eng
Выпуск #5/2020
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
ЭОП или телевизионная матрица: аспекты эффективности применения
ЭОП или телевизионная матрица: аспекты эффективности применения
Просмотры: 2688
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.5.394.408
В статье рассмотрены аспекты двух конструкционных решений для многоспектральных приборов. Решения даны в виде комбинации взаимодополняющих друг друга каналов: тепловизионного канала с каналом на телевизионном сенсоре и тепловизионного канала с каналом, построенным на электронно-оптическом преобразователе. Приведены методы повышения эффективности каждой комбинации согласованных наблюдательных систем с расширенными границами применяемости в различных условиях внешних воздействий.
В статье рассмотрены аспекты двух конструкционных решений для многоспектральных приборов. Решения даны в виде комбинации взаимодополняющих друг друга каналов: тепловизионного канала с каналом на телевизионном сенсоре и тепловизионного канала с каналом, построенным на электронно-оптическом преобразователе. Приведены методы повышения эффективности каждой комбинации согласованных наблюдательных систем с расширенными границами применяемости в различных условиях внешних воздействий.
Теги: image intensifier tube. multispectral device television channel thermal imaging channel многоспектральный прибор телевизионный канал тепловизионный канал электронно-оптический преобразователь
ЭОП или телевизионная матрица:
аспекты эффективности применения
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева3
ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
В статье рассмотрены аспекты двух конструкционных решений для многоспектральных приборов. Решения даны в виде комбинации взаимодополняющих друг друга каналов: тепловизионного канала с каналом на телевизионном сенсоре и тепловизионного канала с каналом, построенным на электронно-оптическом преобразователе. Приведены методы повышения эффективности каждой комбинации согласованных наблюдательных систем с расширенными границами применяемости в различных условиях внешних воздействий.
Ключевые слова: многоспектральный прибор, тепловизионный канал, телевизионный канал, электронно-оптический преобразователь.
Статья получена: 27.02.2020
Принята к публикации: 09.04.2020
Введение
Расширенные возможности и многофункциональность многоканальных многоспектральных оптико-электронных систем наблюдения сегодня обсуждаются достаточно широко. Непременной и самой популярной составной частью таких систем становятся тепловизионные (ТПВ) наблюдательные каналы, способные функционировать независимо от внешней освещенности.
Этот интерес вполне объясним. Обладая высокой вероятностью обнаружения, ТПВ обеспечивают практически безусловное выделение объектов с положительным тепловым контрастом на фоне общего изображения окружающей обстановки. Когда температура объекта выше температуры фона, то вероятность его обнаружения сохраняется даже при условии, когда его изображение занимает площадь, меньшую площадки одного элемента фотоприемника. Причина кроется в том, что интегральный поток излучения, попадающий на этот единственный элемент, формирует сигнал, достаточный для выделения объекта на температурном фоне окружающей обстановки.
Дистанционные возможности такого точечного обнаружения сильно нагретых предметов могут выходить далеко за пределы, рассчитанные на основе критериев Джонсона. При этом возможность обнаружения будет в значительной мере определяться энергетическими характеристиками объекта. Это позволяет обнаруживать его на дистанциях, значительно превышающих расчетные значения.
Отметим, что ТПВ‑системы проявляют значительные преимущества по сравнению с классическими приборами ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Это проявляется в обнаружении объектов на дистанциях, почти в 4 раза больших, чем дистанции опознавания. В то время как в ПНВ на ЭОП дистанции обнаружения могут превышать дистанции опознавания всего лишь в ~ 1,5–2 раза.
Не секрет, что тепловая сигнатура объектов сильно зависит не только от состояния самого объекта, но и от внешних условий: тепловое изображение в дождливую погоду будет отличаться от изображения в сухое время из-за маскирующего воздействия воды и грязи.
В этих условиях объект и фон могут иметь одинаковую температуру, то есть изображение будет обладать нулевым тепловым контрастом. Такие условия не позволят обнаружить объект даже на близких дистанциях, независимо от разрешения изображения.
Расчетная зависимость дальности обнаружения от теплового контраста квадратных объектов в виде квадрата различной площади [1] представлена на рис. 1. Расчет проведен для метеорологической дальности видимости (МДВ) 20 км и отношения сигнал / шум 3,2. При этом для чистоты эксперимента при расчете использовались данные объективов, имеющих идентичные характеристики по фокусным расстояниям, светосиле и пропусканию.
Методы оценки эффективности функционирования приборов
Для оценки эффективности ТПВ‑прибора принято использовать значение теплового контраста 1,5 К. В стандартных условиях применения приборов реальные контрасты не превышают (0,8–0,9) К.
На рис. 2 приведены известные зависимости дальности до объекта от отношения сигнал / шум при различных значениях температурного контраста для малоразмерных целей типа беспилотных летательных аппаратов площадью А = (0,25–0,5) м2. Результаты получены при следующих исходных условиях: дисперсный состав воздуха соответствует континентальному умеренному поясу в летний сезон; спектральный диапазон 8–12 мкм; МДВ = 20 км; прибор с матрицей фирмы OPGAL формата 640 × 480 элементов с размером пиксела 17 × 17 мкм со значением эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) не более 50 мК и объективом с фокусным расстоянием 210 мм и светосилой 1 : 1. Превышение температуры объекта над температурой окружающего фона в значительной степени определяет вероятность обнаружения объекта, и анализ зависимостей (см. рис. 2) это подтверждает.
