УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В МУТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СРЕДАХ
APPARATUS FOR VIEWING OBJECTS IN TURBID OPTICAL MEDIA

Данное изобретение относится к системам видения объектов в мутных оптических средах, таких как вода или атмосфера при плохой погоде (дождь, снег, туман или пылевая дымка), и может быть использовано для получения изображений объектов с целью их обнаружения и идентификации.
Из предшествующего уровня техники известно устройство для получения изображений подводных объектов при двух ортогональных положениях плоскости поляризации поляризационного фильтра [«Imaging systems and methods for recovering object visibility». Y.Schechner, T.Treibitz, B.Yaacov, Pub.No.: US 2009/0295933 A1, Pub.Date: Dec. 3, 2009]. Устройство содержит передающий канал в виде непрерывного источника подсветки на основе галогеновой лампы и поляризационного фильтра для освещения подводного объекта поляризованным излучением и приемный канал в виде цифрового фотоаппарата в герметичном корпусе и поляризационного фильтра, установленного вне корпуса. Изображение объекта получают сначала при одном положении плоскости поляризации поляризационного фильтра, а затем путем ручного вращения внешнего поляризационного фильтра в другом ортогональном положении плоскости поляризации поляризационного фильтра с последующей математической обработкой.
Недостатком устройства является малая дальность видения за счет отсутствия узла временного стробирования фотоприемного устройства, а также необходимость ручного вращения поляризационного фильтра, что увеличивает время получения информации и не позволяет получить изображение объекта в реальном масштабе времени.
Известно другое устройство для видения подводных объектов [Патент RU №2397510, «Способ видения подводных объектов и устройство для его реализации», МПК G01S 17/88, публик. 20.01.2010, авторы: Бузоверя В.В., Булкин Ю.Н., Великанов С.Д. и др.], которое в дальнейшем как наиболее близкое по технической и физической сущности выбрано в качестве прототипа. Устройство представляет собой герметичный корпус с оптическими окнами, в котором размещены передающий канал в виде источника лазерного излучения, телескопа, устройства сканирования лазерным лучом и выходной оптической системы и приемный канал в виде входной оптической системы, фотоприемного устройства с узлом стробирования, усилителя и пикового детектора. При этом входная оптическая система состоит из интерференционного и поляризационного фильтров и линзы. Передающий и приемный каналы подключены к автоматизированной системе управления и обработки информации, размещенной за пределами герметичного корпуса. Для получения изображения объекта сначала его поверхность попиксельно сканируют по двум координатам импульсно-периодическим лазерным излучением, затем с помощью интерференционного и одного поляризационного фильтра в одном оптимальном положении подвергают спектральной и поляризационной селекции для подавления помехи обратного рассеяния. Дальнейшее подавление паразитного сигнала, связанного с помехой обратного рассеяния, производят с помощью фотоприемного устройства с узлом временного стробирования, в котором время задержки сигнала стробирования устанавливается оператором вручную. Далее сигнал усиливается в усилителе и поступает на быстродействующий пиковый детектор для предварительной обработки полезного сигнала, после чего сигнал по кабелю поступает в автоматизированную систему управления и обработки информации, где происходит прием, цифровое преобразование и обработка входного сигнала с дальнейшим отображением его на пульте оператора в виде восстановленного образа объекта.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая дальность видения объектов и недостаточно высокое качество изображения (контрастность и разрешение) за счет использования одного поляризационного фильтра, а также невозможность автоматической установки временной задержки стробирования и усложнение кабеля связи с пультом оператора и конструкции герметичного корпуса, обусловленное размещением автоматизированной системы управления и обработки информации рядом с пультом оператора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства с повышенным качеством изображения для видения объектов в мутных оптических средах.
Техническим результатом изобретения является более существенное увеличение дальности видения, улучшение контрастности и разрешающей способности изображения.
Дополнительным техническим результатом является упрощение работы оператора, конструкции герметичного корпуса и кабеля связи с пультом оператора.
