Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния и перспективы развития приборов для наблюдения ночью . 15
1.1. Основные проблемы, стоящие перед техникой ночного видения. 15
1.2. Приборы ночного видения (ПНВ) на базе ЭОП. 15
1.3. Низкоуровневые телевизионные системы (НТВС). 16
1.4. Тепловизионные приборы, радио- и звуковизоры. 16
1.5. Активно-импульсные приборы ночного видения (АИ ПНВ). 21
1.6. Постановка задачи и направления исследований, определяющие содержание диссертации. 36
Выводы к главе 1. 37
2. Методы расчета характеристик обнаружения и распознавания объектов наблюдения в АИ ПНВ. 39
2.1. Метод расчета поисковых характеристик при использовании АИ ПНВ. 39
2.2. Методы обнаружения и распознавания в АИ ПНВ объектов наблюдения по бликам, отраженным от оптических или оптико-электронных средств этих объектов . 44
2.4. Методы расчета дальности обнаружения и распознавания в АИ ПНВ. 54
2.3. Метод расчета дальности обнаружения и распознавания в НТВС без ЭОП. 76
Выводы к главе 2. 83
3. Принципы и методы проектирования рациональных схем АИ ПНВ с повышенными характеристиками . 84
3.1. Общие принципы проектирования рациональных схем АИ ПНВ. 84
3.2. Методы разработки схем АИ ПНВ для работы при пониженной прозрачности атмосферы. 85
3.3. Методы создания схем АИ ПНВ для работы при воздействии мощных световых помех. 87
3.4. Метод проектирования схем АИ ТВ ПНВ с повышенной частотно-контрастной характеристикой . 109
3.5. Методы разработки схем АИ ПНВ с повышенной точностью измерения дальности. 126
3.6. Методы проектирования схем АИ ПНВ для прицеливания. 127
3.7. Методы проектирования схем безтрассового контроля характеристик АИ ПНВ. 136
Выводы к главе 3. 142
4. Методы проектирования рациональных схем АИ ПНВ для работы по труднообнаруживаемым и трудноотслеживаемым объектам. 144
4.1. Методы разработки схем АИ ПНВ для наблюдения подвижных объектов. 144
4.2. Методы проектирования схем АИ ПНВ для наблюдения разноудаленных объектов. 147
4.3. Методы обеспечения достаточных яркости и масштаба изображения при работе АИ ПНВ по разноудаленным объектам . 148
4.4. Методы разработки схем АИ ПНВ для работы по наклонной трассе. 150
4.5. Методы создания схем АИ ПНВ для формирования цветных изображений малоконтрастных объектов. 156
4.6. Метод разработки схемы автоматического распознавания объектов в АИ ПНВ с помощью лазерного когерентно-оптического коррелятора. 159
Выводы к главе 4. 163
5. Анализ существующих лазеров сточки зрения их использования для построения АИ ПНВ . 166
5.1. Общие соображения. 166
5.2. Газовые лазеры. 167
5.3. Лазеры на красителях и лазеры с центрами окраски. 170
5.4. Твердотельные лазеры. 174
5.5. Полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком (ПЛЭН). 181
5.6. Полупроводниковые инжекционные лазеры. 186
5.7. Методы построения устройств импульсного лазерного подсвета для АИ ПНВ. 196
Выводы к главе 5. 207
6. Методы рациональной разработки основных элементов АИ ПНВ. 208
6.1. Общие принципы рационального создания основной элементной базы АИ ПНВ. 208
6.2. Методы разработки рациональных схем оптических систем формирования излучения импульсных лазерных полупроводниковых излучателей (ИЛПИ). 209
6.3. Методы выбора импульсного ЭОП и исследование его работы в импульсном режиме. 232
6.4. Методы разработки схем приемных оптических систем АИ ПНВ. 252
Выводы к главе 6. 273
7. Исследование возможности создания многоканальных приборных комплексов с использованием лазерных АИ ПНВ . 276
7.1. Основные методы рационального построения лазерных многоканальных приборных комплексов и разработка требований к АИ ПНВ как составной их части. 276
7.2. Методы построения возимых лазерных многоканальных приборов с использованием АИ ПНВ. 284
7.3. Методы построения лазерных портативных и переносных многоканальных приборов с использованием АИ ПНВ. 308
7.4. Методы вывода интегрированного изображения на единый индикатор. 319
7.5. Методы построения лазерных многоканальных ПНВ для роботизированных систем. 332
Выводы к главе 7. 339
Заключение. 341
Литература.
- Низкоуровневые телевизионные системы (НТВС).
- Методы обнаружения и распознавания в АИ ПНВ объектов наблюдения по бликам, отраженным от оптических или оптико-электронных средств этих объектов
- Метод проектирования схем АИ ТВ ПНВ с повышенной частотно-контрастной характеристикой
- Методы обеспечения достаточных яркости и масштаба изображения при работе АИ ПНВ по разноудаленным объектам
Введение к работе
В настоящее время исключительную актуальность имеет решение проблемы обнаружения и распознавания объектов ночью в условиях ограниченной видимости: при любом уровне естественной ночнсй освещенности (ЕНО) вплоть до полной темноты, при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад, пыль и пр.), при воздействии световых помех (излучение фар, прожекторов, трассеров, пламя костров и пожаров, вспышки выстрелов, взрывов и пр.).
Решение этой кардинальной задачи всегда было насущной необходимостью, обусловленной жесткими требованиями развития современной техники, потребностями высокоразвитой технологии. Это имеет первостепенное значение для современной техники и даст возможность решить следующие проблемы в условиях ограниченной видимости ночью:
1. вождение транспортных средств, наблюдение и прицеливание,
2. обеспечение добычи полезных ископаемых открытым и шахтным способом, проведение поисково-спасательных работ в чрезвычайных ситуациях, 4.строительно-монтажные работы, обеспечение работы правоохранительных органов.
Все эти разносторонние глобальные проблемы требуют разработки нового класса приборов, способных обеспечить видимость в широком диапазоне изменения внешних условий. Создание таких приборов является важнейшей народно-хозяйственной задачей.
