ТЕПЛОВИЗИОННАЯ СИСТЕМА С ЛАЗЕРНОЙ ПОДСВЕТКОЙ
TELEVISION SYSTEM HAVING LASER ILLUMINATION

Изобретение относится к технике обнаружения объектов, а именно к оптико-электронным системам видения удаленных объектов с использованием лазерной подсветки в инфракрасном спектральном диапазоне, и может быть использовано для разработки и создания тепловизионных систем и приборов, предназначенных для обнаружения и распознавания целей на больших расстояниях.
Известна тепловизионная система с лазерной подсветкой (публикация заявки США на выдачу патента на изобретение от 27.09.2007 г., US №2007/0221849, МПК 8 G01J 5/02, заявка США на выдачу патента №11/179856 на изобретение от 12.07.2005 г., см. ep.espacenet.com), содержащая оптическую систему, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), связанное с оптической системой, формирующей изображение объектов, электрически связанный с МФПУ блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазер импульсный, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, система, коллимирующая лазерное излучение для подсветки объекта, телевизионный (ТВ) монитор, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, блок питания, обеспечивающий электрическое питание МФПУ, блоку электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазеру импульсному, причем оптическая система снабжена оптическими фильтрами - фильтром, обеспечивающим пропускание излучения рабочего спектрального диапазона МФПУ, и фильтром с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, со средствами смены фильтров. Средства смены фильтров предназначены для обеспечения приема излучения либо всего рабочего диапазона (в частности от 3 до 5 мкм) в пассивном режиме, либо отраженного объектом излучения лазера, пропускаемого узкополосным фильтром, в активном режиме.
Известна тепловизионная система с лазерной подсветкой (публикация европейской патентной заявки на изобретение от 24.01.2007 г., Бюл. 2007/04, ЕР №1746438, МПК 8 G01S 17/89, европейская заявка на выдачу патента №06252975.5 на изобретение от 08.06.2006 г., см. ep.espacenet.com), содержащая оптическую систему, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), связанное с оптической системой, формирующей изображение объектов, электрически связанный с МФПУ блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазер импульсный, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, система, коллимирующая лазерное излучение для подсветки объекта, телевизионный (ТВ) монитор, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, блок питания, обеспечивающий электрическое питание МФПУ, блоку электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазеру импульсному, причем оптическая система снабжена оптическими фильтрами - фильтром, обеспечивающим пропускание излучения рабочего спектрального диапазона МФПУ, и фильтром с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, со средствами смены фильтров. Средства смены фильтров предназначены для обеспечения приема излучения либо всего рабочего диапазона (в частности от 3 до 5 мкм) в пассивном режиме, либо отраженного объектом излучения лазера, пропускаемого узкополосным фильтром, в активном режиме.
Наиболее близким решением к заявляемому техническому решению является тепловизионная система с лазерной подсветкой (патент США №7541588 на изобретение, МПК 8 G01C 3/08), содержащая оптическую систему, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), связанное с оптической системой, формирующей изображение объектов, электрически связанный с МФПУ блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазер импульсный, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, система, коллимирующая лазерное излучение для подсветки объекта, телевизионный (ТВ) монитор, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, блок питания, обеспечивающий электрическое питание МФПУ, блоку электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазеру импульсному, причем оптическая система снабжена оптическими фильтрами - фильтром, обеспечивающим пропускание излучения рабочего спектрального диапазона МФПУ, и фильтром с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, со средствами смены фильтров. Средства смены фильтров предназначены для обеспечения приема излучения либо всего рабочего диапазона (в частности от 3 до 5 мкм) в пассивном режиме, либо отраженного объектом излучения лазера, пропускаемого узкополосным фильтром, в активном режиме.