Технический результат достигается тем, что устройство для видения объектов в мутных оптических средах, включающее размещенные в герметичном корпусе с оптическими окнами передающий канал, образованный последовательно установленными в направлении к объекту источником лазерного излучения, телескопом, устройством сканирования лазерным лучом, выходной оптической системой, и ориентированный в направлении от объекта основной приемный канал, образованный входной оптической системой, содержащей поляризационный, интерференционный фильтры и линзу, фотоприемным устройством с узлом стробирования, усилителем и пиковым детектором, при этом передающий и основной приемный каналы подключены к автоматизированной системе управления и обработки информации. Новым является то, что в устройство введен аналогичный по составу основному приемному каналу дополнительный приемный канал, причем поляризационные фильтры входной оптической системы основного и дополнительного приемного каналов вынесены в среду за пределы герметичного корпуса перед соответствующими каналам интерференционными фильтрами, при этом плоскость поляризации поляризационного фильтра дополнительного приемного канала повернута относительно плоскости поляризации поляризационного фильтра основного приемного канала.
Кроме этого, в устройстве плоскость поляризации поляризационного фильтра дополнительного приемного канала может быть установлена ортогонально плоскости поляризации поляризационного фильтра в основном приемном канале. Также устройство дополнительно может содержать гидроакустический либо оптический канал, который подключен к автоматизированной системе управления и обработки информации. Автоматизированная система управления и обработки информации размещена внутри герметичного корпуса.
Введение в устройство аналогичного по составу основному приемному каналу дополнительного приемного канала позволяет измерять плоскость поляризации помехи обратного рассеяния, зависящий от конкретного состояния окружающей среды, и тем самым при проведении математической обработки увеличивает дальность видения и повышает качество изображения в реальном масштабе времени.
Вынесение поляризационных фильтров входной оптической системы основного и дополнительного приемного каналов в среду за пределы герметичного корпуса перед соответствующими каналам интерференционными фильтрами позволяет устранить влияние эффекта фотоупругости входного окна герметичного корпуса.
Установка плоскости поляризации поляризационного фильтра дополнительного приемного канала под определенным углом (например, 90°) относительно плоскости поляризации поляризационного фильтра основного приемного канала позволяет отказаться от установки (вращения) оптимального положения плоскости поляризации поляризационного фильтра при различных свойствах мутной оптической среды, что увеличивает дальность видения и качество изображения при упрощении конструкции системы видения.
Дополнительное снабжение устройства гидроакустическим либо оптическим каналом, подключенным к автоматизированной системе управления, позволяет устанавливать временную задержку стробирования фотоприемного устройства, тем самым автоматизирует процесс и упрощает работу оператора.
Расположение автоматизированной системы управления и обработки информации в герметичном корпусе позволяет упростить кабель связи с пультом оператора и, следовательно, упростить конструкцию герметичного корпуса за счет уменьшения количества герметичных разъемных соединений.
На фигуре представлена схема устройства для видения объектов в мутных оптических средах, где 1 - объект, 2 - мутная оптическая среда распространения излучения, 3 - передающий канал, 4 - источник зондирующего лазерного излучения, 5 - телескоп, 6 - устройство сканирования лазерным лучом, 7 - акустооптический дефлектор в режиме сканирования по координате Y, 8 - акустооптический дефлектор в режиме сканирования по координате X, 9 - выходная оптическая система, 10 - фокусирующий объектив, 11 - объектив-трансфокатор, 12 - основной приемный канал и 22 - дополнительный приемный канал, образованные соответствующим каналам: 13, 23 - входной оптической системой, 14, 24 - интерференционным фильтром, 15, 25 - поляризационным фильтром, 16, 26 - линзой, 17, 27 - фотоприемным устройством с узлом стробирования, 18, 28 - усилителем, 19, 29 - пиковым детектором; 20 - автоматизированная система управления и обработки информации, 21 - пульт оператора, 30 - гидроакустический либо оптический канал, 31 - герметичный корпус, 32 - кабель связи, 33 - место оператора, 34, 35, 36 - оптические окна.
