [1], mechanisms 1-1 and 2-1 are provided to perform the angular movement of the optical axis of each of the cameras.

Технологический процесс заводской юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, осуществляемый, как и в прототипе [1], представлен на фиг. 1.The technological process of factory alignment of the direction of the sighting axis of a two-camera television system, carried out, as in the prototype [1], is shown in Fig. 1.

Упомянутые выше режимы работы 1 и 2 для коммутатора-смесителя 4 будем рассматривать и как два основных режима работы телевизионной системы.The aforementioned modes of operation 1 and 2 for the switch-mixer 4 will be considered as the two main modes of operation of the television system.

Коммутатор-смеситель 4 в режиме 1 по команде с компьютера 9 подает на его вход «видео» полный телевизионный сигнал от телекамеры 1, а в режиме 2 - композитный видеосигнал комбинированного изображения от телекамер 1 и 2 одновременно.Switch-mixer 4 in mode 1, on command from computer 9, sends to its “video” input a complete television signal from camera 1, and in mode 2 - a composite video signal of a combined image from cameras 1 and 2 simultaneously.

От генератора 6 в выходной видеосигнал коммутатора-смесителя 4 добавляется маркерный сигнал «сетчатое поле», а в режиме 2 дополнительно выполняется коммутация входных видеосигналов по управляющему сигналу «окошко».From the generator 6 to the output video signal of the switch-mixer 4 a marker signal "mesh field" is added, and in mode 2, the input video signals are additionally switched by the control signal "window".

Получаемый в результате всех этих операций видеосигнал воспроизводится на жидкокристаллическом экране монитора компьютера 9.The resulting video signal is reproduced on the LCD screen of the computer monitor 9.

В режиме 1 (см. фиг. 5) на экране компьютера 9 воспроизводится изображение «УЭИТ», сигнал «сетчатое поле», пятно от лазерного целеуказателя 7 и пятно от лазерного целеуказателя 8.In mode 1 (see Fig. 5), the computer screen 9 displays the image "UEIT", the signal "mesh field", the spot from the laser designator 7 and the spot from the laser designator 8.

В режиме 2 (см. фиг. 6) на экране компьютера 9 будет воспроизводиться изображение «УЭИТ» с увеличенным в пределах «окошка» его фрагментом, сигнал «сетчатое поле», пятно от лазерного целеуказателя 7, пятно от лазерного целеуказателя 8, а также третье пятно увеличенного диаметра по отношению к диаметрам первых двух пятен. На фиг. 6 положение «окошка» в растре отмечено пунктирной линией. Увеличение изображения «окошка» происходит в соответствии с кратностью масштабирования, равного отношению фокусного расстояния второй телекамеры к фокусному расстоянию первой телекамеры.In mode 2 (see Fig. 6), the computer screen 9 will display the image "UEIT" with its fragment enlarged within the "window", the signal "mesh field", the spot from the laser designator 7, the spot from the laser designator 8, and the third spot of increased diameter in relation to the diameters of the first two spots. FIG. 6 the position of the "window" in the raster is marked with a dotted line. The "window" image is enlarged in accordance with the zoom factor equal to the ratio of the focal length of the second television camera to the focal length of the first television camera.

Точность совмещения всех трех пятен с узловыми точками электронной таблицы «сетчатое поле» определяется толщиной линий этого теста по горизонтали и вертикали. Будем считать, что толщина электронного маркера по горизонтали и вертикали составляет два элемента по каждому направлению.The accuracy of alignment of all three spots with the anchor points of the gridded field spreadsheet is determined by the horizontal and vertical line widths of this test. Let's consider that the thickness of the electronic marker horizontally and vertically is two elements in each direction.

Предположим, что новые фотоприемники КМОП имеют, как и у матриц ПЗС прототипа [1], число элементов мишени 768(H)×576(V), размер мишени

дюйма или (6,4×4,8) мм при формате 4/3. Сохраним и величину фокусного расстояния для объектива телекамеры 1 (ƒ₁=30 мм.), т.е. угловое поле зрения первой телекамеры составляет (12×7,8) град.Suppose that the new CMOS photodetectors have, as in the prototype CCDs [1], the number of target elements is 768 (H) × 576 (V), the target size is

inches or (6.4 x 4.8) mm in 4/3 format. Let's also keep the focal length for the camera lens 1 (ƒ ₁ = 30 mm.), I.e. the angular field of view of the first television camera is (12 × 7.8) degrees.

