Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения для вождения с помехозащищенным обзором в переднем и заднем направлениях

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к приборам ночного видения (ПНВ).
Известен принятый за аналог тепловизионный прибор вождения автотранспорта (см. Гейхман И.Л., Волков В.Г., Видение и безопасность, М.: Новости, 2009, 840 с., с. 590-592, рис. 8.1.13, а также: тепловизионные приборы вождения Night Driver фирмы Raytheon, США (рис. 8.1.13а), Driver Thermal фирмы Viewer Kollsman Inc., США (рис. 8.1.13б, в), «Кобчик» ОАО ЦНИИ «Циклон» (рис. 8.1.13 г-е). Тепловизионные приборы вождения состоят из тепловизионной камеры и телевизионного (ТВ) монитора. Тепловизионная камера содержит инфракрасный (ИК) объектив и тепловизионный модуль, состоящий из последовательно соединенных микроболометрической матрицы фотодетекторов и электронного блока, выход которого подключен к ТВ-монитору.
Данные тепловизионные приборы вождения позволяют водить автотранспорт ночью как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.), а также в условиях световых помех от фар встречного транспорта.
Недостатками тепловизионных приборов вождения являются зависимость их дальности действия от значения природных температурных контрастов объекта наблюдения с окружающим его фоном (при низком температурном контрасте объект, например, лежащее поперек дороги бревно, можно и не увидеть), низкая геометрическая разрешающая способность, невозможность видения дорожных знаков, надписей и разметки, а также высокая стоимость. Кроме того, тепловизионные приборы не обеспечивают для водителя обзора в переднем и заднем направлениях.
Известен принятый за прототип Активно-импульсный телевизионный ПНВ (АИ ТВ ПНВ) вождения автотранспорта (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д., Техническое зрение. Инновации. М.: Техносфера, 2014, 840 с., модель ПАИН ОАО «Катод», с. 272, рис. 3.3.12 (внешний вид) и с. 19, рис. 1.1.6 - блок-схема). АИ ТВ ПНВ содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП), оптики переноса, ТВ-камеры, причем первый линзовый компонент оптики переноса сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ-камеры, подключенной к ТВ-монитору.
АИ ТВ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель, состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) и объектива формирования излучения (ОФИ). Выход блока накачки подключен к ИЛПИ, на излучающую поверхность которого сфокусирован ОФИ. АИ ТВ ПНВ содержит блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов, блока регулируемой задержки и формирователя стробирующих импульсов, выход которого подключен к МКП ЭОП, причем первый выход задающего генератора импульсов подключен к блоку накачки, а второй выход задающего генератора импульсов подключен ко входу блока регулируемой задержки.
АИ ТВ ПНВ обеспечивает вождение ночью как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы, при наличии световых помех от фар встречного транспорта, его дальность действия не зависит от уровня тепловых контрастов объекта и фона, геометрическая разрешающая способность АИ ТВ ПНВ значительно выше, чем у тепловизионного прибора вождения, в отличие от которого АИ ТВ ПНВ обеспечивает видение дорожных знаков, надписей и разметки, а также имеет меньшую стоимость.
Однако АИ ТВ ПНВ имеет недостаток: не обеспечивает для водителя обзор в переднем и заднем направлении.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение обзора в переднем и заднем направлениях.