Достижения в области квантовой электроники позволили создать новые типы достаточно мощных импульсных лазеров, на базе которых стало возможным создание активно-импульсных приборов ночного видения (АИ ПНВ) /1/, способных решить эту задачу.
Лазерные АИ ПНВ не только решают все перечисленные проблемы в условиях ограниченной видимости, но и обеспечивают также точное измерение дальности до наблюдаемых объектов и визуализацию инфракрасного (ИК) лазерного излучения в дневных условиях. Стоимость АИ ПНВ в 4-5 раз превышает стоимость обычных ПНВ, но в 10-20 раз ниже, чем у тепловизионных (ТПВ) приборов.
Современное состояние развития АИ ПНВ достаточно подробно изложено в работах /145-147, 180, 184/. Анализ отечественных и зарубежных источников информации с 1966 по 1996гг. показал возрастающую роль АИ ПНВ при наблюдении в условиях ухудшенной видимости /1, 3, 7-38, 42, 43, 128, 145, 180,184,208-210, 213, 214, 219/. Первоначально считалось, что в таких условиях наилучшие показатели дают ТПВ приборы. Однако последние могут работать далеко не во всех дымках и туманах, обеспечивают видимость при воздействии световых помех только при условии, что их спектр не совпадает со спектральным диапазоном чувствительности фотоприемного устройства ТПВ приборов. Эти приборы дороги и сложны в эксплуатации. Всех этих недостатков лишены АИ ПНВ, которые могут к тому же обеспечить точное измерение дальности до объекта наблюдения.
В основу работы лазерных АИ ПНВ заложен импульсный метод наблюдения, предложенный в 1936г. академиком А.А. Лебедевым /1/. Сущность метода сводится к следующему. Объект наблюдения освещается короткими световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. При этом объект наблюдается в оптический прибор, снабженный быстродействующим затвором, открывающимся в такт с посылкой световых импульсов на определенное время. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса.
В дальнейшем этот метод был описан в зарубежной литературе /3.11,15, 43/, где назывался методом стробирования по дальности (Gated Viewing). Ощутимого прогресса в развитии АИ ПНВ удалось добиться за счет использования созданных в конце 40-х годов М.М. Бутсловым и его коллективом импульсных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) /4, 8, 64-70, 221/ и с появлением в начале 60-х годов импульсных лазеров /91, 94/, обладающих по сравнению с ламповыми источниками света /5, 6/ высокой яркостью и направленностью излучения, его монохроматичностью (позволяющей использовать в АИ ПНВ узкополосные фильтры, отсекающие излучение световых помех) и малой длительностью импульсов излучения (позволяющей резко повысить контраст изображения в сильно рассеивающих средах, увеличить точность измерения дальности и степень защиты от световых помех).
АИ аппаратура получила развитие в исследованиях НТЦ ГОИ /7, 9, 237, 238/ и НПО "Орион" /131, 173/. В НТЦ ГОИ разработки велись с использованием твердотельных, а в НПО "Орион" - полупроводниковых лазеров. Последние обладают предельно низкой массой, габаритами и энергопотреблением, высокими эксплуатационными характеристиками, что позволило создать промышленные образцы малогабаритных АИ ПНВ с повышенной дальностью действия.
За рубежом работы по созданию АИ ПНВ проводились главным образом в США в том же направлении, что и в России. В частности, фирма LDL разработала удерживаемый в руках АИ ПНВ с дальностью действия до 100м и массой 6,8 кг /11/. Отечественный ПНВ аналогичного назначения имел дальность действия до 300 м при массе до 3 кг /184/. За последние годы используется вывод изображения в телевизионный (ТВ) канал, чаще всего выполненный на базе ПЗС-матрицы, стыкуемый с ЭОП 2-го или 3-го поколений /197, 221/.
Исследования последних лет показали, что АИ ПНВ могут обеспечивать дальности опознавания: ростовой фигуры человека - до 1000м, автомашины - до 6000м, головы пловца - несколько сот метров, шлюпки - до 2000м, катера - до 6000м, корабля -до 25000м /184, 200/.
Целью работы является создание методов рациональной разработки лазерных АИ ПНВ как класса лазерных приборов с учетом современных требований и долгосрочной перспективы их развития.
Основная идея работы состоит в разработке методов рационального построения АИ ПНВ как в качестве самостоятельных лазерных приборов, так и в составе лазерного многоканального приборного комплекса, работающего в широком диапазоне изменения внешних условий.
Постановка задачи.
1. Разработка методов расчета дальности обнаружения и распознавания объектов наблюдения в АИ ПНВ с учетом наиболее полного преобразования информации во всех элементах оптико-электронного тракта при использовании импульсного лазерного подсвета, начиная от объекта и кончая зрительным анализатором.
2. Разработка методов рационального построения схем лазерных АИ ПНВ с высокой степенью адаптивности к изменению внешних условий.
Разработка методов рационального построения основной элементной базы АИ ПНВ: приемной оптики, импульсных лазерных излучателей и на их основе - лазерных осветителей (устройств импульсного подсвета), оптических систем формирования их излучения, импульсных ЭОП.
Разработка методов рационального построения схем многоканальных (многоспектральных) ПНВ с использованием в качестве канала распознавания АИ ПНВ, допускающих высокие вероятности обнаружения и распознавания в широком диапазоне изменения внешних условий.
Разработка метода автоматического обнаружения и распознавания объектов наблюдения с использованием лазерного когерентно-оптического коррелятора.
Решение такой задачи предусматривало по существу создание методов проектирования нового направления усовершенствованных лазерных АИ ПНВ на основе обобщения прогрессивного опыта их разработки. Результаты проведенных исследований и созданные методы носят приоритетный характер и нашли отражение в 120 печатных трудах, в том числе в 24 патентах на устройства лазерных АИ ПНВ, лазерные осветители, приемную и передающую оптику, импульсные ЭОП, устройства измерения параметров и имитации работы АИ ПНВ.
Методы исследований.