Особенность обнаружения и сопровождения воздушных объектов связана с необходимостью обеспечить величину сигнал / шум не менее 6 единиц. Эта величина является пороговой характеристикой тепловизионного автомата захвата воздушных объектов на различных дальностях (см. рис. 2: точечная пунктирная линия). При равенстве температур объекта и фона (тепловой контраст равен нулю) ТПВ‑системы не могут обнаружить цель на любых дистанциях.
Действительно, дважды в сутки объекты без внутренних источников тепла проявляют нулевой средний тепловой контраст с окружающей средой. Это обусловлено различной тепловой инерцией и различными законами нагрева или охлаждения приборных корпусов и фона – полуограниченного массива грунта.
Однако вероятность обнаружения и опознавания определяется не средним тепловым контрастом, а величиной контраста Дойла [2]: , где ΔTR – средний по площади объекта тепловой контраст; σΔT – среднеквадратическое отклонение вариаций контраста по площади объекта. На практике мы имеем σΔT > 0 и ΔTRD ≠ 0.
Однако в действительности встречаются неблагоприятные условия в виде, например, длительного моросящего дождя и отсутствия солнца. При этом значение σΔT также приблизится к нулю, и видимость в ТПВ‑канал будет практически нулевая. В этих условиях повысить эффективность прибора с ТПВ‑каналом можно путем его дополнительного оснащения наблюдательным каналом на основе ЭОП или низкоуровневым телевизионным каналом.
Физический принцип работы этих обоих каналов коренным образом отличается от принципа функционирования ТПВ‑канала. В его основе – эффект регистрации отраженного от целей естественного света в видимом и ближнем ИК‑диапазоне. Использование такого принципа открывает целый ряд преимуществ.
В первую очередь – это более комфортные условия распознавания и идентификации по видимому изображению. Полученное изображение по сравнению с тепловизионным изображением того же масштаба имеет большее числа характерных особенностей и соответственно более высокий потенциал выделения контрастных зон. Что позволяет опознать объект и определить его принадлежность по внешним характерным признакам.
Наиболее часто конструкцию информационных каналов наблюдательных приборов строят на основе комбинации каналов на ТПВ‑приемнике и видеокамере. Эти каналы по многим параметрам взаимно дополняют друг друга. При объединении в согласованную наблюдательную систему их эффективность повышается, а границы применяемости прибора расширяются. Система сохраняет работоспособность даже тогда, когда в условиях внешних воздействий один из каналов становится малоэффективным.
В результате экспериментальных исследований с применением отечественного тепловизора ТТП‑1 и зарубежного телевизионного прибора PZB‑200 была подтверждена эффективность применения сочетания ТПВ и телевизионного (ТВ) каналов (рис. 3). При освещенности, меньшей или равной 5 · 10–3 лк, дальность обнаружения ТВ-каналом резко падает, и подавляющее большинство случаев обнаружения объектов обеспечивает ТПВ‑канал.
Объяснение кроется в независимости работы ТПВ‑канала от уровня освещенности. С повышением уровня освещенности увеличивается доля ситуаций, в которых дальность ТВ‑канала оказывается выше дальности действия тепловизора. В диапазоне освещенности (1–2) · 10–2 лк эффективность обоих каналов была определена примерно одинаковой.
Полагаем, что применение дополнительно к ТВ- и ТПВ‑каналам других наблюдательных каналов нецелесообразно. Поясним свое мнение: дополнительные каналы будут либо функционально дублировать основные каналы, либо эффект от их использования будет несопоставим по сравнению с издержками от их введения в систему.
Современные ЭОП и методы их совершенствования
Однако следует отметить, что усилители изображения на основе ЭОП позволяют наблюдать сцены с более низкой освещенностью по сравнению с той, которую достигают обычные видеокамеры. Это связано с тем, что пороговая чувствительность телевизионных приемников уступает порогам, обеспечиваемым электронно-оптическими преобразователями. Именно поэтому технология усиления яркости изображения и сегодня сохраняет прочные позиции при производстве ночных наблюдательных приборов.
Одной из последних мировых новинок стал ЭОП Photonis 4G+, у которого уже налажен серийный выпуск. Прибор представляет собой доработку более ранней версии ЭОП 4G. Минимальная добротность (определяется как произведение величины «сигнал-шум» на предельную разрешающую способность в лин / мм) была увеличена до 2 200 в новой модификации, т. е. более чем на 20%.
В качестве примера отечественных ЭОП с высокими характеристиками приведем герметизированные электронно-оптические преобразователи серии ЭПМ144Г (табл. 1). Преобразователи снабжены микроканальным усилением и встроенным источником питания импульсного напряжения, включающим схему автоматической регулировки яркости (АРЯ) производства АО «Катод» (г. Новосибирск). ЭОП имеют фотокатод на основа GaAs с отрицательным электронным сродством, плоский или сферический экран на стеклянном диске или волоконно-оптическом элементе. Приборы предназначены для усиления слабых световых потоков в диапазоне длин волн от 500 до 900 нм при освещенностях от 1 · 10–3 до 200 лк.
На выставке Africa Aerospace and Defence (сентябрь 2018 года) компания Photonis представила устройство EBCMOS, которое имеет функцию слияния изображений с двух каналов. Ночной канал устройства EBCMOS позиционируется Photonis, выполненным на основе электронно-оптического преобразователя, в котором микроканальная пластина (МКП) и фосфорный экран заменены специальным КМОП-фотоприемником. В настоящее время такая ночная технология на ЭОП доступна с двумя разрешениями (2 и 4 мегапиксела), что предоставляет пользователям качественное и контрастное изображение.
В связи с активными работами по совершенствованию ЭОП достаточно интересно сравнить дальность опознавания фигуры человека на контрастном фоне для каналов с ЭОП разных поколений. Обобщенные данные (табл. 2) стали результатами расчетов по стандартным методикам [3] и полевых испытаний.
