АКТИВНО-ИМПУЛЬСНАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА
ACTIVE PULSE TV SYSTEM

Изобретение относится к оптическому приборостроению, конкретно к системам, предназначенным для обнаружения различных объектов и наблюдения за ними в условиях ограниченной видимости (в темное время суток, при наличии дождя и тумана, во время снегопада, при задымлении окружающей среды, во время пылевой бури), и может быть использовано при проведении поисково-спасательных работ, в охранных системах, в военном деле, в различных транспортных средствах, например в речных и морских судах.
Известен активно-импульсный прибор ночного видения [1], содержащий электронно-оптический преобразователь (ЭОП), вторичный высоковольтный источник постоянного напряжения, высокоомный делитель напряжения, генератор строб-импульсов, низкоомный импульсный делитель напряжения, импульсный лазерный излучатель, генератор накачки лазерного излучателя, устройство временной задержки и группу разделительных конденсаторов. ЭОП имеет фотокатод, оптически сопряженный с приемным объективом, микроканальный усилитель яркости изображения, экран, оптически сопряженный с окуляром, и фокусирующую электронную оптику с фокусирующими электродами.
Недостатком активно-импульсного прибора ночного видения являются отсутствие информации о расстояниях до наблюдаемых объектов, а также относительно низкая разрешающая способность, обусловленная отсутствием жесткой синхронизации между используемыми в устройстве управляющими сигналами, и относительно низкая чувствительность.
Известно устройство для наблюдения объектов [2], содержащее импульсный источник света с передающей оптикой, блок управления, первый выход которого соединен с входом импульсного источника света, основной и дополнительный приемники изображения, подключенные ко второму выходу блока управления, при этом оба приемника включают в себя запираемые ЭОП, снабженные приемными объективами, и телевизионные камеры, содержащие приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Недостатком устройства для наблюдения объектов является относительно низкая разрешающая способность (четкость), обусловленная отсутствием жесткой синхронизации между используемыми в устройстве управляющими сигналами, и относительно низкая чувствительность.
Наиболее близкой к заявляемой системе является активная стробируемая (активно-импульсная) телевизионная система [3], содержащая каскадно-соединенные блок накачки оптического лазера, лазерный полупроводниковый излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные узкополосный пропускающий оптический фильтр, приемный объектив, ЭОП, объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на матрицу ПЗС телевизионной камеры, телевизионную камеру, включающую матричный ПЗС со строчным переносом изображения, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, вырабатывающий тактовые импульсы, строчные синхроимпульсы и кадровые синхроимпульсы, и имеющую один оптический вход и два электрических выхода, и монитор, вход которого соединен с первым выходом телевизионной камеры, блок формирования стробирующих импульсов, выход которого соединен с электрическим входом ЭОП, и блок управления, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом телевизионной камеры, с которого на блок управления поступают кадровые синхроимпульсы, и два выхода, первый из которых соединен с входом блока накачки оптического лазера, а второй - с входом блока формирования стробирующих импульсов. Блок управления содержит схему задержки импульсов запуска оптического лазера, выход которой соединен с входом блока накачки оптического лазера, схему формирования циклов сканирования задержки, имеющую один вход и один выход, регулируемый ждущий генератор пачек запускающих импульсов, имеющий два входа, первый из которых соединен со вторым выходом телевизионной камеры, и два выхода, схему управления частотой и длительностью циклов сканирования задержки стробирующих импульсов и частотой импульсов в пачке, имеющую два выхода, первый из которых соединен со вторым входом регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов, а второй - с входом схемы формирования циклов сканирования задержки, схему регулируемой задержки стробирующих импульсов, имеющих два входа, первый из которых соединен с первым выходом регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов, и один выход, соединенный с входом формирователя стробирующих импульсов ЭОП, схему сканирования задержки стробирующих импульсов, имеющую два входа, первый из которых соединен с выходом схемы формирования циклов сканирования задержки, и один выход, соединенный со вторым входом схемы регулируемой задержки стробирующих импульсов, а второй выход регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов соединен с входом схемы задержки импульсов запуска лазера и вторым входом схемы сканирования задержки стробирующих импульсов.