В качестве методической основы использованы современные методы исследований приборов квантовой электроники, расчета лазерных оптико-электронных приборов и их оптических систем, теория проведения экспериментов и математической обработки их результатов, техника лабораторных и натурных исследований, оптическая и оптико-электронная метрология приборов в целом и основных элементов с использованием серийно выпускаемых стендов и аттестованной лабораторной аппаратуры.
Поставленная задача и пути ее решения определили следующее построение диссертационной работы:
Введение - освещение состояния проблемы, общие соображения, основные идеи работы, решаемые задачи и обоснование структуры диссертации.
В первой главе рассматривается современное состояние и перспективы развития приборов различных типов для наблюдения ночью, обсуждаются их возможности и недостатки. На их основе показан приоритетный характер разработки лазерных АИ ПНВ. Сформулированы основные задачи диссертации и направления исследований, определяющие ее содержание.
В соответствии с этими задачами во второй главе диссертации излагаются методы поиска объектов наблюдения при использовании АИ ПНВ, методы расчета дальности обнаружения и распознавания объектов различного типа и приводятся результаты экспериментов, подтверждающих корректность предложенных методов
В третьей главе на основе разработанных методов расчета предложены основные принципы и методы проектирования рациональных схем построения АИ ПНВ с повышенными характеристиками.
Естественным продолжением третьей главы является четвертая глава, в которой рассмотрены методы проектирования рациональных схем АИ ПНВ для работы по труднообнаруживаемым и труднодоступным объектам наблюдения.
На основе предыдущих глав в пятой главе проведен анализ существующих лазеров с точки зрения их применения для построения АИ ПНВ. Установлено, что инжекционные импульсные лазерные полупроводниковые излучатели в наибольшей степени удовлетворяют требованиям рационального построения АИ ПНВ.
Исходя из изложенного выше, в шестой главе представлены методы рациональной разработки основной элементной базы АИ ПНВ: импульсного лазерного полупроводникового излучателя с интегратором, оптических систем формирования лазерного излучения, приемной оптики лазерных АИ ПНВ, импульсных ЭОП. Приводятся результаты соответствующих экспериментов.
В седьмой главе на базе предложенных ранее рациональных схем построения АИ ПНВ исследуются возможности создания лазерных многоканальных (многоспектральных) приборных комплексов с использованием АИ ПНВ как составного канала. Разработаны методы рационального построения таких комплексов в возимом, переносном и портативном исполнении для различных применений. Исследована проблема вывода разнородных изображений на единый индикатор, изучены вопросы построения приборного комплекса для роботизированной системы.
В заключении подводятся итоги выполненной работы и представлены перспективы дальнейшего развития.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Среди всех средств ночного видения лазерные АИ ПНВ выделяются повышенной адаптивностью к разнообразным внешним условиям их применения, причем наиболее высокая вероятность обнаружения и распознавания полезных объектов обеспечивается в сочетании АИ ПНВ сТПВ приборами.
2. Определение дальности действия (обнаружения, распознавания) АИ ПНВ с импульсным лазерным подсветом осуществляется в соответствии с методами расчета, учитывающими полное преобразование визуальной информации всеми элементами оптико-электронного тракта, включая и зрительный анализатор; при этом должна учитываться возможность выведения оконечного изображения как через окуляр, так и в ТВ канал.
3 Создание методов рационального проектирования оптико-электронных схем АИ ПНВ предусматривает максимальную дальность действия в разнообразных внешних условиях в сочетании с широкими поисковыми возможностями, высокой защищенностью от воздействия световых помех и точным измерением дальности до объекта наблюдения, возможностью работы по труднообнаруживаемым и трудноотслеживаемым объектам, т.е. схемы обеспечивают высокую степень адаптивности АИ ПНВ.
3. Разработка методов создания рациональных схем импульсных лазерных осветителей осуществляется на базе применения усовершенствованных импульсных лазерных полупроводниковых излучателей с учетом необходимости гомогенизации их излучения на основе теории интеграции последнего.
Разработка методов рационального проектирования приемной и лазерной оптики АИ ПНВ основывается на возможности работы в широкопольном режиме обнаружения и в узкопольном режиме распознавания; оптимальным вариантом является совмещение функций приема и передачи излучения.
Методы реализации импульсного режима работы ЭОП для совместной работы с импульсным лазерным осветителем предусматривают возможность обеспечения высокого качества изображения в этом режиме по сравнению с непрерывным (статическим) режимом.
6. Создание методов рационального построения схем лазерных комбинированных (комплексированных) многоканальных ПНВ основано на оптимальном сочетании разнородных каналов, при котором недостатки одних каналов компенсируются достоинствами других; при этом на АИ ПНВ ложится задача распознавания и измерения дальности (если в этом есть необходимость).
7. Метод автоматического обнаружения и распознавания объектов наблюдения предусматривает создание устройства на основе лазерного когерентно-оптического коррелятора, работающего совместно с лазерным АИ ПНВ.
Достоверность и обоснованность разработанных методов, научных положений, выводов и рекомендаций, выносимых на защиту, подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, высокой эффективностью схемных решений, макетов приборов, серийных образцов, испытанных как в лабораторных, так и в натурных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе анализа реальных возможностей всех типов ПНВ показаны роль и место лазерных АИ ПНВ, обеспечивающих обнаружение и распознавание различных объектов в широком диапазоне изменения внешних условий.
Разработаны методы расчета характеристик обнаружения и распознавания объектов наблюдения в лазерные АИ ПНВ с учетом наиболее полного преобразования информации во всех элементах оптико-электронного тракта, начиная от объекта наблюдения и кончая зрительным анализатором.
Разработаны методы рационального построения схем лазерных АИ ПНВ с высокой степенью адаптивности к внешним условиям и с высокими параметрами, в том числе с автоматическим обнаружением и распознаванием на базе лазерных когерентно-оптических корреляторов.
4. Разработаны методы рационального построения схем усовершенствованной элементной базы АИ ПНВ: импульсных лазерных излучателей и лазерных осветителей на их основе, оптических систем формирования лазерного излучения с высокой степенью однородности яркости в пятне подсвета, импульсных ЭОП
В соответствии с этими методами создан широкий диапазон образцов приемной оптики АИ ПНВ, допускающих их применение в лазерных АИ ПНВ различного назначения.
