СТЕРЕОТЕПЛОВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Стереотепловизионное устройство
Полезная модель относится к приборам наблюдения в условиях ограниченной видимости, например, в темное время суток, в тумане, при ослепляющих воздействиях (днем - от солнца, а ночью - светом фар встречного транспорта) и может быть использована для вождения транспортных средств, управления роботами при выполнении тяжелых или опасных работ, наблюдения и других целей.
В настоящее время одним из наиболее эффективных средств для видения в реальном масштабе времени при пониженной освещенности являются очки ночного видения. В этих приборах обычно используются вакуумные электронно-оптические преобразователи-усилители яркости изображения. Основные требования, предъявляемые к очкам ночного видения: большие поля зрения (40°), малая масса, значительная дальность действия, которая при естественной ночной освещенности  л к составляет сейчас от 100 до 600 м. Бинокулярные очки ночного видения с двумя электроннооптическими преобразователями создают объемное изображение и успешно применяются для вождения транспортных средств в условиях ограниченной видимости .
К недостаткам очков ночного видения следует отнести:
сравнительно узкий спектральный диапазон их чувствительности, охватывающий видимую часть спектра и близкий инфракрасный диапазон (до 1,1-1,2 мкм), что снижает эффективность использования очков при низких освещенностях, в тумане и при помехах;
большую массу (0,45-1,3 кг). Необходимо отметить, что для удержания таких очков на голове (в том числе и при закреплении их на шлеме) в течение длительного времени требуется еще и использование противовеса такой же массы;
наличие прозрачного окна (специальных шахт или оптических каналов) для наблюдения, что приводит к ухудшению живучести боевых бронированных средств, например, к необходимости создания отверстий в броне танка или бронемашины.
Другим известным средством наблюдения при малых освещенностях в реальном масштабе времени является система низкоуровневого телевидения, обеспечивающая не только видение на большие расстояния при малых освещенностях, но также цифровую обработку л запоминание изображений. К числу важнейших положительных
качеств такой телевизионной системы относится возможность размещения ее датчиков снаружи транспор гного средства (например, танка, вертолета или судна) или операторского помещения с передачей информации к видеоконтрольному устройству по проводам или волоконно-оптическим линиям связи.
Однако создание на основе низкоуровнего телевидения эффективных систем для вождения транспортных средств или управления роботами возможно только с использованием стереосистем, создающих объемное изображение. Экспериментально доказано, что стереосистемы видения обладают рядом существенных преимуществ:
элементы рельефа (впадины, комья земли), практически неразличимые при монокулярном видении, отчетливо видны в стереорежиме на расстояниях, обеспечивающих безопасное движение транспортного средства;
неточность определения расстояний до объектов при стереоскопическом видении уменьшается в несколько раз;
шумовые помехи в стереосистемах значительно менее заметны и оказываются пространственно отделенными от объекта наблюдения;
при ограниченной видимости дальность видения полотна дороги увеличивается в 1,5 -1,7 раза, а пороговая освещенность уменьшается  в 3 раза;
при использовании режима оглядывания (ортостереоскопического восприятия) порог глубинного зрения может быть уменьшен еще в 1,5 раза.
Известные в настоящее время стереотелевизионные системы включают, как правило, два разнесенных на некоторое базовое расстояние оптических объектива, формирующих в фокальных плоскостях два изображения объекта под разными ракурсами (стереопара). В фокальной плоскости каждого объектива размещены преобразователи оптического изображения в электрические сигналы. В качестве таких преобразователей используются, как правило, различные передающие телевизионные трубки. Сигнал с передающих телевизионных трубок через линии передачи поступают на видеоконтрольное устройство, на котором воспроизводится объемное изображение наблюдаемого объекта. Работа блоков, формирующих сигнал изображения, контролируется синхрогенератором и системой соответствующих развертывающих устройств. Существуют системы с двумя формирователями электрического сигнала изображения и с одним формирователем. В последнем случае оптические сигналы поступают на него либо попеременно (с частотой 50 кадров/сек.), либо одновременно с частотой 25 кадров/сек., при этом каждое изображение занимает  Уг приемной площадки, (см. например, Зарубежная радиоэлектроника, 1985, N1, с. 3-13).
Однако известные стереотелевизионные системы обладают чувствительностью в спектральном диапазоне только до 1,1-1,2 мкм. Они не могут обеспечить возможность круглосуточного видения и часто бесполезны в темноте, тумане или при наличии искусственных помех.