Наиболее доступны на отечественном рынке ЭОП электронно-оптические преобразователи типов ЭПМ‑62Г, ЭПМ‑65Г производства АО «Катод» (г. Новосибирск). ЭОП типов ЭПМ‑62Г, ЭПМ‑65Г представляют собой поколение III с автоматической регулировкой яркости, прямым переносом изображения, полупроводниковым фотокатодом, а также микроканальной пластиной (МКП), установленной между фотокатодом и экраном желто-зеленого свечения.
Оценить дальность опознавания фигуры человека на контрастном фоне для канала с отечественным ЭОП (например, типа ЭПМ‑62Г) можно по расчетному графику (рис. 4). Безусловно, для канала с ЭОП условия наблюдения будут в основном определяться уровнем естественной ночной освещенности (ЕНО). При ее снижении значения дальности обнаружения и распознавания будут уменьшаться вплоть до полной потери видимости.
В этом случае оценка дальности видения базируется на основной геометрической формуле дальности приборов, использующих ЭОП: , где b – размер элемента разложения, необходимый для обнаружения или опознавания, м; αΣ – суммарная разрешающая способность канала ПНВ.
В общем случае суммарная угловая разрешающая способность прибора зависит от ЕНО и ряда составляющих и определяется как:
,
где αстр. – структурная угловая разрешающая способность прибора, зависящая от параметров оптической системы прибора и учитывающая его геометрические несовершенства; αгл.пр. – предельная угловая разрешающая способность глаза, приведенная к фотокатоду ЭОП; αэл. – предельная разрешающая способность фотокатода ЭОП, обусловлена флуктуацией потока электронов (фотоэлектронов).
Расчетные данные подтверждены результатами натурных испытаний, расхождение между расчетными и фактическими значениями дальностей опознавания (табл. 2) не превышает 10–15%.
Конструктивное исполнение комбинированных приборов
Так же как объединение в одном приборе ТПВ- и ТВ- каналов комбинация тепловизионного канала и канала на ЭОП дает возможность построения эффективной наблюдательной системы, позволяющей использовать преимущества каждого из каналов в определенных условиях при меняющихся внешних параметрах наблюдения. На рис. 5 продемонстрировано, как возрастают возможности ориентирования на местности в конкретных внешних условиях наблюдения при совмещении тепловизионного изображения с изображением от ночного канала на ЭОП.
Изложенные соображения легли в основву создания двухканальных малогабаритных приборов наблюдения, в конструкции которых применены наиболее простые решения для комбинации двух каналов. В этой связи интересна оптическая схема окуляра с призмой кубиком, позволяющим производить комплексирование изображения с экрана ЭОП и тепловизионного изображения с микродисплея при одновременном включении ЭОП и микродисплея (рис. 6), защищенная патентом RU2690044 С2 [4].
Простота схемного решения окуляра обусловлена небольшим значением удаления выходного зрачка, составляющего 23 мм при фокусном расстоянии 23 мм. Угловое поле зрения составляет ~42°, диаметр зрачка глаза принимается равным ~6 мм.
На схеме изображены: входной зрачок, трехлинзовый окуляр и светоделительный кубик, пропускающий 50% света от экрана ЭОП и отражающий 50% света от экрана микродисплея. Такой обычный светоделитель позволяет достаточно просто производить комплексирование изображения с экрана ЭОП и тепловизионного изображения при одновременном включении ЭОП и микродисплея. При выключении одного из каналов осуществляется наблюдение только одного из экранов – или ЭОП, или микродисплея.
Приведенное схемное решение окуляра позволяет прибору работать в трех режимах: режим усиления яркости, тепловизионный режим и полностью совмещенный режим. Вариант конструктивного исполнения тепловизионно-ночного прибора наблюдения показан на рис. 7 на боковом разрезе по обоим каналам – ночному и тепловизионному, его внешний вид – на рис. 8, а параметры – в табл. 3. Конструкция включает ночной 7-линзовый объектив, электронно-оптический преобразователь типа ЭПМ62Г, тепловизионный трехлинзовый объектив, тепловизионное фотоприемное устройство, микродисплей типа В1.5МДО800.600.ЦО2, трехлинзовый окуляр, наглазник окуляра, а также кронштейн крепления. Прибор наблюдения подобной конструкции является простым и надежным дневно-ночным широкоугольным прибором с однократным увеличением каналов, который обеспечивает естественное восприятие, а также ввод в поле зрения дополнительной информации.
Особенностью прибора наблюдения является наличие микродисплея, постоянно видимого в поле зрения общего окуляра через призму-кубик. Это позволяет вводить в поле любые информационные знаки и тепловизионное изображение.
Небольшое расчетное удаление выходного зрачка компенсируется использованием окуляра, как простой лупы для обоих каналов. Схемное решение допускает возможность наблюдения при другом удалении глаза (больше расчетного) без дискомфорта, присущего приборам, в которых размер и удаление выходного зрачка однозначно формируются дополнительными оборачивающими оптическими системами.
Дальность опознавания человека через тепловизионно-ночной прибор подобного типа может составлять более 700 м. Специалистам известно, что большинство малогабаритных приборов наблюдения должны обеспечивать обнаружение объектов на дистанциях 500–600 м и обладать максимально возможным полем зрения.
При необходимости можно отключить ввод всех изображений с микродисплея и использовать только ночной канал как полноценный пассивный наблюдательный ПНВ с естественным восприятием изображения. Для этих целей можно включить невидимую для глаза ИК‑подсветку, когда условия видимости затруднены из-за крайне низкой естественной ночной освещенности.