Разработаны методы рационального проектирования схем лазерных многоканальных (многоспектральных) ПНВ с использованием в качестве канала распознавания АИ ПНВ. допускающих работу в широком диапазоне изменения внешних условий.
7. Разработаны многоспектральные оптические системы лазерных комбинированных ПНВ.
Практическое значение работы заключается в следующем: - определение места и роли лазерных АИ ПНВ в современной технике, создание методов проектирования рациональных схем лазерных АИ ПНВ и многоспектральных ПНВ с использованием АИ ПНВ, разработка методов расчета дальности обнаружения и распознавания объектов наблюдения при использовании импульсного лазерного подсвета с наиболее полным учетом преобразования информации во всем оптико-электронном тракте, разработка методов построения рациональной элементной базы лазерных АИ ПНВ, в особенности импульсных лазерных полупроводниковых излучателей и оптики формирования их излучения, создание на уровне 24 изобретений и патентов устройств АИ ПНВ, передающей и приемной оптики, экспериментальных образцов 12 лазерных осветителей и 20 приборов наблюдения.
Реализация работы в промышленности
Разработанные научные положения и практические рекомендации по созданию АИ ПНВ внедрены в серийное производство на заводе ЦКБ "Точприбор" (г. Новосибирск), в разработках ЦКБ КМЗ (г. Красногорск Московской обл.), в разработках ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова, на ЦКБ Геофизика, в ИГД им. А.А. Скочинского, в АО ВНИИ Трансмаш, НИИ АС, НТЦ ГУП «НПО «Орион».
Методика расчета дальности действия внедрена практически на указанные выше предприятия, связанные с разработкой, производством и применением АИ ПНВ, а методика расчета гомогенизации лазерного излучения - в НИИ "Волга" (г. Саратов). Предложения по разработке лазерных многоканальных ПНВ внедрены в работы ГУП «НПО «Орион», ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова, ИГД им. А.А. Скочинского. Результаты расчетов оптических систем всех видов внедрены в разработки ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова, ЦКБ " Точприбор ", ЦКБ КМЗ, НИИ "Волга".
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Помехозащищенность приборов ночного видения" (1970г., Москва), на 3-м Всесоюзном симпозиуме по полупроводниковым лазерам (1974г., г. Саратов), на III Всесоюзном симпозиуме по полупроводниковым лазерам (1980г., г. Калуга), на ежегодном Межведомственном семинаре "Приборы ночного видения" (1983,1984,1985,1986,1988, 1990, 1991,1992 гг., г. Москва), на ХУ Международной научно - технической конференции по фотоэлектронике , электронным и ионно -плазменным технологиям (28.10. - 30.10.1998г., РФ, М., ГНЦ РФ ГУП «НПО «Орион», г. Москва), XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (25.05. - 27.05.2000г., РФ, М., ГНЦ РФ ГУП «НПО «Орион»), XVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (27.05. - 31.05.2002г., РФ, М., ГНЦ РФ ГУП «НПО «Орион»), XII Научно-технической конференции «Пути развития телевизионных фотоэлектронных приборов и устройств на их основе» (27.06. - 29.06.2001г., РФ, Санкт-Петербург, ОАО ЦНИИ ЭЛЕКТРОН), XVIII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (25 - 28.05.2004 г., РФ, М., ГНЦ РФ ГУП «НПО «Орион»).
Публикация.
Всего автором опубликован 121 научный труд, среди них 2 книги и 24 патента на изобретения.
Многие из исследований и разработок, вошедших в настоящую работу, выполнены в соавторстве с коллегами. Все совместные работы включены в приведенный ниже список литературы. Что касается выносимых в этой работе на защиту методик, положений и выводов, то их теоретическое и экспериментальное обоснование, формулировка и основное содержание принадлежат диссертанту и опираются на его исследования и ту часть в совместных работах, которая была выполнена им лично.
Диссертация содержит 223 страницы машинописного текста, 24 таблицы, 116 рисунков, список литературы из 290 наименований.
Проведению исследовании автора в значительной степени содействовала действенная поддержка научно-технического коллектива ФГУП «Альфа», за что выражаю ему глубокую благодарность.
Выражаю глубокую признательность за постоянное внимание к работе и плодотворное обсуждение ее результатов академику И.Л. Гейхману, д.т.н., д.т.н. профессору A.M. Онищенко. Приношу большую благодарность моим друзьям и сотрудникам В.Д. Гурвич-Макарову, В.И.Лелейкину, В.Г.Родионову, Р.И. Семеновой, оказавшим большую помощь в проведении исследований, макетировании экспериментальной аппаратуры, за доброжелательность и постоянное дружеское участие, а также всем сотрудникам ФГУП «Альфа», ГНЦ РФ ФГУП «НПО "Орион", АО ВНИИ «Трансмаш», ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова, ЦКБ "Точприбор", ЦКБ КМЗ, НИИЭПр, НИИ "Полюс", НИИ "Волга", за помощь и поддержку в процессе выполнения работы.
Особым своим долгом считаю почтить вечную память и выразить глубокую благодарность навсегда ушедшим от нас Е.Н. Васильеву, Б.Е. Дашевскому, Л.Н. Курбатову, СВ. Кусургашеву, A.M. Мечетину, Ю.И. Шевлягину, оказавшим огромное и бесценное влияние на развитие данного направления приборостроения.
Низкоуровневые телевизионные системы (НТВС).
Следующим шагом явилось создание НТВС /184, 197, 198, 204, 216, 217, 221/. В них также используется ЭОП, но вместо окуляра установлена оптика переноса, стыкующая ЭОП с ТВ камерой, чаще всего - на базе ПЗС - матрицы.