Тогда в режиме 1 работы телевизионной системы имеем величину погрешности (Δ) направления визирования в миллирадах:Then, in mode 1 of the television system operation, we have the error (Δ) of the sighting direction in millirades:

В результате по соотношению (2) получаем величину ошибки направления визирования, равную 0,54 мрад.As a result, using relation (2), we obtain the magnitude of the sighting direction error equal to 0.54 mrad.

В режиме 2 работы телевизионной системы погрешность (Δ) будет в четыре раза меньше (0,14 мрад), т.к. фокусное расстояние объектива ƒ₂=120 мм., а угловое поле зрения по горизонтали составляет здесь не двенадцать, а три угловых градуса. Это означает, что точность выполнения регулировочной работы на заключительном этапе возрастает тоже пропорционально, т.е. в четыре раза.In mode 2 of the television system operation, the error (Δ) will be four times less (0.14 mrad), because the focal length of the lens is ƒ ₂ = 120 mm, and the horizontal angular field of view here is not twelve, but three angular degrees. This means that the accuracy of the adjustment work at the final stage also increases proportionally, i.e. four times.

Формирование напряжения видеосигнала непосредственно в каждом активном пикселе КМОП сенсора позволяет отказаться от неизбежного протаскивания заряда для ПЗС-сенсора по всей строке, а поэтому - избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.Formation of the video signal voltage directly in each active pixel of the CMOS sensor eliminates the inevitable charge dragging for the CCD sensor along the entire line, and therefore, avoids specific distortions associated with the inefficiency of the charge packet transfer.

Это дает возможность реализации в КМОП-фотоприемниках более высокой частоты опроса или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке.This makes it possible to implement a higher sampling rate in CMOS photodetectors or, at the same sampling rate, to significantly increase the number of pixels per line.

Это означает, что в соотношении (2) величина 768 потенциально может быть заменена на другой, более высокий показатель, а в результате этого погрешность (Δ) направления визирования будет соответственно уменьшаться. Следовательно, точность юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы будет обязательно повышаться.This means that in relation (2) the value 768 can potentially be replaced by another, higher indicator, and as a result of this, the error (Δ) of the sighting direction will accordingly decrease. Therefore, the accuracy of alignment of the direction of the sighting axis of the two-camera television system will necessarily increase.

Устанавливая на мишенях фотоприемных матриц КМОП необходимое соотношение в β раз коэффициентов усиления светочувствительных элементов, в заявляемом решении осуществляется относительная компенсация потерь оптических элементов телекамер системы и достижение повышенной до одинакового уровня чувствительности каждого из каналов «свет - сигнал».By setting on the targets of the CMOS photodetector matrices the required ratio of β times the amplification factors of the photosensitive elements, the claimed solution compensates for the loss of the optical elements of the TV cameras of the system and achieves an increased sensitivity of each of the "light-signal" channels to the same level.

Важно отметить, что сам процесс этого усиления в фотоприемнике КМОП является усилением фотогенерированных зарядовых сигналов, т.е. докоммутационным усилением, вносящим минимум шумов.It is important to note that the very process of this amplification in a CMOS photodetector is an amplification of photogenerated charge signals, i.e. pre-switching amplification, which introduces a minimum of noise.

В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.At present, all blocks of the proposed solution have been mastered or can be mastered by the domestic industry, therefore, the proposed invention should be considered as corresponding to the requirement of industrial applicability.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Патент РФ №2504915. МПК H04N 5/225, G01C 3/00. Способ юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №2.1. RF patent No. 2504915. IPC H04N 5/225, G01C 3/00. A method for adjusting the direction of the sighting axis of a two-camera television system and a device for its implementation. / V.M. Smelkov // B.I. - 2014. - No. 2.

2. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.2. Berezin V.V., Umbitaliev A.A., Fakhmi Sh.S., Tsytsulin A.K. and Shipilov N.N. The Solid State Revolution in Television: TV Systems Based on CCD, System-on-Chip and Video-on-Chip. Ed. A.A. Umbitaliev and A.K. Tsytsulin. - M .: "Radio and Communication", 2006.