И, хотя можно использовать только ночной режим или только универсальный пассивный режим (режим тепловизионного наблюдения с предельно возможными параметрами обнаружения), все-таки наиболее эффективным будет одновременное использование обоих каналов – ночного канала с ЭОП и тепловизионного. Остановимся на варианте конструктивного исполнения тепло-телевизионного прибора, обладающего некоторыми специфическими особенностями. Одна из них заключается в том, что прибор имеет увеличение обоих каналов большее, чем у простого наблюдательного прибора с функциями однократного прибора.
Второй особенностью является способность телевизионного канала строить изображение местности и опознавать объекты при достаточно низких уровнях естественной ночной освещенности – при звездном небе.
На рис. 9 представлен боковой разрез телевизионного канала с 5-линзовым объективом, тепловизионного канала с 3-линзовым объективом и окулярного канала с 4-линзовым окуляром (телевизионный объектив 1, телевизионный фотоприемник 2, тепловизионный объектив 5, тепловизионный фотоприемник 6, электронные блоки 7, микродисплей 8, окуляр 9, наглазник 10 окуляра 9, а также батарейный отсек 15 и кронштейн крепления 16). Внешний вид прибора наблюдения показан на рис. 10, а его параметры приведены в табл. 4.
Телевизионный канал построен на видеодатчике EV76C661ACT и цифровом генераторе на 12 мГц. Инициализация и управление видеодатчиком выполняется с помощью последовательного интерфейса SPI. Тепловизионный канал содержит ИК‑микроболометрический модуль S6IR‑4272 и последовательно-параллельный преобразователь 5560ИН6У. Выходные сигналы подаются на последовательно-параллельный преобразователь DS90CR286. С DS90CR286 параллельный 24-битный RGB код и сигналы синхронизации HSYNC, VSYNC и DE поступают на цветной OLED индикатор типа SXGA060SC.
Теплотелевизионный прибор – это простой и надежный вариант, позволяющий получать телевизионное, либо тепловизионное или комплексированное теплотелевизионное изображение, рассматриваемое через окуляр на едином микродисплее.
Способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений
В ходе работ над созданием приборов с комплексированием изображений, полученных в различных спектральных диапазонах, был отработан способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений, впоследствии защищенный патентом RU2684585 С1 [5].
Говоря о многоканальных системах, следует обратить внимание на то, что конструктивное решение прибора с разнесенными каналами, каждый из которых имеет собственное входное окно, создает проектировщику практически неразрешимую проблему. Она связана с наличием пространственного параллакса. Уменьшение расстояния между оптическими осями каналов во всех случаях ограничивается размерами входных зрачков каналов, иногда достигающих значительных размеров.
Результаты практических испытаний показали, что режим комплексирования изображений при разнесенных зрачках обеспечивает качественное изображение только на той дальности, на которой сведены оптические оси каналов. При изменении дистанции наблюдения появляется эффект двоения изображения. Очевидно, что конструктивное исполнение оптической схемы объективной части прибора в виде однозрачковой системы (т. е. наличие одной общей оптической оси для всех каналов) позволяет производить комплексирование тепловизионного и телевизионного изображений без двоения изображений независимо от дистанции наблюдения.
Объективные части однозрачковых теплотелевизионных систем могут быть решены в различных вариантах: в виде системы с общим входным окном и последующим разделением каналов внутри объектива (рис. 11а) или в виде двухканального оптико-электронного блока, построенного по коаксиальной схеме (рис. 11b). Оптическая система (рис. 11а) защищена патентом RU2700033 С2 [6]. Коаксиальная оптико-электронная система состоит из двух каналов, имеющих общую оптическую ось. При этом один из каналов установлен перед другим в зоне центрального экранирования зеркального объектива. Такая система в зависимости от применяемых фотоприемников может иметь миниатюрные размеры и вес, что достаточно актуально при проектировании носимой наблюдательной техники.
Рассматривая комплектование многоспектральных приборов фотоприемными устройствами следует уделить внимание современным сенсорам телевизионного и тепловизионного диапазонов. Видеомодуль E2V – монохромная телевизионная камера высокой чувствительности с широким динамическим диапазоном светового восприятия и разрешением 1 280 × 102 4 (SXGA) при размере пикселя 10 × 10 мкм. CMOS датчик видеомодуля обеспечивает возможность создания изображения в условиях от дневного света до освещения сцены свечением звездного неба (10–3 лк) в видимом спектре и спектре ближнего ИК‑диапазона. Низкий уровень собственных шумов CMOS датчика обеспечивает непревзойденное отношение сигнал / шум с частотой кадров до 60 Гц. Для улучшения качества изображения используются функции камеры: АРУ, автоматическое управление временем экспозиции, коррекция неоднородностей усиления, искусственное контрастирование.
Тепловизионный модуль MT1280×1024 – монохромная тепловизионная камера на основе неохлаждаемой матрицы DLE1280 (аморфный кремний) с разрешением 1 280 × 1 024 (SXGA) при размере пиксела 15 × 15 мкм.
Вывод
Рассмотрены конструктивные решения многоспектральных приборов в виде комбинации взаимодополняющих друг друга информационных каналов. Комбинации тепловизионного канала с каналом, построенным на ЭОП или на телевизионном сенсоре, являются согласованными наблюдательными системами. Эти системы проявляют высокую эффективность и расширяют границы их использования в различных условиях внешних воздействий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения. Уч. пособие – СПб: НИУ ИТМО. 2012.
