Назад

Телевизионная система наблюдения

с импульсной лазерной подсветкой

Система наблюдения с лазерной подсветкой (СНЛП) является новым поколением ТВ средств наблюдения, позволяющим работать в сложных метеоусловиях.

Наиболее перспективные области применения:

- В навигации для установки на судах, яхтах, при плавании в ночных и ограниченных условиях навигации;

- Служба охраны: охрана специальных объектов, полигонов, территорий;

- Аэропорты: контроль взлетно-посадочных полос и прочих территорий; морские и речные порты: контроль портовых акваторий; охрана морских рейдов;

- Гидрография;

- Охрана рыбных ресурсов;

- Прибор может быть установлен на подводные лодки и исследовательские подводные аппараты;

- Прибор может применяться для разведки полезных ископаемых, а также для инспекции подводных трубопроводов, кабелей и скважин;

- Прибор может применяться для поиска затонувших объектов, рыболовных сетей и контроля над поголовьем рыбы и других морских обитателей.

На рис. 1 приведен внешний вид экспериментального образца СНЛП (индикатор с пультом управления и блок лазерной подсветки и приема изображения).

На рисунках (2-8) представлены фрагменты изображений, демонстрирующие работу системы в различных условиях. В качестве излучателя использованы 6 лазеров ЛПИ 114 со средней мощностью до 200 Вт, и τ = 30 нс., F = 5 кГц ЭОП - "СТЭК" МЭЛЗ'а с усилителем света.

На видеозаписях представлены принцип действия системы и записаны изображения с экрана монитора СНЛП в реальном масштабе времени без математической обработки сигнала.

Подробное описание.

Принцип действия основан на импульсном методе наблюдения, предложенном академиком А.А. Лебедевым в 1936 г. 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 на определенное время в такт с приходом отражённых от объекта наблюдения световых импульсов. 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.

Для реализации метода необходимы импульсный осветитель, генерирующий достаточно короткие импульсы света, а также преобразователь изображения, оснащенный быстродействующим затвором. Их создание стало возможным с разработкой быстродействующих ЭОП'ов и мощных импульсных излучателей ПЛЭН и инжекционных лазеров, обеспечивающих равномерное освещение с глубиной от 1 до 30 м.

Типичная блок-схема системы наблюдения приведена на Рис. 1.

Телевизионная система наблюдения с импульсной лазерной подсветкой (ТСН ИЛП) включает в себя:

- импульсный осветитель на основе полупроводникового лазера (передающая часть);

- оптико-электронный приемник на основе импульсного ЭОП'а;

- телевизионную систему отображения выбранного участка наблюдаемого пространства;

- схемы управления и синхронизации.

Импульс излучения лазера, отраженный от исследуемого объекта, фиксируется приемной частью в момент и на время ее открытия. Поскольку приемная часть открывается только в момент прихода отраженного от объекта сигнала, а все остальное время закрыта, то исключается влияние обратного рассеяния по пути распространения излучения лазера, что позволяет осуществлять наблюдение в условиях плохой видимости и постороннего излучения.

Пространственная глубина определяется длительностью импульса излучения, а дальность - задержкой между моментом излучения импульса света и моментом поступления на приемную часть сигнала, отраженного от объекта.

В предлагаемой системе длительность светового импульса составляет 3-30 нс., что позволяет освещать пространство по глубине от 1 до 10 м при дальности до 3 -5 км.

Основные характеристики экспериментальных образцов СНЛП (на инжекционном лазере)

- Дальность видимости, регулируемая, м до 800

- Глубина зоны видимости, регулируемая, м 20-350

- Угловое поле зрения, град 1.5-10
Длина волны излучения подсветки, мкм 0.82; 1.1

- Энергия излучения подсветки, мДж 1-5

- Чувствительность приемного устройства, лк 10^-4
Разрешение устройства визуализации, ТВ-линий до 350

- Потребляемая мощность, Вт ≈ 60

- Габариты, м^З 0.15

- Масса, кг до 25

Технические характеристики системы с излучателем на ИПЛЭН:

- дальность видимости, регулируемая, км 3 - 5

- глубина видимости, м 1-10

- угловое поле зрения, град 1.5-5.0

- длина волны излучения подсветки, мкм 0.51; 0.82

- мощность излучения в импульсе, МВт 10-15

- разрешение устройства визуализации, ТВ-линий 350

- габариты, м^З 0.3

Независимо от блок-схемы СНЛП имеет ряд преимуществ.