Достоинством НТВС является возможность дистанционной передачи изображения /121, 197/ и его дублирования для нескольких операторов. В ТВ канале возможны в определенных пределах регулировка контрастности изображения и подавление световых помех. В НТВС возможна обработка изображения в реальном масштабе времени и оперативный ввод разнообразной служебной информации. При работе НТВС в активном режиме могут быть использованы фары с линейно поляризованным светом. Такие фары /227-229/ позволяют улучшить возможность наблюдения, в частности, в шахтных условиях, повысить видимость через пыль и туман более чем в 10 раз. На базе НТВС могут быть созданы стереотелевизионные приборы с объемным изображением. Это упрощает управление машинами и повышает информативность изображения. Однако НТВС не могут работать в широком диапазоне изменения интенсивности осадков, в условиях запыленности при содержании взвешенной пыли до 5000 мг/м, не обеспечивают достаточную защиту от интенсивных световых помех (например, фар встречного автотранспорта), не способны измерять с высокой точностью дальность до объектов наблюдения.
1.4. Тепловизионные (ТВП) приборы, радио- и звуковизоры.
ТВП приборы /137, 144, 203/ работают по принципу преобразования в видимое изображение собственного теплового излучения наблюдаемых объектов и окружающих их сцены. ТВП приборы могут быть выполнены на базе пировидиконов, линеек фоторезисторов (фотодиодов) и фокально - плоскостных матриц этих фотоприемников. При использовании линеек фотоприемников необходимо применение оптико - механической сканирующей системы - сканера, разворачивающего изображение в растр и реализующего одно - или двумерную развертку в зависимости от требуемого поля зрения.
Достоинством ТВП приборов является независимость их работы от уровня естественной освещенности. Они могут работать при наличии в поле зрения световых помех, во многих случаях - в туман, дождь, снегопад, в пыли и в дыму. ТВП приборы могут дистанционно измерять температуру с точностью до 0,05 -0,1 С. Однако ТВП приборы имеют ряд недостатков. По сравнению с ПНВ на базе ЭОП и НТВС у них меньше разрешающая способность. Качество изображения в них сильно зависит от уровня температурного контраста объекта с фоном. Детали последнего воспроизводятся неудовлетворительно. Не видна линия горизонта. За исключением приборов последнего поколения на базе микроболометрических и пироэлектрических фокально-плоскостных матриц, такие устройства требуют либо криогенного, либо термоэлектрического охлаждения. ТВП приборы сложны и достаточно дороги. Они не обеспечивают точного измерения дальности до объекта наблюдения и способны работать в условиях воздействия только тех световых помех, спектр которых не совпадает с областью спектральной чувствительности ТВП прибора. Эти приборы могут работать далеко не во всех туманах и осадках.
Среди большого количества современных ТВП приборов особый интерес представляют удерживаемые в руках малогабаритные ТВП приборы. Они нашли широкое применение для наблюдения за техническим состоянием тепловыделяющих объектов (электрические изоляторы и трансформаторы, теплоцентрали, паро- и трубопроводы, энергетические установки и пр.), для контроля утечки тепла в жилых домах и промышленных сооружениях, оценки состояния линий электропередач, высоковольтных линий, для обеспечения работы правоохранительных органов, для пожарной охраны и исследования качества работы движущихся объектов.
В ГУДП СКБ ТНВ ГУП «НПО «Орион» разработан малогабаритный ТВП прибор ТМ-100М /144/, имеющий простую схему, малые массу и габариты в сочетании с высокой надежностью в работе. Этот прибор не уступает зарубежным моделям аналогичного класса и имеет следующие параметры: рабочая область спектра 3-5,5 мкм, угол поля зрения 8x4, разрешающая способность пространственная - 1,3 мрад, а температурная - 0,15 С, частота кадров 32 Гц, масса 3,2 кг, габариты 210x200x255 мм, энергопотребление менее 15 Вт при питании от аккумуляторных батарей на = 12 В. Охлаждение фотоприемника -термоэлектрическое. При необходимости прибор может иметь сменную оптику, допускающую его работу с углом поля зрения 40x20, что приемлемо для использования в шахтных условиях. Структурная схема прибора дана на рис.1.4.1., внешний вид-на рис.1.4.2.
Разновидностью ТВП приборов являются теплообнаружители (ТПО) /189, 190/, формирующие не тепловое изображение объекта и фона, а только сигнал -отметку, свидетельствующую о наличии в поле зрения теплоизлучающего объекта. Такой ТПО целесообразно применять совместно с каналом на базе ЭОП позволяющим наблюдать в темноте. Подобный двухканальный прибор "Изумруд" (рис.1.4.3.), разработанный в ГУДП СКБ ТНВ ГУП «НПО «Орион» и не имеющий зарубежных аналогов /189, 190/, имеет следующие параметры: рабочая область спектра канала ТПО 8-14 мкм, ночного канала на ЭОП - 0,4 - 0,9 мкм, увеличение ночного канала - 1х, его угол поля зрения - 40, угол поля зрения канала ТПО -1x1,5, дальность действия - до 50 м, масса - 1 кг, габариты - 260x60x150 мм, энергопотребление до 1 Вт при питании от напряжения = 12 В. Прибор не требует охлаждения. Прибор может быть использован для поиска пострадавших, для оценки состояния линий электропередач, выявления тепловыделяющих участков (в том числе и в труднодоступных местах).
Методы обнаружения и распознавания в АИ ПНВ объектов наблюдения по бликам, отраженным от оптических или оптико-электронных средств этих объектов
Имеющиеся в литературе данные по методикам расчета дальности действия АИ ПНВ носят частный характер и не охватывают всех основных параметров системы прибор-глаз, участвующих в преобразовании изображения /39-43/
Труды Е.С. Ратнера и Н.Ф .Кощавцева позволили учесть влияние всех параметров прибора на его работу при низких уровнях освещенности, включая и зрительный анализатор /44-53/.
На основе их трудов был разработан предлагаемый ниже метод расчета дальности действия (обнаружения и распознавания) АИ ПНВ /132/. Договоримся первоначально о критерии видимости. Проблема состоит в замене реального объекта наблюдения эквивалентным ему тест-объектом. В работах /51,52/ в качестве последнего предложена штриховая мира, количество горизонтальных штрихов которой, укладывающихся по вертикали во фронтальную проекцию объекта наблюдения, соответствует критерию обнаружения или распознавания. Недостатком такого тест-объекта является его одномерность, не позволяющая оценить полный характер видимости реального объекта и связать ее с пороговыми характеристиками зрительного анализатора.