Балоев В. А., Мишанин С. С., Овсянников В. А., Филиппов В. Л., Якубсон С. Е., Яцык В. С. Анализ путей повышения эффективности наземных оптико-электронных комплексов наблюдения. Оптический журнал. 2012; 3: 22–32.
Волков В. Г., Гиндин П. Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера. 2019, 579 с., ISBN: 978-5-94836-560-2.
Патент RU2690044 С2. Окуляр. / Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н.
Патент RU2684585 С1. Способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений / Медведев А. В., Жибарев Н. Д.
Патент RU2700033 С2. Двухспектральная оптическая система. / Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н., Иваницкий В. Д.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, design@romz.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, design@romz.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
аспекты эффективности применения
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева3
ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
В статье рассмотрены аспекты двух конструкционных решений для многоспектральных приборов. Решения даны в виде комбинации взаимодополняющих друг друга каналов: тепловизионного канала с каналом на телевизионном сенсоре и тепловизионного канала с каналом, построенным на электронно-оптическом преобразователе. Приведены методы повышения эффективности каждой комбинации согласованных наблюдательных систем с расширенными границами применяемости в различных условиях внешних воздействий.
Ключевые слова: многоспектральный прибор, тепловизионный канал, телевизионный канал, электронно-оптический преобразователь.
Статья получена: 27.02.2020
Принята к публикации: 09.04.2020
Введение
Расширенные возможности и многофункциональность многоканальных многоспектральных оптико-электронных систем наблюдения сегодня обсуждаются достаточно широко. Непременной и самой популярной составной частью таких систем становятся тепловизионные (ТПВ) наблюдательные каналы, способные функционировать независимо от внешней освещенности.
Этот интерес вполне объясним. Обладая высокой вероятностью обнаружения, ТПВ обеспечивают практически безусловное выделение объектов с положительным тепловым контрастом на фоне общего изображения окружающей обстановки. Когда температура объекта выше температуры фона, то вероятность его обнаружения сохраняется даже при условии, когда его изображение занимает площадь, меньшую площадки одного элемента фотоприемника. Причина кроется в том, что интегральный поток излучения, попадающий на этот единственный элемент, формирует сигнал, достаточный для выделения объекта на температурном фоне окружающей обстановки.
Дистанционные возможности такого точечного обнаружения сильно нагретых предметов могут выходить далеко за пределы, рассчитанные на основе критериев Джонсона. При этом возможность обнаружения будет в значительной мере определяться энергетическими характеристиками объекта. Это позволяет обнаруживать его на дистанциях, значительно превышающих расчетные значения.
Отметим, что ТПВ‑системы проявляют значительные преимущества по сравнению с классическими приборами ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Это проявляется в обнаружении объектов на дистанциях, почти в 4 раза больших, чем дистанции опознавания. В то время как в ПНВ на ЭОП дистанции обнаружения могут превышать дистанции опознавания всего лишь в ~ 1,5–2 раза.
Не секрет, что тепловая сигнатура объектов сильно зависит не только от состояния самого объекта, но и от внешних условий: тепловое изображение в дождливую погоду будет отличаться от изображения в сухое время из-за маскирующего воздействия воды и грязи.
В этих условиях объект и фон могут иметь одинаковую температуру, то есть изображение будет обладать нулевым тепловым контрастом. Такие условия не позволят обнаружить объект даже на близких дистанциях, независимо от разрешения изображения.
Расчетная зависимость дальности обнаружения от теплового контраста квадратных объектов в виде квадрата различной площади [1] представлена на рис. 1. Расчет проведен для метеорологической дальности видимости (МДВ) 20 км и отношения сигнал / шум 3,2. При этом для чистоты эксперимента при расчете использовались данные объективов, имеющих идентичные характеристики по фокусным расстояниям, светосиле и пропусканию.
Методы оценки эффективности функционирования приборов
Для оценки эффективности ТПВ‑прибора принято использовать значение теплового контраста 1,5 К. В стандартных условиях применения приборов реальные контрасты не превышают (0,8–0,9) К.
На рис. 2 приведены известные зависимости дальности до объекта от отношения сигнал / шум при различных значениях температурного контраста для малоразмерных целей типа беспилотных летательных аппаратов площадью А = (0,25–0,5) м2. Результаты получены при следующих исходных условиях: дисперсный состав воздуха соответствует континентальному умеренному поясу в летний сезон; спектральный диапазон 8–12 мкм; МДВ = 20 км; прибор с матрицей фирмы OPGAL формата 640 × 480 элементов с размером пиксела 17 × 17 мкм со значением эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) не более 50 мК и объективом с фокусным расстоянием 210 мм и светосилой 1 : 1. Превышение температуры объекта над температурой окружающего фона в значительной степени определяет вероятность обнаружения объекта, и анализ зависимостей (см. рис. 2) это подтверждает.
Особенность обнаружения и сопровождения воздушных объектов связана с необходимостью обеспечить величину сигнал / шум не менее 6 единиц. Эта величина является пороговой характеристикой тепловизионного автомата захвата воздушных объектов на различных дальностях (см. рис. 2: точечная пунктирная линия). При равенстве температур объекта и фона (тепловой контраст равен нулю) ТПВ‑системы не могут обнаружить цель на любых дистанциях.
Действительно, дважды в сутки объекты без внутренних источников тепла проявляют нулевой средний тепловой контраст с окружающей средой. Это обусловлено различной тепловой инерцией и различными законами нагрева или охлаждения приборных корпусов и фона – полуограниченного массива грунта.
Однако вероятность обнаружения и опознавания определяется не средним тепловым контрастом, а величиной контраста Дойла [2]: , где ΔTR – средний по площади объекта тепловой контраст; σΔT – среднеквадратическое отклонение вариаций контраста по площади объекта. На практике мы имеем σΔT > 0 и ΔTRD ≠ 0.