Указанная задача решается тем, что активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения для вождения с помехозащищенным обзором в переднем и заднем направлениях, содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, оптики переноса, телевизионной камеры, причем первый линзовый компонент оптики переноса сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, импульсный лазерный осветитель, состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя и объектива формирования излучения, выход блока накачки подключен к импульсному лазерному полупроводниковому излучателю, на излучающую поверхность которого сфокусирован объектив формирования излучения, блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов, блока регулируемой задержки и формирователя стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине электронно-оптического преобразователя, причем первый выход задающего генератора импульсов подключен к блоку накачки, а второй выход задающего генератора импульсов подключен ко входу блока регулируемой задержки, отличающийся тем, что между первым и вторым линзовыми компонентами оптики переноса дополнительно установлено дихроичное плоское зеркало, оптически сопрягающее второй линзовый компонент с дополнительно введенными последовательно установленными на оптической оси проекционным объективом, плоским зеркалом, вторым электронно-оптическим преобразователем со второй микроканальной пластиной, вторым узкополосным фильтром с возможностью его замены на вторую компенсирующую плоскопараллельную пластину и вторым объективом, входной зрачок которого ориентирован в направлении, противоположном ориентации входного зрачка первого объектива, в импульсном лазерном осветителе дополнительно содержатся последовательно соединенные второй блок накачки и второй импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, а также второй объектив формирования излучения, сфокусированный на излучающую поверхность второго импульсного лазерного полупроводникового излучателя, причем вход второго блока накачки подключен к первому выходу задающего генератора импульсов, а выход второго объектива формирования излучения ориентирован в том же направлении, что и входной зрачок второго объектива.
Данная задача решается благодаря тому, что в состав устройства дополнительно введен второй электронно-оптический преобразователь, второй узкополосный фильтр и второй объектив, ориентированный в заднем направлении, который сопряжен с телевизионной камерой блока наблюдения, а также дополнительно введены второй импульсный лазерный полупроводниковый излучатель и второй объектив формирования излучения, также ориентированный в заднем направлении.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже 1.
Устройство содержит блок наблюдения 1, блок стробирования 2 и импульсный лазерный осветитель (ИЛО) 3. Блок наблюдения 1 состоит из последовательно установленных на оптической оси первого объектива 4, первого узкополосного фильтра 5 с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину 6, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 7 с микроканальной пластиной (МКП) 8, оптики переноса 9, первый линзовый компонент 10 которой сфокусирован на экран ЭОП 7, а второй ее линзовый компонент 11 сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной (ТВ) камеры 12, подключенной к ТВ-монитору 13. Между первым 10 и вторым 11 линзовыми компонентами установлено дихроичное плоское зеркало 14. Блок наблюдения 1 содержит также второй объектив 15, ориентированный в заднем направлении, второй узкополосный фильтр 16 с возможностью его замены на вторую компенсирующую плоскопараллельную пластину 17, второй ЭОП 18 со второй МКП 19, плоское зеркало 20 и проекционный объектив 21, оптически сопряженный через светоделительное плоское зеркало 14 со вторым линзовым компонентом 11 и сфокусированный на экран второго ЭОП 18. ИЛО 3 содержит первый блок накачки 22, первый импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (ИЛПИ) 23 и первый объектив формирования излучения (ОФИ) 24, ориентированный в переднем направлении. Выход первого блока накачки 22 подключен к первому ИЛПИ 23, на который сфокусирован первый ОФИ 24. ИЛО 3 содержит второй блок накачки 25, подключенный ко второму ИЛПИ 26. На него сфокусирован второй ОФИ 27, ориентированный в заднем направлении. Блок стробирования 2 состоит из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ) 28, блока регулируемой задержки (БРЗ) 29 и формирователя стробирующих импульсов (ФСИ) 30, выход которого подключен к первой МКП 8 и второй МКП 19. При этом первый выход ЗГИ 28 подключен к объединенным входам первого 22 и второго 25 блоков накачки.
Первый ИЛПИ 23 излучает на длине волны 0,85 мкм, а второй ИЛПИ 26 работает на длине волны 0,88 мкм. Первый узкополосный фильтр 5 пропускает излучение на длине волны 0,85 мкм и имеет полосу пропускания, равную спектральной полосе излучения первого ИЛПИ 23. Второй узкополосный фильтр 16 пропускает излучение на длине волны 0,88 мкм и имеет полосу пропускания, равною спектральной полосе излучения второго ИЛПИ 26. Фотокатод первого ЭОП 7 и фотокатод второго ЭОП 18 имеют рабочую область спектра 0,4-0,9 мкм. Экран первого ЭОП 7 работает в области спектра 0,53-0,56 мкм, а экран второго ЭОП 18 работает в области спектра 0,63-0,67 мкм. Дихроичное плоское зеркало 14 пропускает в области спектра 0,53-0,56 мкм и отражает в области спектра 0,63-0,67 мкм. Матрица ПЗС ТВ-камеры 12 работает в области спектра 0,4-1,1 мкм.