В варианте реализации устройство включает в себя герметичный корпус, выполненный из материала, стойкого к воздействию окружающей мутной среды, с оптическими окнами для ввода и вывода излучения, в котором размещены передающий канал в виде источника зондирующего лазерного излучения, телескопа, устройства сканирования лазерным лучом и выходной оптической системы, два приемных канала: основной и дополнительный, каждый из которых состоит из входной оптической системы, фотоприемного устройства с узлом стробирования, усилителя и быстродействующего пикового детектора, и гидроакустический либо оптический канал. Передающий канал, два приемных канала и гидроакустический либо оптический канал подключены к системе автоматизированного управления и обработки информации, соединенной с пультом оператора. Устройство сканирования лазерным лучом выполнено в виде двух взаимно ортогональных акустооптических дефлекторов. Выходная оптическая система содержит фокусирующий объектив и объектив-трансфокатор. Каждая входная оптическая система содержит поляризационный фильтр, интерференционный фильтр и линзу. Поляризационные фильтры обоих приемных каналов имеют круговую поляризацию на выходе и вынесены в среду за пределы герметичного корпуса перед интерференционными фильтрами, соответствующими приемным каналам. При этом плоскость поляризации поляризационного фильтра дополнительного приемного канала установлена ортогонально плоскости поляризации поляризационного фильтра в основном приемном канале.
Устройство работает следующим образом. Поверхность подводного объекта 1 через среду распространения 2 попиксельно сканируют по двум координатам импульсно-периодическим зондирующим лазерным излучением с узкой диаграммой направленности в спектральной области прозрачности воды, сформированным посредством передающего канала 3. При формировании зондирующего излучения луч лазера 4 с частотой не менее 2.5 МГц и длительностью импульса менее 2 нс проходит последовательно через телескоп 5, устройство сканирования 6, в котором два акустооптических дефлектора 7, 8 сканируют лазерный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях (Y и Х координаты) на угол не менее ±2°, фокусирующий объектив 10 и объектив-трансфокатор 11 выходной оптической системы 9 с дальнейшим поступлением излучения на поверхность объекта 1 через выходное оптическое окно 34 и среду распространения 2. Телескоп 5 обеспечивает согласование апертуры лазера и апертуры акустооптических дефлекторов. Фокусирующий объектив 10 позволяет сфокусировать лазерное излучение после устройства сканирования 6 в пятно минимальных размеров для последующего перестроения этого пятна на входное окно объектива-трансфокатора 11. Посредством объектива-трансфокатора 11 изменяют углы сканирования от 2° до 25°, а также фокусируют лазерное излучение на разных расстояниях от устройства.
Отраженное от поверхности объекта 1 излучение после обратного прохода через мутную оптическую среду 2 одновременно поступает в основной и дополнительный приемный каналы 12, 22 через ортогональные друг к другу поляризационные фильтры 15, 25, в которых оно подвергается поляризационной селекции, после чего сигнал через входные оптические окна 35, 36 поступает на интерференционные фильтры 14, 24 для спектральной селекции. При прохождении излучений через линзы 16, 26 формируют оптимальную ширину его диаграммы направленности с последующей регистрацией отраженных импульсно-периодических оптических сигналов с высокой частотой повторения на фотоприемных устройствах с узлом временного стробирования 17, 27 и усилением в усилителях 18, 28. При этом посредством узла стробирования обеспечивают дальнейшее подавление паразитного сигнала, связанного с помехой обратного рассеяния. С выходов усилителей 18, 28 сигналы поступают в пиковые детекторы 19, 29, которые обеспечивают предварительную обработку полезного оптического сигнала. Быстродействующие пиковые детекторы 19, 29 обеспечивают регистрацию максимальных значений сигналов фотоприемных устройств 17, 27, имеющих место на переднем фронте отраженных импульсов, что обеспечивает уменьшение влияния помехи рассеяния вперед. С выходов пиковых детекторов 19, 29 сигналы поступают в автоматизированную систему управления и обработки информации 20, в которой происходит математическая обработка двух сигналов. Результаты математической обработки по кабелю связи 32 поступают на монитор пульта оператора 21 в виде восстановленного образа объекта со скоростью не менее 8 кадров в секунду и разрешением не менее 512×512 пикселей. Кроме этого, посредством автоматизированной системы управления и обработки информации 20 происходит автоматическая установка сигнала временного стробирования фотоприемных устройств 17, 27 на основе данных, полученных с помощью гидроакустического либо оптического канала 30.
Создан макет устройства и проведены его испытания в различных водных средах: в искусственном бассейне и реальных условиях морской акватории Баренцева и Черного моря с возможностью достижения вышеуказанного технического результата. Достигнута дальность видения подводных объектов, превышающая дальность видения традиционных телевизионных систем более чем в 2 раза.