Однако в действительности встречаются неблагоприятные условия в виде, например, длительного моросящего дождя и отсутствия солнца. При этом значение σΔT также приблизится к нулю, и видимость в ТПВ‑канал будет практически нулевая. В этих условиях повысить эффективность прибора с ТПВ‑каналом можно путем его дополнительного оснащения наблюдательным каналом на основе ЭОП или низкоуровневым телевизионным каналом.
Физический принцип работы этих обоих каналов коренным образом отличается от принципа функционирования ТПВ‑канала. В его основе – эффект регистрации отраженного от целей естественного света в видимом и ближнем ИК‑диапазоне. Использование такого принципа открывает целый ряд преимуществ.
В первую очередь – это более комфортные условия распознавания и идентификации по видимому изображению. Полученное изображение по сравнению с тепловизионным изображением того же масштаба имеет большее числа характерных особенностей и соответственно более высокий потенциал выделения контрастных зон. Что позволяет опознать объект и определить его принадлежность по внешним характерным признакам.
Наиболее часто конструкцию информационных каналов наблюдательных приборов строят на основе комбинации каналов на ТПВ‑приемнике и видеокамере. Эти каналы по многим параметрам взаимно дополняют друг друга. При объединении в согласованную наблюдательную систему их эффективность повышается, а границы применяемости прибора расширяются. Система сохраняет работоспособность даже тогда, когда в условиях внешних воздействий один из каналов становится малоэффективным.
В результате экспериментальных исследований с применением отечественного тепловизора ТТП‑1 и зарубежного телевизионного прибора PZB‑200 была подтверждена эффективность применения сочетания ТПВ и телевизионного (ТВ) каналов (рис. 3). При освещенности, меньшей или равной 5 · 10–3 лк, дальность обнаружения ТВ-каналом резко падает, и подавляющее большинство случаев обнаружения объектов обеспечивает ТПВ‑канал.
Объяснение кроется в независимости работы ТПВ‑канала от уровня освещенности. С повышением уровня освещенности увеличивается доля ситуаций, в которых дальность ТВ‑канала оказывается выше дальности действия тепловизора. В диапазоне освещенности (1–2) · 10–2 лк эффективность обоих каналов была определена примерно одинаковой.
Полагаем, что применение дополнительно к ТВ- и ТПВ‑каналам других наблюдательных каналов нецелесообразно. Поясним свое мнение: дополнительные каналы будут либо функционально дублировать основные каналы, либо эффект от их использования будет несопоставим по сравнению с издержками от их введения в систему.
Современные ЭОП и методы их совершенствования
Однако следует отметить, что усилители изображения на основе ЭОП позволяют наблюдать сцены с более низкой освещенностью по сравнению с той, которую достигают обычные видеокамеры. Это связано с тем, что пороговая чувствительность телевизионных приемников уступает порогам, обеспечиваемым электронно-оптическими преобразователями. Именно поэтому технология усиления яркости изображения и сегодня сохраняет прочные позиции при производстве ночных наблюдательных приборов.
Одной из последних мировых новинок стал ЭОП Photonis 4G+, у которого уже налажен серийный выпуск. Прибор представляет собой доработку более ранней версии ЭОП 4G. Минимальная добротность (определяется как произведение величины «сигнал-шум» на предельную разрешающую способность в лин / мм) была увеличена до 2 200 в новой модификации, т. е. более чем на 20%.
В качестве примера отечественных ЭОП с высокими характеристиками приведем герметизированные электронно-оптические преобразователи серии ЭПМ144Г (табл. 1). Преобразователи снабжены микроканальным усилением и встроенным источником питания импульсного напряжения, включающим схему автоматической регулировки яркости (АРЯ) производства АО «Катод» (г. Новосибирск). ЭОП имеют фотокатод на основа GaAs с отрицательным электронным сродством, плоский или сферический экран на стеклянном диске или волоконно-оптическом элементе. Приборы предназначены для усиления слабых световых потоков в диапазоне длин волн от 500 до 900 нм при освещенностях от 1 · 10–3 до 200 лк.
На выставке Africa Aerospace and Defence (сентябрь 2018 года) компания Photonis представила устройство EBCMOS, которое имеет функцию слияния изображений с двух каналов. Ночной канал устройства EBCMOS позиционируется Photonis, выполненным на основе электронно-оптического преобразователя, в котором микроканальная пластина (МКП) и фосфорный экран заменены специальным КМОП-фотоприемником. В настоящее время такая ночная технология на ЭОП доступна с двумя разрешениями (2 и 4 мегапиксела), что предоставляет пользователям качественное и контрастное изображение.
В связи с активными работами по совершенствованию ЭОП достаточно интересно сравнить дальность опознавания фигуры человека на контрастном фоне для каналов с ЭОП разных поколений. Обобщенные данные (табл. 2) стали результатами расчетов по стандартным методикам [3] и полевых испытаний.
Наиболее доступны на отечественном рынке ЭОП электронно-оптические преобразователи типов ЭПМ‑62Г, ЭПМ‑65Г производства АО «Катод» (г. Новосибирск). ЭОП типов ЭПМ‑62Г, ЭПМ‑65Г представляют собой поколение III с автоматической регулировкой яркости, прямым переносом изображения, полупроводниковым фотокатодом, а также микроканальной пластиной (МКП), установленной между фотокатодом и экраном желто-зеленого свечения.
