….Главная страница… Проекты …Тепловизионная диагностика… Технологии

Назад к Лазерная Телевизионная Система Наблюдения

 

Информационные комплексы и системы

УДК 621.35.73

Версия статьи в формате PDF (2.23 mb)

 

 

Лазерная система видеонаблюдения объектов в условиях плохой видимости

 

А.Н. Гольченко, Ю.П. Кернов, И.М. Олихов

 

Изложен принцип работы оптико-электронной системы наблюдения с лазерным источником излучения, работающим в им­пульсном режиме с длительностью импульса 120 не; отражены возможности этой системы с управляемыми режимами рабо­ты при решении задач наблюдения в различных средах и метеоусловиях.

 

Principle of the optoelectronic observation system running with the laser radiation source at the impulse regime with impulse length equal 120 nanosecond is provided. Possibilities of this system with the controlled regimes of working when solving the observation problems for different environments and weather conditions are described.

 

 

Вопросы наблюдения открытых территорий в условиях плохой видимости в сложных метеоус­ловиях или под водой в настоящее время приобре­тают все большую актуальность.

Эта проблема решается с помощью ряда оп­тико-электронных приборов (ОЭП) наблюдения, разделяющихся по различным физическим прин­ципам построения [1]: электронно-оптические преобразователи (ЭОП), низкоуровневые телеви­зионные ОЭП, лазерные ОЭП, тепловизионные ОЭП, а также их комбинации. V Появление лазерных источников импульсного излучения          сверхкороткой          длительности ((3...100)10-9 с) позволило применять радиолока­ционную обработку сигнала и создавать оптико-электронные системы наблюдения с пространст­венно-временной селекцией [2].

Принцип действия этих систем основан на импульсном методе наблюдения, предложенном акад. 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 через оптический при­бор, снабженный быстродействующим затвором, открывающимся на определенное время в такт с приходом отраженных 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  временем открытого состояния затвора и длительностью светового им­пульса.

В HПП «Гамма» разработан образец телеви­зионной оптико-электронной системы наблюдения (ОЭСН) с импульсной лазерной подсветкой, кото­рую можно причислить к новому поколению теле­визионных средств наблюдения в сложных метео­условиях [3].

На рис. 1 и 2 приведены схема ОЭСН и схема формирования и управления режимами работы ла­зерного излучателя и приемника отраженных сиг­налов соответственно.

Рис.1. Схема ОЭСН: 1 - импульсный источник света; 2 -передающая оптика; 3 - блок синхронизации; 4 - блок управления приемником; 5 - приемник оптического изображе­ния; 6 - приемная оптика; 7 - блок управления объекти­вом.

 

Рис.2. Схема управления лазерным излучателем и прием­ником: 1 - импульсный источник света; 3 - блок синхро­низации; 4 - блок управления приемником; 5 - приемник оптического изображения; 8 - генератор сигнальных им­пульсов; 9 - формирователь стробируюших импульсов по дальности; 10 - формирователь длительности стробирующего импульса; 11 - регулируемый усилитель; 12 -сумматор отраженных сигналов.

 

Импульсный источник света 1 совместно с формирующей оптикой 2 используется для созда­ния импульсной освещенности объектов наблюде­ния (на рис. 1 не показаны). Приемник изображе­ния 5 с приемным объективом 6 предназначен для формирования изображения объектов наблюдения и может быть выполнен на основе ЭОП с микро­канальной пластиной (МКП). Усиление приемника изображения задается с помощью блока управле­ния 4. Блок синхронизации 3 служит для синхро­низации работы источника света и приемника изо­бражения. Диафрагма и фокусировка приемного объектива устанавливаются автоматически с по­мощью блока управления объективом 7.

В условиях сильного тумана, дыма или запы­ленности наблюдение за объектами, находящими­ся внутри или за рассеивающей областью, сильно ухудшается из-за того, что свет от близкораспо­ложенных рассеивающих областей по интенсив­ности превышает полезный сигнал от объектов.

Чем короче импульс лазера и длительность строб-импульса, открывающего электронно-оптический преобразователь, тем выше разре­шающая способность всей системы, поскольку приемная часть открывается только в момент при­хода отраженного от объекта сигнала, а все ос­тальное время закрыта.

 

Основные характеристики экспериментально­го образца ОЭСН на инжекционных лазерах:

 

Дальность видимости, регули­руемая, м...............................    до 800

Глубина зоны видимости, регу­лируемая, м............................    20-350

Угловое поле зрения, град.........       1,5-10

Длительность импульсов, нс......     ~ 120

Длина волны излучения подсвет­ки, мкм.................................     0,82; 1,1

Чувствительность приемного устройства, лк.........................       10-4

Разрешение устройства визуали­зации, ТВ-линий......................    до 350

Потребляемая мощность, Вт.......    ~ 60

Габариты, м3...........................          0,15

Масса, кг...............................            до 25

 

Применение более коротких импульсов, на­пример, излучаемых лазерами с электронной на­качкой [2], позволяет уменьшать глубину зоны ви­димости (разрешение по дальности) до 3... 10 м.