4
К недостаткам приведенных в вышеуказанных публикациях технических решений относится невысокая скорость обнаружения замаскированных и слабо обнаруживаемых в пассивном режиме объектов, невозможность одновременной работы тепловизионной системы в пассивном и активном режимах с одновременным представлением в выходном изображении двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах, а также невозможность увеличения дальности видения системы в активном режиме без значительного увеличения мощности лазерного излучения. Причина недостатков заключается в конструктивных особенностях приведенных систем. Системы принципиально не могут работать одновременно в пассивном и активном режимах с одновременным представлением в выходном изображении двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах. Конструкция систем позволяет использовать их для работы в пассивном режиме или для работы в активном режиме - при включении лазерной подсветки и одновременном подключении к работе в оптической системе с помощью средств смены фильтров (механизма смены фильтров) фильтра с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера. При этом действие каждого из сменных фильтров, устанавливаемых по ходу лучей, проходящих через оптическую систему, распространяется на все поле зрения тепловизионной системы. Возможна работа систем с последовательной реализацией указанных режимов, так называемый комбинированный активно-пассивный режим, для чего они снабжены средствами переключения, реализующими переход из одного в другой режим. Средства переключения обеспечивают вывод оптического фильтра из поля зрения матричного фотоприемного устройства, последовательную смену фильтров. Последовательная реализация режимов с необходимостью переключения снижает скорость обнаружения замаскированных и слабо обнаруживаемых в пассивном режиме объектов. Оптический фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, фильтр, выполнен на все поле зрения тепловизионной системы. В связи с этим попытки увеличить дальность видения тепловизионной системы приведут к снижению облученности объектов лазерным излучением. Компенсация этого негативного явления, сказывающегося на качестве работы тепловизионной системы, возможна в рассматриваемых технических решениях только за счет существенного увеличения мощности лазерного излучения для подсветки объектов. Одна из особенностей тепловизионных систем с лазерной подсветкой, которая объясняет, почему в системах используют небольшой угол подсветки (меньший чем поле зрения тепловизионной системы) заключается в том, что для увеличения дальности видения в n раз необходимо увеличить мощность лазерного излучения примерно n раз. Например, для увеличения дальности видения в два раза потребуется увеличение мощности лазерного излучения в 16 раз (при прочих равных условиях и без учета внешних факторов, таких как прозрачность атмосферы и т.д.).
Техническим результатом изобретения является повышение скорости обнаружения замаскированных и слабо обнаруживаемых в пассивном режиме объектов; достижение возможности одновременной работы тепловизионной системы в пассивном и активном режимах с одновременным представлением в выходном изображении двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах; возможность увеличения дальности видения системы в активном режиме без значительного увеличения мощности лазерного излучения.
Технический результат достигается в тепловизионной системе с лазерной подсветкой, содержащей оптическую систему, матричное фотоприемное устройство, связанное с оптической системой, формирующей изображение объектов, электрически связанный с матричным фотоприемным устройством блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазер импульсный, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, систему, коллимирующую лазерное излучение для подсветки объектов, телевизионный монитор, электрически связанный с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, блок питания, обеспечивающий электрическое питание матричному фотоприемному устройству, блоку электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования, лазеру импульсному, кроме того, оптическая система снабжена оптическим фильтром с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, в оптической системе реализована плоскость промежуточного действительного изображения, в которой стационарно установлен указанный оптический фильтр, причем геометрические размеры фильтра меньше размеров действительного изображения пространства предметов, формируемого оптической системой в плоскости промежуточного действительного изображения.
В тепловизионной системе оптическая система, снабженная оптическим фильтром, также выполнена в составе входного и проекционного объективов, плоскость промежуточного действительного изображения расположена между указанными объективами.
В тепловизионной системе оптическая система, снабженная оптическим фильтром, также выполнена в составе афокальной системы с плоскостью промежуточного действительного изображения, расположенной между компонентами афокальной системы, и объектива.
Тепловизионная система дополнительно снабжена сканирующей системой, расположенной по ходу лазерного излучения после системы, коллимирующей лазерное излучение для подсветки объектов.
В тепловизионной системе оптический фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, реализован на основе подложки материала, обеспечивающего пропускание излучения с длинами волн, соответствующими рабочему спектральному диапазону матричного фотоприемного устройства, при этом на часть поверхности подложки, соответствующую геометрическим размерам фильтра, нанесено интерференционное покрытие из материалов, в совокупности обеспечивающих ширину пропускания, согласованную с излучением импульсного лазера.
В тепловизионной системе в качестве подложки материала, обеспечивающего пропускание излучения с длинами волн, соответствующими рабочему спектральному диапазону матричного фотоприемного устройства, взята подложка германия или селенида цинка.
В тепловизионной системе на часть поверхности подложки, соответствующую геометрическим размерам фильтра, нанесено интерференционное покрытие из материалов, в совокупности обеспечивающих ширину пропускания, согласованную с излучением импульсного лазера, лежащим в диапазоне от 9,6 до 10,6 мкм или от 3,39 до 4,41 мкм.