Недостатком прототипа, так же как и приведенных выше аналогов, является относительно низкая разрешающая способность, обусловленная отсутствием жесткой синхронизации между используемыми в устройстве управляющими сигналами, и относительно низкая чувствительность.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - повышение разрешающей способности и чувствительности активно-импульсной телевизионной системы.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известную активно-импульсную телевизионную систему, содержащую каскадно-соединенные блок импульсного питания оптического излучателя, оптический излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные узкополосный пропускающий оптический фильтр, приемный объектив, ЭОП, согласующий объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на оптический вход (ПЗС-матрицу) телевизионной камеры, телевизионную камеру, включающую матричный ПЗС со строчным переносом изображения, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, вырабатывающий тактовые импульсы, строчные синхроимпульсы и кадровые синхроимпульсы, и имеющую один оптический вход, два электрических выхода, и монитор, вход которого соединен с первым выходом телевизионной камеры, формирователь стробирующих импульсов, выход которого соединен с электрическим входом ЭОП, и блок управления, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом телевизионной камеры, с которого на блок управления поступают кадровые синхроимпульсы, и два выхода, первый из которых соединен с входом блока импульсного питания оптического излучателя, а второй - с входом формирователя стробирующих импульсов, дополнительно введены формирователь импульсов управления затвором ПЗС и формирователь импульсов записи "зарядового изображения" в вертикальные регистры ПЗС, блок управления выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы, в телевизионной камере дополнительно образованы первый и второй входы, соединенные с входами схемы управления режимом работы ПЗС и выходами формирователя импульсов управления затвором ПЗС и формирователя импульсов записи зарядового изображения в вертикальные регистры ПЗС, и третий и четвертый выходы, на которые с синхрогенератора поступают тактовые импульсы и строчные синхроимпульсы, а в блоке управления дополнительно образованы второй и третий входы, соединенные с третьим и четвертым выходами телевизионной камеры, и третий и четвертый выходы, к которым подключены входы формирователя импульсов управления затвором ПЗС и формирователя импульсов записи зарядового изображения в вертикальные регистры ПЗС.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой активно-импульсной телевизионной системы.
На чертеже обозначено: 1 - блок импульсного питания оптического излучателя; 2 - оптический излучатель; 3 - передающий объектив; 4 - узкополосный пропускающий оптический фильтр; 5 - приемный объектив; 6 - ЭОП; 7 - согласующий объектив; 8 - телевизионная камера; 9 - монитор; 10 - формирователь стробирующих импульсов; 11 - блок управления; 12 - формирователь импульсов управления затвором ЗС; 13 - формирователь импульсов записи зарядового изображения в вертикальные регистры ПЗС.
Активно-импульсная телевизионная система работает следующим образом.
В режиме выделения одной зоны видимости сформированное передающим объективом 3 импульсное излучение оптического излучателя 2 освещает объект наблюдения. Запуск оптического излучателя 2 синхронизируется строчными синхроимпульсами телевизионной камеры 8. Количество строчных синхроимпульсов за время полукадра, поступающих с первого выхода блока управления 11 на вход блока импульсного питания оптического излучателя 1, а с его выхода на вход оптического излучателя 2, устанавливается в блоке управления 11. Одновременно со второго выхода блока управления 11 импульсы, задержанные относительно импульсов запуска оптического излучателя 2 на время распространения излучения до объекта наблюдения и обратно, подаются на вход формирователя импульсов стробирования 10, а с его выхода на фотокатод ЭОП 6. Время задержки, которое определяет дальность до середины зоны видимости, устанавливается кратным периоду повторения импульсов тактовой частоты. Цифровая регистрация дальности осуществляется в блоке управления 11.
Отраженное от объекта наблюдения излучение проходит через узкополосный пропускающий оптический фильтр 4. Приемный объектив 5 формирует изображение зоны видимости на фотокатоде ЭОП 6.
Во время действия импульса стробирования, поступающего с выхода формирователя стробирующих импульсов 10 на фотокатод ЭОП 6, на его выходном экране воспроизводится усиленное по яркости изображение зоны видимости, которое с помощью согласующего объектива 7 переносится на оптический вход телевизионной камеры 8.
Синхронно с импульсами, поступающими на электрический вход ЭОП 6, с блока управления 11 на вход формирователя импульсов управления затвором ПЗС 12, а с его выхода через схему управления режимом работы ПЗС на электронный затвор ПЗС подаются импульсы, которые включают режим накопления ПЗС. После окончания импульса на электронном затворе ПЗС режим накопления выключается.