Видимость малоконтрастных объектов с по­мощью ОЭСН обеспечивается 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 приборы ночного видения, ни даже днем в обычные оптические наблюдательные приборы.

С помощью ОЭСН достигается точное изме­рение дальности до объекта наблюдения по вели­чине задержки, при определенном значении кото­рой появляется изображение объекта. Точность измерения дальности обычно достигает ±10 или ±5м, 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.

За счет работы ОЭСН в импульсном режиме любая длительная световая помеха (излучение прожекторов, фар, пламя костра и пр.) ослабляется в число раз, равное скважности работы ОЭСН. Так осуществляется временная селекция наблюдаемо­го объекта на фоне помех. Дополнительная поме­хозащищенность достигается за счет применения в ОЭСН 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 10 5...10 7. Этого достаточно, чтобы наблю­дение не нарушалось при воздействии на ОЭСН излучения проектора с силой света до 4х106 Кд, а также для нормального наблюдения в дневных условиях при уровне естественной освещенности до 10 лк (ясный солнечный день). Таким образом, ОЭСН допускают круглосуточное наблюдение.

Изменение величины задержки позволяет вы­делять подсвечиваемый фон либо до объекта на­блюдения, либо 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 проводить наблюдение 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.

Такие ОЭСН могут 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 ОЭСН для посадки вертолетов ночью в неблагоприятных условиях видимости (например, при проведении спасательных работ).

Применение телевизионного тракта позволяет оператору осуществлять в реальном масштабе вре­мени 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.

На рис. 3 приведено изображение автомоби­ля «Нива» с затонировнными стеклами и зажжен­ным внутри фонарем на расстоянии (R) 15 и 5 м в темное время суток.

Как видно из рис. 3, изображения, получен­ные с помощью ОЭСН, работающего в импульс­ном режиме, позволяют различать не только кон­туры автомобиля, но и объекты, находящиеся внутри, или позволяют прочитать номер при включенных фарах, что не доступно прибору ноч­ного видения (ПНВ).

На рис. 4 изображен автомобиль ВАЗ 2109 с включенными фарами в темное время суток с рас­стояния 3, 8, 10 м.

На рис. 5 изображен участок лесного массива в ночное время суток при лунном освещении с помощью ПНВ и ОЭСН с различным стробированием по дальности.

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

 

Рис. 3. Изображение автомобиля «Нива» с затонированными стеклами и зажженным внутри фо­нарем на в темное время суток: а - с помощью ПНВ, R = 15 м; б - с помощью ОЭСН, R = 15 м; в - с помощью ПНВ, R = 5 м; г -с помощью ОЭСН, R = 5м.

 

Рис. 4. Изображение автомобиля ВАЗ 2109 с включенными фарами в темное время суток с различного расстояния: а - с помощью ПНВ, R=3 м; б - с помощью ОЭСН, R=3 м до зоны водителя; в - с помощью ПНВ, R=10 м; г - с помощью ОЭСН, R=10 м; д - с помощью ОЭСН, R=3 и до плоскости бампера; е - с помощью ОЭСН, R=8 м.

 

Рис. 5. Изображение участка лесного массива в темное время суток при лунном свете с различным стробированием по дальности: а - с помощью ПНВ, R=5 м; б - с помощью ОЭСН, R=5 м; в - с помощью ОЭСН, R=10 м; г - с помощью ОЭСН, R=20 м; д - с помощью ОЭСН, R=30 м; е - с помощью ОЭСН, R=40 м.

 

Таким образом, потенциальные возможности ОЭСН 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.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1.    Гейхман И.Л, Волков В.Г. Основы улучшения ви­димости в сложных метеоусловиях - М.:  ООО «Нерра-Бизнес центр, 1999 г.

2.     Богдажетч  О.В.,  Меерович Г.А.,   Олихов ИМ., Садчихин А.В. Устройства на основе   полупровод­никовых лазеров с накачкой электронным пучком/ (Обзор).  -     Радиотехника и электроника,   1999, т. 44, № 8, с. 901- 919.

3.    Морозов А.В., Олихов ИМ. Свидетельство на по­лезную модель № 9110, зарегистрировано 16 янва­ря 1999 г.

 

 

Электротехнические и информационные комплексы и системы № 3, т.3, 2007г.