В тепловизионной системе геометрические размеры фильтра меньше размеров действительного изображения пространства предметов, формируемого оптической системой в плоскости промежуточного действительного изображения, а именно взяты соответствующими перекрытию не менее 5%, но не более 10% поля зрения тепловизионной системы.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 представлена блок схема тепловизионной системы, где 1 - оптическая система; 2 - матричное фотоприемное устройство (МФПУ); 3 - блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования; 4 - лазер импульсный; 5 - система, коллимирующая; 6 - сканирующая система; 7 - блок питания; 8 - телевизионный (ТВ) монитор; 9 - входной объектив; 10 - локально-спектральный оптический фильтр (ЛСОФ), представляющий собой оптический фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера; 11 - проекционный объектив. На Фиг.2 схематически показан ЛСОФ. На фиг.3 показана фотография локально-спектрального фильтра. На Фиг 4 представлен график спектральной характеристики лазерного излучения, используемого для подсветки объектов.
В практике применения в оптико-электронных системах, в том числе в тепловизионных, лазерной импульсной подсветки и стробирования излучением с длиной волны лазера, лежащей, например, в таких диапазонах длин волн как 0,8÷0,96 мкм, или 3,39÷3,41 мкм, или 9,6÷10,6 мкм, практически всегда все поле зрения оптико-электронной системы перекрывается оптическим фильтром, пропускающим излучение длиной волны, соответствующей длине волны лазера.
Применение в тепловизионных системах лазерной подсветки обеспечивает увеличение дальности видения, повышение контраста наблюдаемого изображения, повышение точности измерения дальности расположения объекта, а также обеспечивает демаскирование и работу в условиях пониженной прозрачности атмосферы. С другой стороны, применение лазерной подсветки приводит к тому, что в выходном изображении тепловизионной системы общее поле зрения становится неинформативным, за исключением тех объектов или их фрагментов, на которые попало лазерное излучение и получен достаточный по интенсивности отраженный сигнал для регистрации его тепловизионной системой. Если же в оптический тракт приемной части тепловизионной системы введен узкополосный фильтр с пропусканием, соответствующим длине волны лазерной подсветки, перекрывающий все поле зрения, то оператор теряет большую часть информации о содержании наблюдаемой сцены. В связи с этим возникает необходимость периодического вывода фильтра из поля зрения.
В предлагаемом техническом решении в целях препятствия указанной потери информации, получения информации об объектах, которые могут представлять интерес и которые не могут быть идентифицированы из-за низкого контраста или замаскированы, принимают меры, чтобы поместить интересующие объекты в ту часть поля зрения с установленным узкополосным фильтром, в которой осуществляется лазерная подсветка, оставляя при этом большую часть поля зрения не перекрытым оптическим узкополосным фильтром. Таким образом, выключается из игры то техническое обстоятельство, которое не позволяет оператору одновременно иметь информацию в отношении всего поля зрения тепловизионной системы. Оптический фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, устанавливается в плоскости промежуточного действительного изображения в оптической системе стационарно, без необходимости его периодического вывода из системы, и перекрывает только часть поля зрения тепловизионной системы. Указанное расположение фильтра, именно в плоскости промежуточного действительного изображения, которое формируется внутри оптической системы, необходимо, чтобы обеспечить перекрывание только части поля зрения тепловизионной системы. В противном случае действие фильтра будет распространяться на все поле зрения тепловизионной системы. При этом, опять же, в целях обеспечения перекрывания только части поля зрения тепловизионной системы, геометрические размеры фильтра выбирают исходя из того, чтобы они были меньше размеров действительного изображения пространства предметов, формируемого оптической системой в плоскости промежуточного действительного изображения.
Таким образом, благодаря конструктивной особенности выполнения оптического фильтра в виде одного локально-спектрального оптического фильтра (см. Фиг.1), достигается возможность работы тепловизионнной системы одновременно и в пассивном, и в активном режимах, исключается необходимость перехода для обнаружения замаскированных и слабо обнаруживаемых в пассивном режиме объектов в активный режим, соответственно, необходимость переключения для вывода оптического фильтра из поля зрения тепловизионной системы или смены фильтров. Одновременная работа тепловизионной системы в обоих режимах в результате наличия одного локально-спектрального оптического фильтра, заменяющего набор оптических фильтров со средствами их переключения для последующей реализации другого режима, обеспечивает возможность представления в выходном изображении сразу двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах, и существенно повышает скорость обнаружения замаскированных и слабо обнаруживаемых в пассивном режиме объектов.