Оценить дальность опознавания фигуры человека на контрастном фоне для канала с отечественным ЭОП (например, типа ЭПМ‑62Г) можно по расчетному графику (рис. 4). Безусловно, для канала с ЭОП условия наблюдения будут в основном определяться уровнем естественной ночной освещенности (ЕНО). При ее снижении значения дальности обнаружения и распознавания будут уменьшаться вплоть до полной потери видимости.
В этом случае оценка дальности видения базируется на основной геометрической формуле дальности приборов, использующих ЭОП: , где b – размер элемента разложения, необходимый для обнаружения или опознавания, м; αΣ – суммарная разрешающая способность канала ПНВ.
В общем случае суммарная угловая разрешающая способность прибора зависит от ЕНО и ряда составляющих и определяется как:
,
где αстр. – структурная угловая разрешающая способность прибора, зависящая от параметров оптической системы прибора и учитывающая его геометрические несовершенства; αгл.пр. – предельная угловая разрешающая способность глаза, приведенная к фотокатоду ЭОП; αэл. – предельная разрешающая способность фотокатода ЭОП, обусловлена флуктуацией потока электронов (фотоэлектронов).
Расчетные данные подтверждены результатами натурных испытаний, расхождение между расчетными и фактическими значениями дальностей опознавания (табл. 2) не превышает 10–15%.
Конструктивное исполнение комбинированных приборов
Так же как объединение в одном приборе ТПВ- и ТВ- каналов комбинация тепловизионного канала и канала на ЭОП дает возможность построения эффективной наблюдательной системы, позволяющей использовать преимущества каждого из каналов в определенных условиях при меняющихся внешних параметрах наблюдения. На рис. 5 продемонстрировано, как возрастают возможности ориентирования на местности в конкретных внешних условиях наблюдения при совмещении тепловизионного изображения с изображением от ночного канала на ЭОП.
Изложенные соображения легли в основву создания двухканальных малогабаритных приборов наблюдения, в конструкции которых применены наиболее простые решения для комбинации двух каналов. В этой связи интересна оптическая схема окуляра с призмой кубиком, позволяющим производить комплексирование изображения с экрана ЭОП и тепловизионного изображения с микродисплея при одновременном включении ЭОП и микродисплея (рис. 6), защищенная патентом RU2690044 С2 [4].
Простота схемного решения окуляра обусловлена небольшим значением удаления выходного зрачка, составляющего 23 мм при фокусном расстоянии 23 мм. Угловое поле зрения составляет ~42°, диаметр зрачка глаза принимается равным ~6 мм.
На схеме изображены: входной зрачок, трехлинзовый окуляр и светоделительный кубик, пропускающий 50% света от экрана ЭОП и отражающий 50% света от экрана микродисплея. Такой обычный светоделитель позволяет достаточно просто производить комплексирование изображения с экрана ЭОП и тепловизионного изображения при одновременном включении ЭОП и микродисплея. При выключении одного из каналов осуществляется наблюдение только одного из экранов – или ЭОП, или микродисплея.
Приведенное схемное решение окуляра позволяет прибору работать в трех режимах: режим усиления яркости, тепловизионный режим и полностью совмещенный режим. Вариант конструктивного исполнения тепловизионно-ночного прибора наблюдения показан на рис. 7 на боковом разрезе по обоим каналам – ночному и тепловизионному, его внешний вид – на рис. 8, а параметры – в табл. 3. Конструкция включает ночной 7-линзовый объектив, электронно-оптический преобразователь типа ЭПМ62Г, тепловизионный трехлинзовый объектив, тепловизионное фотоприемное устройство, микродисплей типа В1.5МДО800.600.ЦО2, трехлинзовый окуляр, наглазник окуляра, а также кронштейн крепления. Прибор наблюдения подобной конструкции является простым и надежным дневно-ночным широкоугольным прибором с однократным увеличением каналов, который обеспечивает естественное восприятие, а также ввод в поле зрения дополнительной информации.
Особенностью прибора наблюдения является наличие микродисплея, постоянно видимого в поле зрения общего окуляра через призму-кубик. Это позволяет вводить в поле любые информационные знаки и тепловизионное изображение.
Небольшое расчетное удаление выходного зрачка компенсируется использованием окуляра, как простой лупы для обоих каналов. Схемное решение допускает возможность наблюдения при другом удалении глаза (больше расчетного) без дискомфорта, присущего приборам, в которых размер и удаление выходного зрачка однозначно формируются дополнительными оборачивающими оптическими системами.
Дальность опознавания человека через тепловизионно-ночной прибор подобного типа может составлять более 700 м. Специалистам известно, что большинство малогабаритных приборов наблюдения должны обеспечивать обнаружение объектов на дистанциях 500–600 м и обладать максимально возможным полем зрения.
При необходимости можно отключить ввод всех изображений с микродисплея и использовать только ночной канал как полноценный пассивный наблюдательный ПНВ с естественным восприятием изображения. Для этих целей можно включить невидимую для глаза ИК‑подсветку, когда условия видимости затруднены из-за крайне низкой естественной ночной освещенности.
И, хотя можно использовать только ночной режим или только универсальный пассивный режим (режим тепловизионного наблюдения с предельно возможными параметрами обнаружения), все-таки наиболее эффективным будет одновременное использование обоих каналов – ночного канала с ЭОП и тепловизионного. Остановимся на варианте конструктивного исполнения тепло-телевизионного прибора, обладающего некоторыми специфическими особенностями. Одна из них заключается в том, что прибор имеет увеличение обоих каналов большее, чем у простого наблюдательного прибора с функциями однократного прибора.
Второй особенностью является способность телевизионного канала строить изображение местности и опознавать объекты при достаточно низких уровнях естественной ночной освещенности – при звездном небе.