1. Он позволяет повысить дальность действия за счет увеличения контраста в изображении наблюдаемого объекта. Это достигается благодаря отсечению задержкой излучения обратного рассеяния, а также ослаблению рассеянного в атмосфере излучения, определяемого уровнем естественной освещенности и паразитной засветки в число крат, равное скважности работы ТСН ИЛП. В обычных активных ЛТСН на базе ЭОП обратное рассеяние накладывается на изображение объекта, снижает контраст его изображения даже при нормальной, а тем более, при пониженной прозрачности атмосферы, и делает их неработоспособными в дым, туман, дождь, снегопад.

В указанных условиях ТСН ИЛП обеспечивает видимость объекта.

2. ТСН ИЛП обеспечивает видимость малоконтрастных объектов за счет отсечения фона за ними и их наблюдения в пределах очень узкой глубины просматриваемого пространства. Такие объекты не видны ни ночью в пассивные или активные ПНВ, ни даже днем в обычные оптические наблюдательные приборы. Например, в ТСН ИЛП были отчетливо видны сооружения из снега или фигуры людей в белых халатах на фоне снежной целины. Это открывает большие возможности их применения для спасательных служб.

3. ТСН ИЛП допускает точное измерение дальности до объекта наблюдения по величине задержки, при определенном значении которой появляется изображение объекта. Погрешность измерения дальности обычно достигает ±10 или ±5 м, но при необходимости может быть увеличена не менее чем на порядок. Точность не зависит от дальности до объекта, а определяется только длительностями импульса строба (время открытия затвора) и импульса подсвета. В отличие от обычных лазерных дальномеров в ТСН ИЛП исключена возможность выдачи ложного значения дальности за счет реакции дальномера на случайные предметы, находящиеся между полезным объектом и ЭОП (например, ветки деревьев, провода и пр.), сигнал от которых может значительно превышать сигнал от полезного объекта. В ТСН ИЛП все эти ложные сигналы отсекаются задержкой.

4. За счет работы ТСН ИЛП в импульсном режиме, любая длительная световая помеха (излучение прожекторов фар, пламя костра и пр.) ослабляется в число крат, равное скважности работы ЛТСН. Так осуществляется временная селекция наблюдаемого объекта на фоне помех. Дополнительная помехозащищенность достигается за счет применения в СНЛП полосового или отсекающего фильтра с полосой пропускания, соответствующей рабочей области спектра лазерного осветителя. Реальные значения степени защиты от помех за счет указанной спектрально-временной селекции могут достигать 10⁵-10⁷. Этого достаточно, чтобы наблюдение не нарушалось при воздействии на СНЛП излучения прожектора с силой света до 4.10⁶ кд, а также для нормального наблюдения в дневных условиях при уровне естественной освещенности до 10 лк (ясный солнечный день). Таким образом, ТСН ИЛП допускают круглосуточное наблюдение.

5. ТСН ИЛП может работать в пассивном, активно-непрерывном и активно-импульсном режимах в зависимости от внешних условий. Возможно применение и так называемого "гибридного" режима, в котором для разных дальностей одновременно сочетаются все перечисленные режимы, что необходимо для вождения транспортных средств.