Достижение технического результата в части возможности увеличения дальности видения системы в активном режиме без значительного увеличения мощности лазерного излучения также базируется на вышеуказанной особенности выполнения локально-спектрального оптического фильтра. Благодаря этой особенности уменьшена расходимость регистрируемого МФПУ излучения и увеличена плотность потока квантов, падающих на фотоприемную матрицу МФПУ, что приводит к увеличению облученности площадок фоточувствительных элементов и, как следствие, формированию более контрастного изображения фотоприемной матрицей. Результаты работы такого оптического фильтра эквивалентны результатам работы лазера с увеличенной мощностью излучения при использовании обычного фильтра. Также действие фильтра в предлагаемом техническом решении эквивалентно действию фильтра, ослабляющего фоновое излучение за пределами полосы пропускания, в которой лежит длина волны отраженного объектом лазерного излучения при подсветке. Таким образом, тепловизионную систему, при условии использования в нем указанного фильтра, возможно использовать для наблюдения более удаленных объектов.
Предлагаемая тепловизионная система с лазерной подсветкой (см. Фиг.1) в общем случае выполнения содержит оптическую систему 1, МФПУ 2, блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования 3, лазер импульсный 4, систему, коллимирующую 5, блок питания 7, ТВ монитор 8. Оптическая система 1 снабжена оптическим фильтром с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера (лазер импульсный 4), - ЛСОФ 10. В оптической системе 1 реализована внутренняя плоскость промежуточного действительного изображения, в которой стационарно зафиксирован указанный оптический фильтр - локально-спектральный оптический фильтр ЛСОФ 10. Геометрические размеры фильтра - ЛСОФ 10 меньше размеров действительного изображения пространства предметов, формируемого оптической системой 1 в плоскости промежуточного действительного изображения. Действие оптического фильтра ЛСОФ 10 направлено в отношении только части поля зрения тепловизионной системы.
Оптическая система 1 оптически связана с МФПУ 2, формируя изображение объектов. МФПУ 2 электрически связан с блоком электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования 3. К последнему подсоединены лазер импульсный 4, ТВ монитор 8. Блок питания 7 обеспечивает электрическое питание МФПУ 2, блоку электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования 3, лазеру импульсному 4. Система, коллимирующая 5 лазерное излучение для подсветки объекта, выполненная с возможностью подачи на нее лазерного излучения непосредственно от лазера импульсного 4, обеспечивает излучению требуемые качества для подсветки объекта.
Кроме того, тепловизионная система может быть снабжена сканирующей системой 6, расположенной по ходу лазерного излучения после системы, коллимирующей 5 лазерное излучение для подсветки объекта. Сканирующую систему 6 выполняют в целях увеличения угловой зоны подсветки (зондируемой площади), используя при этом одно- или двухкоординатные (зеркальные) сканеры, пространственное действие которых ограничено размерами ЛСОФ 10.
Оптическая система 1, снабженная ЛСОФ 10, выполнена также в составе входного и проекционного объективов 9 и 11, соответственно (см. Фиг.1). Между указанными объективами расположена плоскость промежуточного изображения, в которой стационарно установлен оптический фильтр - ЛСОФ 10.
Кроме того, оптическая система 1, снабженная ЛСОФ 10, может в альтернативном варианте быть выполнена в составе афокальной системы и объектива. При этом плоскость промежуточного действительного изображения расположена между компонентами афокальной системы.
Оптический фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, - ЛСОФ 10 реализован на основе подложки материала, обеспечивающего пропускание излучения с длинами волн, соответствующими рабочему спектральному диапазону МФПУ 2. При этом на часть поверхности подложки, соответствующую геометрическим размерам фильтра, нанесено интерференционное покрытие из материалов, в совокупности обеспечивающих ширину пропускания, согласованную с излучением импульсного лазера (лазер импульсный 4).
Материал подложки, на основе которой выполнен ЛСОФ 10, подбирают в зависимости от требуемого рабочего спектрального диапазона МФПУ 2. Например, в качестве подложки материала, обеспечивающего пропускание излучения с длинами волн, соответствующими рабочему спектральному диапазону МФПУ 2, может быть взята подложка германия или селенида цинка.
На часть поверхности подложки, соответствующую геометрическим размерам фильтра, например центральную часть подложки, нанесено интерференционное покрытие (см. Фиг.2). Слои покрытия из материалов, в совокупности обеспечивающих ширину пропускания, согласованную с излучением импульсного лазера, выполняют по известной технологии. Расчет фильтра осуществляют также известной методикой. В зависимости от применяемого излучения для подсветки используют то или иное известное интерференционное покрытие.