Claims

The device of a two-camera television system with adjustment of the direction of the sighting axis and with increased sensitivity to the same level for each of the "light-signal" channels, containing the first ("wide-angle") and second ("narrow-angle") television cameras located on its base, each of which consists from sequentially located and optically coupled input lens ("wide-angle" or "narrow-angle") and a matrix photodetector, and the geometric centers of the photodetectors of both television cameras coincide vertically and are horizontally spaced by the base distance, and each of the television cameras is kinematically connected with the mechanism of angular movement of the direction the optical axis, respectively, horizontally and vertically, as well as a switcher-mixer and a personal computer connected in series by the video signal, while the outputs of the first and second television cameras are connected respectively to the first and second inputs of the switcher-mixer; the television system also includes the generator of the "grid field" spreadsheet and the "window" signal, the first laser designator and the "grid field" reflection table, which is located in the image plane of the television system, and the laser probe from the first laser the target designator is emitted in a channel made in the base of the television system in a direction parallel to its landing plane; the television system also includes a sync pulse selector, a frame delay unit, a synchronization signal generator and a second laser target designator emitting a laser probe in an additional channel made at the base of the television system in the direction of the reflection table parallel to the radiation from the first laser designator, and the distance between the laser designators probes horizontally is twice the horizontal separation of the geometric centers of the photodetectors of the first and second television cameras, while the input of the sync pulse selector is connected to the "video" output of the second television camera, the output of the frame sync pulses of the selector is connected through a frame delay unit to the frame synchronization input of the spreadsheet generator, and the output the horizontal sync pulses of the selector, respectively - to the input of the horizontal synchronization of the spreadsheet generator and to the first input of the synchronization signal generator, the second input of which is connected to the output of the frame delay unit , and the output is connected to the "synchro" input of the first TV camera, the signal output "grid field" of the spreadsheet generator is connected to the first control input of the switch-mixer, and the signal output "window" of the spreadsheet generator is connected to the second control input of the switch-mixer, while the choice of the operating mode of the switch-mixer is carried out by a command sent from the computer to its control input, characterized in that the photodetector of the first and the photodetector of the second television camera, respectively, are made on a sensor crystal made by the technology of complementary structures "metal-oxide-semiconductor" (CMOS matrices) , by implementing the "coordinate addressing" method, and the sensor target consists of photodiode active pixels, each of which has a gain K ₁ , as well as a transistor MOS switch, which provides the transmission of the video signal of the active pixel to the video bus, which combines all active pixels of the target into active columns, each of which has an additional a video signal amplifier with a gain of K ₂ , and the control of the MOS keys of active pixels located horizontally is carried out using a separate horizontal (line) bus, the total number of which determines the number of lines in the sensor, and the number of video buses - the number of elements (pixels) in each line of the sensor; at the same time, on the common crystal of the photodetector, its electronic "framing" is placed - blocks that perform scanning and formation of the output voltage of the video signal, namely: a vertical (vertical) scan register that selects a line; key MOS transistors for each active column, ensuring the transmission of the video signal at the output of its amplifier to the corresponding input of the horizontal (line) multiplexer, which connects the video signal from each active pixel to the input of the output amplifier with a gain of K ₃ , while in the active pixels of the target sensors with a frame period accumulate charge packets of the current frame and simultaneously read the video information of the previous frame sequentially one after the other for each pixel of a single line of the target and sequentially line by line for the target as a whole, forming the voltage of the output video signal of the sensor at the output of the photodetector in analog form, and to compensate for optical losses, the value of the gain K _{1 of the} photodetector of the second TV camera is β times greater than the value of the gain K _{1 of the} photodetector of the first TV camera of the TTP, where the value of the coefficient β is calculated by the ratio:

where D ₁ / ƒ ₁ is the relative aperture of the lens of the first television camera;

τ ₁ is the transmission coefficient of the lens of the first television camera;

D ₂ / ƒ ₂ - relative aperture of the lens of the second television camera;

τ ₂ - transmission coefficient of the lens of the second television camera,

D ₁ and D ₂ - effective diameter of the entrance pupil of the objective for the first and second television cameras, respectively;

ƒ ₁ and ƒ ₂ - lens focal lengths for these cameras, respectively.