Более удобным представляется принять эквивалентный тест-объект в виде круга. Форма такого тест-объекта не зависит от направления, в котором оценивается качество изображения, а также позволяет связать результаты расчета с надежными данными Блэквелла по пороговым характеристикам глаза, устанавливающим связь его предельной угловой разрешающей способности с пороговыми значениями контраста и освещенности /53/. Е.С .Ратнер разработал теоретическую модель глаза, которой соответствуют данные Блэквелла /48/.
Задача оценки видимости объекта наблюдения сводится к расчету значений углового разрешения тест-объекта, его яркости и контраста с фоном через систему прибор-глаз и сопоставлению этих значений с соответствующими пороговыми характеристиками глаза. Принципиально расчет строится на основании оценки предельного углового разрешение системы прибор - глаз или определения предельного отношения сигнал/шум этой системы. При этом под сигналом понимается пространственный элемент, яркость которого отличается от яркости фона, а под шумом -флуктуации потока фотонов, попадающих в глаз от элемента, характеризующего сигнал и равновеликого ему элемента фона. Лучистый поток при низких уровнях освещенности рассматривается как совокупность квантов. Вероятностное их распределение определяется законом Пуассона. Соответственно этому же закону подчиняется и распределение фотоэлектронов, эмиттируемых входным фотокатодом ЭОП.
Закон Пуассона при среднем значении случайной величины 6 с высокой точностью аппроксимируется нормальным распределением Гаусса. Величина отношения сигнал/шум к2 может быть рассчитана по методике работы /54/. При наблюдении местности за короткие промежутки времени вероятность пропуска полезных объектов и равная ей вероятность ложных тревог принимается 0,01 /54/. При вероятности обнаружения (распознавания) объекта, равной не менее 0,5 величина к2 будет составлять 4,6 /54/. Кроме флуктуации потока фотоэлектронов, следует учитывать влияние дополнительных шумов в системе. Это собственные шумы ЭОП и ТВ канала, а также шумы, возникающие из-за рассеяния излучения в системе. Все эти дополнительные шумы учитываются через соответствующие коэффициенты шумов, т.к. отношение сигнал/шум по мере прохождения сигнала в системе прибор-глаз будет непрерывно ухудшаться за счет этих шумов.
В качестве тест-объекта, как уже говорилось, берется круг. Распределение яркости в нем принимается колоколообразным. Выбор в качестве тест-объекта такого колокогюобразного распределения яркости импульса сигнала объясняется тем, что любая система из импульса даже идеально прямоугольной формы сформирует импульс, близкий к колоколообразному, т.к. все высокочастотные составляющие импульса будут отсечены уже непосредственно на входе прибора.
Дальность действия АИ ПНВ будет определяться по формуле: D=a/aE (2.3.1), где D - дальность, м, а - размер эквивалентного тест-объекта, м, ay - суммарное предельное угловое разрешение системы прибор-глаз, рад, Величина а определяется по формуле: а = 2 (А (тт т)-1)0 5 (2.3.2), где А - площадь фронтальной проекции наблюдаемого объекта, м , m - число элементов разложения, укладывающихся в пределах контура фронтальной проекции объекта и необходимые для его распознавания; т=48-50.
Если СТОИТ задача не распознавания, а обнаружения, то для ее решения величина а увеличивается в 1,5 раза.
Предельное угловое разрешение системы прибор-глаз является функцией внешних условий, параметров прибора и характеристик глаза. Оно складывается из углового разрешения, определяемого шумами, флуктуацией фотоэлектронов на входном фотокатоде ЭОП или на светочувствительном элементе передающей ТВ камеры. Но при даже очень высоком отношении сигнал/шум дальность действия системы будет ограничена предельным угловым разрешением глаза. Наконец, следует принять во внимание несовершенства передаточных функций всех элементов системы, которые могут быть с достаточной для практики точностью аппроксимированы колоколоидальной кривой Гаусса. Такое приближение основано на том, что любая штриховая мира абсолютного контраста, по которой обычно определяется разрешающая способность системы и имеющая произвольный профиль штрихов, воспроизводится всеми элементами системы одинаково, т.к. любой элемент выделяет только первую гармонику/132, 171/. С учетом изложенного: осі2 = (а, прив2 + аэл2 + астр2)0 5 (2.3.3.), где аі - предельное угловое разрешение системы, определяемое ее структурными несовершенствами, рад, am. прив. - предельное угловое разрешение системы, определяемое несовершенством глаза и приведенное ко входному фотокатоду ЭОП, рад, ссэл - предельное угловое разрешение системы, определяемое ее шумами, флуктуацией фотоэлектронов, рад. осетр - предельное угловое разрешение системы, определяемое ее структурными несовершенствами, рад. Рассмотрим систему АИ ПНВ, содержащую ТВ канал. Для нее: ссстр2 = 0,26 (Гэ Гоп fОБ)"2 (Гэ2 Гоп2 N06.n. 2 + N3.n."2 + No.-2 + NTB.n/2) (2.3.4) где Гэ, Гоп - увеличение ЭОП и оптики переноса соответственно, крат, fos - фокусное расстояние объектива прибора наблюдения АИ ПНВ, м, N06 п - разрешающая способность объектива, приведенная ко входному фотокатоду ЭОП, штр/мм, №эл, Non.n, NTB П - приведенные разрешающие способности ЭОП, оптики переноса, ТВ канала соответственно, штр/мм No6n=1,73 N06 (- In Тоб (Т))0 5 N3n =1,73 N3 (-In Тэ (Т))05 (2.3.5), N0nn=1,73 Non (- In Топ (T))0 5 N„„=1,73 NTB(-lnTTB(T))0 5 где N06, N3, Non, NTB - паспортные значения разрешающей способности объектива, ЭОП, оптики переноса, ТВ камеры соответственно, штр/мм,