Устройство работает следующим образом.
При движении ночью по неосвещенной дороге в условиях нормированного уровня естественной ночной освещенности ЕНО ≥3×(10-3) лк, нормальной прозрачности атмосферы и при отсутствии в поле зрения устройства световых помех от встречного или идущего сзади транспорта устройство работает в пассивном режиме. Излучение звезд и Луны, определяющее уровень ЕНО, отражается от передней по ходу движения автомашины дорожной обстановки и приходит в первый объектив 4. При этом в блоке наблюдения 1 в ход лучей установлена компенсирующая плоскопараллельная пластина 6. Излучение проходит через нее и достигает фотокатода первого ЭОП 7. На фотокатоде ЭОП 7 первый объектив 4 создает изображение передней дорожной обстановки. ЭОП 7 преобразует изображение в видимое, и усиливает его по яркости с помощью первой МКП 8. Изображение с экрана ЭОП 7 с помощью оптики переноса 9 (ее первого 10 и второго 11 линзовых компонентов) переносится на матрицу ПЗС ТВ-камеры 12. При этом изображение передается через дихроичное зеркало 14. ТВ-камера 12 преобразует изображение в видеосигнал, который передается в ТВ-монитора 13. С его экрана водитель наблюдает изображение передней дорожной обстановки, осуществляя вождение транспортного средства. Изображение с экрана ТВ-монитора 13 занимает его нижнюю часть. Одновременно в этих же условиях излучение звезд и Луны отражается от задней дорожной обстановки, приходит во второй объектив 15. При этом в ход лучей установлена вторая компенсирующая плоскопараллельная пластина 17. Второй объектив 15 создает изображение задней дорожной обстановки на фотокатоде второго ЭОП 18. Он преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью второй МКП 19. Изображение с экрана второго ЭОП 18 с помощью плоского зеркала 20 передается в проекционный объектив 21, который оптически сопряжен со вторым линзовым компонентом 11. Изображение с помощью проекционного объектива 21 и второго линзового компонента 11 переносится на матрицу ПЗС ТВ-камеры 12. При этом излучение отражается от дихроичного зеркала 14. ТВ-камера 12 преобразует изображение в видеосигнал, который передается в ТВ-монитор 13. С его экрана водитель наблюдает изображение задней дорожной обстановки, осуществляя вождение транспортного средства. Изображение с экрана ТВ-монитора 13 занимает его верхнюю часть.
При движении ночью в условиях пониженной прозрачности атмосферы и при наличии световых помех от фар встречного и идущего сзади транспортных средств устройство переводится в активно-импульсный (АИ) режим работы. При этом включаются блок стробирования 2 и ИЛО 3. Перед фотокатодом первого ЭОП 7 устанавливается первый узкополосный фильтр 5. ЗГИ 28 подает синхроимпульсы на вход первого блока накачки 22. Он преобразует их в импульсы тока, поступающие в первый ИЛПИ 23. Одновременно синхроимпульсы подаются на вход второго блока 25. Он преобразует их в импульсы тока, поступающие во второй ИЛПИ 26. ИЛПИ 23 и ИЛПИ 26 генерируют соответствующие импульсы излучения на длине волны соответственно 0,85 мкм и 0,88 мкм. Первый ОФИ 24 коллимирует излучение первого ИЛПИ 23 и направляет его вперед по ходу движения автомашины на дорожную обстановку перед автомашиной, подсвечивая ее. Аналогично второй ОФИ 27 коллимирует излучение второго ИЛПИ 26 и направляет импульсы излучения назад, подсвечивая заднюю дорожную обстановку за автомашиной. Импульсы излучения от первого ИЛПИ 23, отраженные от находящейся перед автомашиной дорожной обстановки, приходят в объектив 4 и проходят через первый узкополосный фильтр 5. Он служит для спектральной селекции передней дорожной обстановки на фоне световых помех от фар встречного транспорта. Импульс излучения с помощью объектива создает изображение передней дорожной обстановки на фотокатоде первого ЭОП 7. До прихода на фотокатод этого импульса первая МКП 8 