Как показано схематически на Фиг.2 и фотографии на Фиг.3, в частном случае выполнения ЛСОФ 10, он представляет собой шайбу германия диаметром D, в центральной части которой на площади, ограниченной окружностью диаметром примерно (1/3)D, нанесено многослойное покрытие, посредством чего и реализован фильтр, обеспечивающий узкополосное пропускание. В зависимости от длины волны излучения лазера, используемого для подсветки объектов наблюдения, выбирают материалы для реализации фильтра. В частных случаях выполнения тепловизионной системы используют лазер импульсный 4 с длиной волны излучения, лежащей в диапазоне от 9,6 до 10,6 мкм или от 3,39 до 4,41 мкм. Для первого из указанных случаев спектральная характеристика лазерного излучения показана на Фиг.4, в этом случае, например, оптический фильтр выполнен с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, а именно по его максимуму, соответствующему длине волны 10,44 нм.
Геометрические размеры фильтра ЛСОФ 10 должны быть меньше размеров действительного изображения объекта наблюдения, формируемого оптической системой в плоскости промежуточного действительного изображения. В частности, они взяты соответствующими перекрытию не менее 5%, но не более 10% поля зрения тепловизионной системы. Указанные размеры оптического фильтра с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера (лазер импульсный 4), - ЛСОФ 10 являются рекомендуемыми для тепловизионных систем, работающих в областях спектра от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм, в которых регистрация теплового изображения осуществляется по собственному излучению объектов и в которых облученность изображения в плоскости чувствительных площадок МФПУ слабо зависит от внешней освещенности.
Форма и размещение на подложке, материал которой является основой, оптического фильтра, обеспечивающего узкополосное пропускание, согласованное со спектральными характеристиками излучения импульсного лазера, могут быть различными. Это определяется характером решаемых тепловизионной системой задач, то есть назначением системы, и видом типовых целей (объектов наблюдения). В частности, как показано на Фиг.2, в виде круга в центре поля зрения.
2
В качестве лазера импульсного 4 может быть использован CO лазер или лазер, используемый в аналоге, приведенном в качестве ближайшего, - Nd:YAG, Но:BYF, Ho:YLF. Другие элементы, указанные на Фиг.1 позициями 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11, на практике могут быть так же реализованы, как в указанном в качестве ближайшего техническом решении.
Тепловизионная система (Фиг.1) работает следующим образом.
Примем расположение ЛСОФ 10, во-первых, по отношению к МФПУ 2 - в центре поля зрения МФПУ (например, матричного на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути (КТР) с рабочим спектральным диапазоном от 8 до 11 мкм), и, во-вторых, относительно элементов оптической системы 1 - в той части ее, в которой расположена промежуточная плоскость действительного изображения. Таким образом, обеспечивается локальная оптическая фильтрация части поля тепловизионной системы.
Излучение от объекта наблюдения поступает в оптическую систему 1 через входной объектив 9. В плоскости промежуточного действительного изображения, находящейся, в частном случае выполнения тепловизионной системы, в плоскости совмещения фокальных плоскостей входного объектива 9 и проекционного объектива 11, формируется промежуточное действительное ИК-изображение пространства предметов. ЛСОФ 10, установленный в плоскости промежуточного действительного изображения, в рабочем спектральном диапазоне МФПУ 2 пропускает излучение без ослабления, формируя тепловизионное изображение в рабочем спектре ИК излучения МФПУ 2 в пассивном режиме. Одновременно ЛСОФ 10 посредством интерференционного покрытия, обеспечивающего пропускание излучения, согласованного со спектральными характеристиками излучения импульсного лазера 4, формирует изображение в узкой полосе спектра, соответствующей отраженному объектом лазерному излучению, в активном режиме. Проекционный объектив 11 проецирует одновременно оба изображения на МФПУ 2. Действие оптического фильтра с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, - ЛСОФ 10 оказывается не на все поле зрения, а на ограниченную, например центральную, часть поля зрения, позволяя оператору наблюдать остальную, большую, часть поля зрения тепловизионной системы, улучшая ориентировку в пространстве объектов наблюдения. С МФПУ 2 вырабатываемые сигналы подаются для дальнейшей обработки в блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования 3. После обработки визуализированные изображения выводятся на ТВ монитор 8 для представления оператору.