Метод проектирования схем АИ ТВ ПНВ с повышенной частотно-контрастной характеристикой
Из предыдущего следует, что для решения задачи поиска и обнаружения объектов наблюдения необходим дополнительный канал поиска. В качестве последнего целесообразно использовать НТВС. До сих пор в них использовались гибридно-модульные преобразователи изображения, состоящие из ЭОП, стыкованного с матрицей ПЗС /197, 221/. Их достоинством являлась высокая чувствительность. Однако наличие ЭОП и оптики переноса на входе ПЗС матрицы сильно ухудшает разрешающую способность и частотно-контрастную характеристику системы. Кроме того, при воздействии на нее локальных световых помех (например, свет фар встречного транспорта, пламя костров и пр.) возникала засветке всего поля зрения ЭОП и соответственно всей системы. Современные ЭОП поколения 2+, 2++ и тем более 3 поколения имеют стоимость в несколько раз выше, чем стоимость ТВ камеры. Эти недостатки в известной степени сдерживали развитие высокочувствительных ТВ систем до тех пор, пока не появились ТВ камеры на базе ПЗС матриц с такой высокой чувствительностью, что они могли уже успешно конкурировать с ЭОП. До недавнего времени наиболее распространенные цветные ТВ камеры имели чувствительность 0,1-0,5 л к, а черно-белые - 0,02-0,05 лк. Однако за последние годы созданы высокочувствительные черно-белые ТВ камеры. Современные ТВ камеры имеют чувствительность до 10"4 - 10"5 лк /197, 221/. Это позволило с учетом прочих высоких параметров ТВ камер отказаться от ЭОП на входе системы. В свою очередь это дает следующие преимущества: .существенное повышение разрешающей способности и частотно-контрастной характеристики, возможность работать при воздействии световых помех, которые локализуются в том месте изображения, где они возникают, не приводя к ухудшению качества его остальной части, З.увеличение ресурса работы, спектральная характеристика ПЗС матрицы продлена в ИК область спектра до 1,1 мкм, в то время как красная граница ИК чувствительности ЭОП указанных поколений снижение стоимости, продольных габаритов, массы и обрывается на длинах волн 0,9-0,92 мкм. В свою очередь это позволяет повысить контраст в изображении с учетом реальных спектральных характеристик типовых объектов и фонов /26/, а также наблюдать излучение лазерных дальномеров, работающих на длине волны 1,06 мкм, НТВС состоит из объектива, передающей ТВ камеры на базе ПЗС матрицы и ТВ монитора.
Рассмотрим теперь методику расчета дальности действия ТВ систем без ЭОП при ее работе в пассивном режиме (без подсвета). Дальность действия ТВ системы определяется по формуле /132, 184, 221/: D = a/as(1) (2.4.1), где а -размер эквивалентного тест-объекта , м, ctz - суммарное предельное угловое разрешение системы прибор-глаз, рад., В качестве эквивалентного тест-объекта используется круг с колоколоидальным распределением яркости. а = 2 (А (я т) 1 )0 5 (2.4.2), где А - площадь фронтальной проекции наблюдаемого объекта, м2, m =48-50 - число элементов разложения, укладывающихся в пределах контура фронтальной проекции объекта и необходимых для его опознавания. Если ставится задача не опознавания, но обнаружения, то для нее величина увеличивается в 1,5 раза. аг = (астр+ агл. прИВ.+ аэл.)0,5 (2.4.3), где есер. - предельное угловое разрешение ТВ системы, определяемое его структурными несовершенствами, рад., а, прив.- предельное угловое разрешение ТВ системы, определяемое несовершенством глаза и приведенное к светочувствительной площадке ПЗС матрицы, рад., аэл. - предельное угловое разрешение ТВ системы, определяемое его шумами, рад. «стр. = 0,26 (Гтв fo6.)"2 (Гтв No6.n;2 + NTBK.n. 2 + NTBM.n."2 + N0K-2) (2.4.4), где Гтв - увеличение ТВ системы, крат,
f06. - фокусное расстояние объектива ТВ системы, м. N06.n., NTB.H.. NiBM.n.. NOK. - приведенные к светочувствительной площадке ПЗС матрицы разрешающие способности объектива, ТВ камеры, ТВ монитора и окулярной системы соответственно, штр/мм. No6.n. = 1,73No6.(-lnTo6.(N))-0 5 N твкп = 1,73 NTBK. (-In Ттвк.( N))"0-5 (2.4.5), NTBM.II. = 1.73 NTBM. (-In Ттвм. (N))"05 NoK.n. = 1,73NoK.(-lnT0K.(N))-05 ОСгл.прив. = («гл.фл. + ССгл.пор.) Г (2.4.6), где агл.фл. - предельное угловое разрешение глаза, определяемое флуктуационными ограничениями, рад., осгл.пор. -предельное угловое разрешение глаза, обусловленное его собственными пороговыми свойствами, собственными шумами, рад., rs - суммарное увеличение ТВ системы, крат. Гі = (и/и)Гтв. (2.4.7), Гок. = 250 / f0K. где Ток. - фокусное расстояние окулярной системы, м, Гок. - увеличение окулярной системы, крат. Гтв. = d3. Dmc."1 (2.4.8), где da., dn3c. - диагональ экрана ТВ монитора и светочувствительного элемента ПЗС матрицы, мм. d2 гл.фл= 8 к2 Н0 Азртах. (я U ег. АзрТ1 (Km + 2) К2ТВ. (2.4.9), где к - отношение сигнал/шум, определяемое из заданных вероятностей пропусков и ложных тревог, Н0 - пороговая экспозиция для глаза, лк с, соответствующая единичному полезному импульсу в зрительном анализаторе, для монокулярного зрения Н0 =8x10 10 лк с, для бинокулярного зрения Н0 =4x10"10 лк с, 0г. - время инерции глаза, с /1/, Азр., A3p.mfx. - площадь зрачка глаза, соответствующая данному конкретному значению яркости и площадь зрачка глаза максимальная соответственно, мм, L3K. - яркость экрана ТВ монитора, кд/м, Ктв. - контраст на выходе ТВ монитора.