Накопленные заряды, характеризующие распределение освещенности в зоне видимости, темновой ток ПЗС и темновой фон ЭОП, записываются в вертикальные регистры ПЗС, размещенной в телевизионной камере 8, в моменты поступления на нее импульсов с выхода формирователя 13, вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 11.
В следующем полукадре изображение, записанное в вертикальные регистры, построчно выводится и регистрируется на телевизионном мониторе 9. В последующих полукадрах последовательность работы повторяется.
Для расширения границ зоны видимости по дальности блок управления 11 после каждого импульса включения оптического излучателя 2 формирует изменяющуюся в течение полукадра задержку включения ЭОП 6.
Величина задержки включения импульса стробирования ЭОП 6, сформированная после первого импульса запуска оптического излучателя 2, определяет расстояние до минимально удаленных от активно-импульсной телевизионной системы объектов наблюдения. С приходом последующих импульсов включения оптического излучателя задержка включения импульса стробирования ЭОП 6 каждый раз увеличивается на время, соответствующее шагу по дальности. Последнее в полукадре изменение величины задержки определяет расстояние до максимально удаленных объектов. На этом цикл формирования границ зоны видимости по дальности заканчивается.
При сильных замутнениях атмосферы число циклов сканирования за время полукадра увеличивается.
Число шагов изменения величины задержки, величина задержки после первого включения оптического излучателя и число циклов сканирования за время полукадра регулируются и устанавливаются в блоке управления 11.
н
u
u
к
нш
к
н
При работе телевизионной системы в активно-импульсном режиме формирование зарядового рельефа на матрице ПЗС происходит за время t=nτ, где n - количество импульсов подсвета за время полукадра, а τ - длительность импульса на затворе матрицы ПЗС. Время накопления "темновых" электронов и электронов, обусловленных темновым фоном ЭОП, равно периоду кадровой частоты Т. Учитывая, что число "темновых" электронов матрицы ПЗС и электронов, обусловленных темновым фоном ЭОП, накопленных на элементе изображения, пропорционально времени накопления, а число электронов, характеризующих распределение освещенности в зоне видимости, - длительности импульсов на затворе матрицы ПЗС и их числу за время полукадра, введение дополнительных блоков и связей приводит к уменьшению количества "темновых" электронов матрицы ПЗС и электронов, обусловленных темновым фоном ЭОП, приблизительно в k≈T/t раз, а среднеквадратического отклонения в  раз.
к
н
В аналогах [1, 2] и прототипе [3] применяются телевизионные камеры, в которых используется стандартный режим разложения изображения (Т=20 мс). В стандартном режиме разложения изображения среднеквадратическое значение только "темновых" электронов матрицы ПЗС равно приблизительно 20÷25. В предлагаемой активно- импульсной телевизионной системе даже при t=1 мс среднеквадратическое значение "темновых" электронов матрицы ПЗС равно приблизительно 5. В результате отношение сигнал/шум, а значит, и чувствительность заявляемой телевизионной системы возрастает приблизительно в 5 раз. Учитывая, что количество накопленных электронов, обусловленных темновым фоном ЭОП, в заявляемой телевизионной системе будет меньше, чем в аналогах и прототипе, выигрыш в чувствительности будет еще большим. Кроме того, синхронизация блока управления синхроимпульсами кадровой частоты, строчной частоты и высокочастотными импульсами тактовой частоты синхрогенератора телевизионной камеры 8 обеспечивает возможность формирования длительностей импульсов, задержек их относительно друг друга с высокой точностью и стабильностью. Высокая точность и стабильность формирования задержек и длительностей импульсов позволяет дополнительно увеличить чувствительность и разрешающую способность активно-импульсной телевизионной системы за счет минимизации размытия зоны видимости.
Источники информации
1. Патент РФ №2040015, кл. G01S 17/06, G01B 23/12, F41G 1/35. Заявл. 20.07.1992. Опубл. 20.07.1992.
2. Патент РФ №2089932, кл. G02B 26/10, G01S 17/02. Заявл. 04.06.1996. Опубл. 10.09.1997.
3. Белов В.В., Белоусов B.C., Борисов Б.Д., Курячий М.И., Матвиенко Г.Г., Пустынский И.Н., Тарасенко В.П. Стробируемая система ночного видения ZOND // Наука - производству, 2003, №9 (65). С.32-38 - прототип.