первого ЭОП 7 заперта напряжением постоянного смещения, поступающего с выхода ФСИ 30. Одновременно с подачей синхроимпульсов со своего первого выхода ЗГИ 28 подает со своего второго выхода синхроимпульсы на вход БРЗ 29. В нем вводится задержка между синхроимпульсами с первого и со второго выходов ЗГИ 28. Эта задержка равна времени прохождения импульсом излучения расстояния от устройства до передней дорожной обстановки и обратно. Задержанные таким образом синхроимпульсы поступают на вход ФСИ 30. Он создает на своем выходе соответствующие импульсы напряжения, которые поступают на первую МКП 8. Амплитуда этих импульсов равна амплитуде напряжения постоянного смещения, но противоположна ему по знаку. Благодаря этому МКП 8 открывается на время, равное длительности этого импульса напряжения (длительности строба). При этом первый ЭОП 7 открывается, преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью первой МКП 8. Изображение с экрана ЭОП 7 с помощью оптики переноса 9 (ее первого 10 и второго 11 линзовых компонентов) переносится на матрицу ПЗС ТВ-камеры 12. При этом изображение передается через дихроичное зеркало 14. ТВ-камера 12 преобразует изображение в видеосигнал, который передается в ТВ-монитор 13. С его экрана водитель наблюдает изображение передней дорожной обстановки, осуществляя вождение транспортного средства. Изображение с экрана ТВ-монитора 13 занимает его нижнюю часть. Одновременно с первым ИЛПИ 23 второй ИЛПИ 26 генерирует импульсы излучения, которые коллимируются вторым ОФИ 27 и направляются для подсвета дорожной обстановки, находящейся за автомашиной. Импульсы излучения, отраженные от этой обстановки, возвращаются обратно и приходят во второй объектив 15. При этом перед фотокатодом второго ЭОП 18 установлен второй узкополосный фильтр 16. Он служит для спектральной селекции задней дорожной обстановки на фоне световых помех от фар сзади идущего транспорта в попутном направлении. Второй объектив 15 создает изображение дорожной обстановки за автомашиной на фотокатоде второго ЭОП 18. До прихода импульса излучения на фотокатод второго ЭОП 18 его вторая МКП 19 заперта напряжением постоянного смещения, поступающим с выхода ФСИ 30. Далее работа второго ЭОП 18 осуществляется так же, как и в случае работы первого ЭОП 7, как это было описано выше. Изображение с экрана второго ЭОП 18 с помощью плоского зеркала 20 передается в проекционный объектив 21, который оптически сопряжен со вторым линзовым компонентом 11. Изображение с помощью проекционного объектива 21 и второго линзового компонента 11 переносится на матрицу ПЗС ТВ-камеры 12. При этом излучение отражается от дихроичного зеркала 14. ТВ-камера 12 преобразует изображение в видеосигнал, который передается в ТВ-монитор 13. С его экрана водитель наблюдает изображение задней дорожной обстановки, осуществляя вождение транспортного средства. Изображение с экрана ТВ-монитора 13 занимает его верхнюю часть.
Благодаря спектральной селекции с помощью узкополосных фильтров 5 и 16 и импульсному режиму работы первого ЭОП 7 и второго ЭОП 18, который ослабляет в число крат, равное скважности, излучение световых помех, устройство обеспечивает работу водителя в условиях воздействия излучения фар встречного и идущего сзади транспорта. Дорожная обстановка не засвечивается, а водитель не утомляется.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря тому, что в состав устройства дополнительно введен второй электронно-оптический преобразователь, второй узкополосный фильтр и второй объектив, ориентированный в заднем направлении, который сопряжен с телевизионной камерой блока наблюдения, а также дополнительно введены второй импульсный лазерный полупроводниковый излучатель и второй объектив формирования излучения, также ориентированный в заднем направлении, обеспечивается обзор в переднем и заднем направлении.