Значения 8г. и Азр. могут быть определены по величине 1_зк. по таблице работы /184/, но вместо этого можно представить 1_эк. 9г. Азр. как функцию 1_эк. 9г. (Цк.) Азр. (L31(.)= f (1_эк.) = 1,8 L 8063K.. Это вполне корректно, но только при выполнении условия 102 L 10"3 кд/м. Ктв. = К К„. (2.4.10), где К- контраст объекта с фоном на входном зрачке объектива ТВ системы. К = (Цб.эф. — l-ф.эф.) L ф.эф. (2.4.11),
Где Ц&эф., Ьф.эф. - яркость объекта и соответственно фона эффективные (т. е. приведенные к спектральной чувствительности ПЗС матрицы) на входном зрачке объектива, Вт/м2 Ср.
Кп. = Кпстр. (1 - 5об.) (1 - 8твк.) (1 -бтвм.) (1 - бок.) (2.4.12), где Кпстр. - структурная составляющая потери контраста, 50б., 5твк., 5твм., 5ок. - засветочные коэффициенты соответственно для объектива, ТВ камеры, ТВ монитора, окулярной системы.
Методы обеспечения достаточных яркости и масштаба изображения при работе АИ ПНВ по разноудаленным объектам
Вопросы работы на различных дальностях неразрывно связаны с необходимостью перефокусировки объектива лазерного осветителя и 1 изменения масштаба изображения в приемной части АИ ПНВ. Для решения этой задачи нами был предложен АИ ПНВ /213/, в котором оптика переноса изображения с экрана ЭОП на ТВ камеру содержит объектив с переменным фокусным расстоянием, являющимся одновременно объективом формирования излучения осветителя. Привод объектива, меняющий его фокусное расстояние, связан с задержкой. При ее изменении оно также меняется, обеспечивая одновременно как требуемый угол подсвета осветителя, так и нужный масштаб изображения на ТВ камере АИ ПНВ.
Для автоматической регулировки яркости изображения в зависимости от дальности, на которой расположен объект наблюдения, необходимо оперативное изменение основной частоты подсвета. Это особенно важно при использовании ИЛПИ с полосковой геометрией /213/, обеспечивающих минимальные габариты тела свечения, но для достижения
Г требуемой средней мощности излучения нужна значительная частота порядка сотни кГц. Нами предложен АИ ПНВ /213/, который обеспечивает изменение частоты в соответствии с изменением задержки: чем меньше дальность, тем меньше частота, и наоборот. Это позволяет предотвратить ослепление оператора за счет избыточной мощности излучения (и соответственно яркости наблюдаемого изображения с экрана ЭОП) при работе на малых дальностях, увеличить срок службы ИЛПИ за счет его работы на высокой частоте лишь на больших дальностях, а также ЭОП за # счет исключения его пересветки на близких и средних дальностях. ЗГИ запускает через блок возведения в четвертую степень (для учета закона обратных квадратов) преобразователь напряжение-частота, управляемый с выхода БРЗ. Сигнал с преобразователя изменяет частоту блока накачки (а, значит, и ЛПИ) соответственно величине задержки.
Изменение частоты АИ ПНВ может быть использовано для снижения влияния изображений посторонних предметов на полезное изображение. В предложенной схеме такого АИ ПНВ /213/ ЗГИ вырабатывает импульсы Ui прямоугольной формы, частота которых меняется по линейному закону в зависимости от управляющего напряжения Ife дополнительного генератора треугольных импульсов. Поэтому в просматриваемом по глубине пространстве будет происходить непрерывная смена изображений тех мешающих объектов, от которых отразятся и попадут на фотокатод ЭОП импульсы излучения подсвета одновременно с импульсами излучения, отраженными от полезного объекта. Мешающие объекты находятся на расстояниях Di от АИ ПНВ, определяемых по формуле: Dj = к, с (2F)-1 + 0,5 с t = 0,5 с (kj F1 +1) (4.3.1.), где kj =1,2,3 - ряд натуральных чисел, с - скорость света, t - величина задержки с БРЗ. Из формулы (4.1.2.) следует, что при непрерывном изменении частоты F с ЗГИ будет изменяться и Dj, что приведет к размыванию изображений всех мешающих объектов, находящихся дальше или ближе полезного объекта. Освещение мешающего объекта осуществляется в течение небольшого промежутка времени за период 2Т нарастания и спада напряжения Ife с выхода генератора треугольных импульсов. При этом отношение времени одного импульса Ui ко времени одного импульса U2 приблизительно равно 0,016. Излучение, отраженное от полезного объекта за период 2Т .наблюдается в течение 14 импульсов, а излучение мешающего объекта -только в течение одного импульса за период, т.е. действие мешающего объекта ослабляется в 14 раз по сравнению с обычными АИ ПНВ.
При работе в шахте возможности адаптации АИ ПНВ можно расширить за счет ввода в него информации об аварии от канала теплообнаружителя (ТПО) и автоматического удержания в штреке угледобывающего комбайна (в пределах пятна подсвета) за счет наведения комбайна по точечному" пятну лазерного излучения, находящемуся в центре основного пятна подсвета /213/.
Нами предложен АИ ПНВ, в котором в зависимости от дальности (задержки) до наблюдаемого объекта меняется частота и длительность строба, причем подсвет осуществляется пачками импульсов, а число импульсов в пачке также меняется в зависимости от дальности /213/. В АИ ПНВ блок задания дальности через АЦП управляет БРЗ и схемой сравнения кодов, в которую также поступает через двоичный счетчик импульсов сигнал от генератора высокочастотных импульсов, управляющего блоком накачки, и от RS-триггера, запускающего этот генератор и управляемого от ЗГИ и с выхода схемы сравнения кодов. Блок задания дальности и БРЗ управляют блоком формирования длительности импульсов, определяющим длительность импульсов, стробирующих ЭОП, в зависимости от дальности до объекта наблюдения.