Изменение величины задержки позволяет выделять либо подсвечиваемый объект наблюдения, либо подсвечиваемый дальний фон за ним. В первом случае оператор видит светлый объект, на темном фоне - изображение объекта в "положительном" контрасте. Во втором случае - темный силуэт наблюдаемого объекта на светлом фоне - изображение объекта в "отрицательном" контрасте. С энергетической точки зрения выгоднее наблюдать в "отрицательном" контрасте, так как обычные природные фоны имеют более высокий коэффициент яркости, чем наблюдаемый объект и, следовательно, для достижения необходимой дальности действия необходима меньшая сила света осветителя. Однако при этом теряются многие информативные признаки объекта, так как виден только его силуэт (внешний контур), а нижняя часть сливается с фоном. Кроме того, дальнего фона может и не быть (если, например, объект проецируется на фоне неба). Поэтому наиболее универсально наблюдение в "положительном" контрасте, для которого и приводятся обычно все данные для дальности действия.

6. ТСН ИЛП может обнаруживать объекты наблюдения по бликам, отраженным от их элементов (глаза человека или животного, оптические или оптико-электронные устройства и пр.). Это создает благоприятные возможности его использования для поиска пострадавших, для охоты, вождения в колонне судов и прочих транспортных средств, для дистанционного контроля положения машин (например, угледобывающих комбайнов) и т.д. Блики создают также провода, что позволяет применять ТСН ИЛП для посадки вертолетов ночью в неблагоприятных условиях видимости (например, при проведении спасательных работ).

7. Эффективно использование системы на водном транспорте. Вследствие высоких коэффициентов яркости, получаются низкие значения контрастов на водной поверхности, что затрудняет или исключает возможность обнаружения предметов приборами ночного видения и при прожекторной подсветке. Пространственно-временная селекция изображения позволяет добиться очень высоких контрастов и обеспечить уверенное наблюдение различных предметов на водной поверхности в ночное время, а также в тумане, в дыму, при прожекторной подсветке.

Компоновка системы в погружаемом в воду гермоблоке позволяет создать устройство для работы под водой для контроля за состоянием подводных сооружений и трубопроводов, при ликвидации последствий аварий, либо при монтажных работах в мутной воде на расстоянии до 50 м. Глубина погружения определяется конструкцией гермоблока и длиной линии связи.

8. Применение телевизионного тракта позволяет оператору осуществлять дистанционное наблюдение и управление исполнительными механизмами, автоматическое сопровождение движущихся объектов по дальности с точностью до 0.1 м. Расстояние до объекта и его размеры выводятся на монитор. Изображение может быть записано и подвергнуто математической обработке, может передаваться по радио, оптическому либо другому каналу связи.

Использование нескольких систем в чрезвычайных ситуациях, при ликвидации аварий позволяет оперативно контролировать и влиять на ситуацию с единого центра, сосредоточивающего у себя всю информацию.

В настоящее время изготовлены экспериментальные образцы телевизионных систем наблюдения нескольких конструктивных модификаций - для работы под водой, для установки на автомобили, для установки на надводные суда. Проведены испытания эффективности их работы в реальных условиях эксплуатации. Выполняются работы по разработке и совершенствованию функциональных узлов, которые определяют основные характеристики систем. К ним прежде всего относятся коротко-импульсные полупроводниковые лазерные излучатели, способные работать в диапазоне от 0.51 мкм (зеленый для воды) до дальнего ИК-диапазона (8-12 мкм - окно прозрачности атмосферы), а также импульсные ЭОП'ы.

Испытания СНЛП под водой показали, что дальность видимости увеличивается в 2-3 раза по сравнению с обычной телевизионной системой. В воздухе дальность видимости СНЛП в 3-5 раз выше метеорологической дальности видимости при десятикратном увеличении контрастности изображения.

Потенциальные возможности СНЛП позволяют обеспечить работу днем и ночью при видимости в 3 – 5 раз превышающей метеорологическую дальность видимости, а также передачу этой информации по радио либо другому каналу. Использование в качестве излучателей полупроводниковых лазеров (инжекционных или с электронной накачкой) позволяет создать вибро и ударопрочные конструкции аппаратуры.