На рис. 9 представлен боковой разрез телевизионного канала с 5-линзовым объективом, тепловизионного канала с 3-линзовым объективом и окулярного канала с 4-линзовым окуляром (телевизионный объектив 1, телевизионный фотоприемник 2, тепловизионный объектив 5, тепловизионный фотоприемник 6, электронные блоки 7, микродисплей 8, окуляр 9, наглазник 10 окуляра 9, а также батарейный отсек 15 и кронштейн крепления 16). Внешний вид прибора наблюдения показан на рис. 10, а его параметры приведены в табл. 4.
Телевизионный канал построен на видеодатчике EV76C661ACT и цифровом генераторе на 12 мГц. Инициализация и управление видеодатчиком выполняется с помощью последовательного интерфейса SPI. Тепловизионный канал содержит ИК‑микроболометрический модуль S6IR‑4272 и последовательно-параллельный преобразователь 5560ИН6У. Выходные сигналы подаются на последовательно-параллельный преобразователь DS90CR286. С DS90CR286 параллельный 24-битный RGB код и сигналы синхронизации HSYNC, VSYNC и DE поступают на цветной OLED индикатор типа SXGA060SC.
Теплотелевизионный прибор – это простой и надежный вариант, позволяющий получать телевизионное, либо тепловизионное или комплексированное теплотелевизионное изображение, рассматриваемое через окуляр на едином микродисплее.
Способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений
В ходе работ над созданием приборов с комплексированием изображений, полученных в различных спектральных диапазонах, был отработан способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений, впоследствии защищенный патентом RU2684585 С1 [5].
Говоря о многоканальных системах, следует обратить внимание на то, что конструктивное решение прибора с разнесенными каналами, каждый из которых имеет собственное входное окно, создает проектировщику практически неразрешимую проблему. Она связана с наличием пространственного параллакса. Уменьшение расстояния между оптическими осями каналов во всех случаях ограничивается размерами входных зрачков каналов, иногда достигающих значительных размеров.
Результаты практических испытаний показали, что режим комплексирования изображений при разнесенных зрачках обеспечивает качественное изображение только на той дальности, на которой сведены оптические оси каналов. При изменении дистанции наблюдения появляется эффект двоения изображения. Очевидно, что конструктивное исполнение оптической схемы объективной части прибора в виде однозрачковой системы (т. е. наличие одной общей оптической оси для всех каналов) позволяет производить комплексирование тепловизионного и телевизионного изображений без двоения изображений независимо от дистанции наблюдения.
Объективные части однозрачковых теплотелевизионных систем могут быть решены в различных вариантах: в виде системы с общим входным окном и последующим разделением каналов внутри объектива (рис. 11а) или в виде двухканального оптико-электронного блока, построенного по коаксиальной схеме (рис. 11b). Оптическая система (рис. 11а) защищена патентом RU2700033 С2 [6]. Коаксиальная оптико-электронная система состоит из двух каналов, имеющих общую оптическую ось. При этом один из каналов установлен перед другим в зоне центрального экранирования зеркального объектива. Такая система в зависимости от применяемых фотоприемников может иметь миниатюрные размеры и вес, что достаточно актуально при проектировании носимой наблюдательной техники.
Рассматривая комплектование многоспектральных приборов фотоприемными устройствами следует уделить внимание современным сенсорам телевизионного и тепловизионного диапазонов. Видеомодуль E2V – монохромная телевизионная камера высокой чувствительности с широким динамическим диапазоном светового восприятия и разрешением 1 280 × 102 4 (SXGA) при размере пикселя 10 × 10 мкм. CMOS датчик видеомодуля обеспечивает возможность создания изображения в условиях от дневного света до освещения сцены свечением звездного неба (10–3 лк) в видимом спектре и спектре ближнего ИК‑диапазона. Низкий уровень собственных шумов CMOS датчика обеспечивает непревзойденное отношение сигнал / шум с частотой кадров до 60 Гц. Для улучшения качества изображения используются функции камеры: АРУ, автоматическое управление временем экспозиции, коррекция неоднородностей усиления, искусственное контрастирование.
Тепловизионный модуль MT1280×1024 – монохромная тепловизионная камера на основе неохлаждаемой матрицы DLE1280 (аморфный кремний) с разрешением 1 280 × 1 024 (SXGA) при размере пиксела 15 × 15 мкм.
Вывод
Рассмотрены конструктивные решения многоспектральных приборов в виде комбинации взаимодополняющих друг друга информационных каналов. Комбинации тепловизионного канала с каналом, построенным на ЭОП или на телевизионном сенсоре, являются согласованными наблюдательными системами. Эти системы проявляют высокую эффективность и расширяют границы их использования в различных условиях внешних воздействий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения. Уч. пособие – СПб: НИУ ИТМО. 2012.
Балоев В. А., Мишанин С. С., Овсянников В. А., Филиппов В. Л., Якубсон С. Е., Яцык В. С. Анализ путей повышения эффективности наземных оптико-электронных комплексов наблюдения. Оптический журнал. 2012; 3: 22–32.
Волков В. Г., Гиндин П. Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера. 2019, 579 с., ISBN: 978-5-94836-560-2.
Патент RU2690044 С2. Окуляр. / Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н.
Патент RU2684585 С1. Способ комплексирования полутоновых телевизионных и тепловизионных изображений / Медведев А. В., Жибарев Н. Д.
Патент RU2700033 С2. Двухспектральная оптическая система. / Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н., Иваницкий В. Д.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, design@romz.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, design@romz.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Отзывы читателей