В этих условия представляют интерес тепловизионные средства наблюдения, информационная способность которых не зависит от времени суток и освещенности. Длинноволновое инфракрасное (ИК) излучение (с длинами волн до 14 мкм) мало меняется в течении суток, практически не рассеивается в тумане и при использовании большинства искусственных помех и поэтому с успехом может использоваться для круглосуточного наблюдения.
Известны стереотепловизионные системы, в которых построение изображения осуществляется в ИК области спектра, (см., например, патент CIIIAN 3805073, кл. 250353, 1974 г.). Описанное в данном патенте устройство для стереоскопического наблюдения дефектов в полупроводниковых кристаллах, как наиболее близкое к предлагаемому, принято за прот отип.
Устройство содержит источник ИК излучения, облучающий объект, две прозрачные в ИК области спектра оптические системы, формирующие тепловые изображения объекта под разными ракурсами в плоскостях двух ИК фотоприемников, а также оптико-механическое развертывающее устройство для синхронной строчной и кадровой развертки двух тепловых изображений. Сигналы с фотоприемников поступают в блок обработки сигналов изображения, который в данном устройстве представляет собой последовательно соединенные предварительный усилитель и видеоусилитель, а затем - на вход стереовидеоконтрольного устройства, на экране которого оператор наблюдает объемное тепловое изображение объекта. Работа устройства управляется синхрогенератором.
Недостатками данного устройства являются:
низкая чувствительность, не обеспечивающая построения изображения объекта в его собственном Ж излучении, вследствие чего в нем использован внешний источник ИК излучения;
малая частота кадров (несколько герц), связанная с использованием для преобразования оптического сигнала в электрический одноэлементных фотоприемников, не позволяющая наблюдать объект в реальном масштабе времени и использовать данное устройство для управления транспортными средствами и манипуляторами.
Целью настоящего предложения является получение в реальном масштабе времени объемного изображения, сформированного собственным тепловым излучением объектов.
Для достижения указанной цели в известном стереотепловизионном устройстве, содержащем на входе по крайней мере две оптические системы, прозрачные в ИК области спектра, на выходе которых размещен, по крайней мере, один фотоприемник, последовательно соединенные между собой блок обработки сигналов изображения с п основными входами, где и - число фотоприемников в устройстве, и стереовидеоконтрольное устройство, а также синхрогенератор, каждый из фотоприемников содержит N параллельно работающих фоточувствительных элементов и в устройство введены Nn накопителей фотосигнала, п JV-канальных коммутаторов-мультиплексоров и блок управления режимом фотоприемников с я-выходами, причем, последовательно с каждым фоточувствительным элементом установлен накопитель фотосигнала, подключенный своим выходом к соответствующему входу соответствующего коммутаторамультиплексора, вход задания режимов которого соединен с соответствующим выходом блока управления режимом фотоприемников, а выход - с соответствующим входом блока обработки сигнала изображения, управляющий вход которого подключен к первому выходу синхрогенератора, второй выход которого соединен с управляющим входом стереовидеоконтрольного устройства, а третий выход - с управляющим входом блока управления режимом фотоприемников.
В другом варианте предлагаемого устройства поставленная цель достигается тем, что в известном стереотепловизионном устройстве, содержащем на входе, по крайней мере, две оптические системы, на выходе которых размещен, по крайней мере, один фотоприемник, последовательно соединенные между собой блок обработки сигнала изображения с я-основными входами, где п- число фотоприемников в устройстве, и стереовидеокоитрольное устройство, а также синхрогенератор, каждый из фотоприемников содержит N параллельно работающих фоточувствительных элементов, а в устройство введены Nn накопителей фотосигнала, nN усилителей, я V-канальных коммута горов-мультиплексоров и блок управления режимом фотоприемников с я выходами причем, последовательно с каждым фоточувствительным элементом установлены последовательно соединенные усилитель и накопитель фотосигнала, подключенный своим выходом к соответствующему входу соответствующего коммутатора-мультиплексора, вход задания режимов которого соединен с соответствующим выходом блока управления режимом фотоприемников, а выход - с соответствующим входом блока обработки сигнала изображения, управляющий вход которого, подключен к первому выходу синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющими входом стереовидеоконтрольного устройства, а третий выход - с управляющим входом блока управления режимом фотоприемников.
В другом варианте предлагаемого устройства поставленная цель достигается тем, что в известном стереотепловизионном устройстве содержащем на входе по крайней мере две оптические системы, на выходе которых размещен, по крайней мере, один фотоприемник, последовательно соединенные между собой блок обработки сигнала изображения и отереовидеоконтрольное устройство, а также синхрогенератор, каждый из фотоприемников содержит  параллельно работающих фоточувствительных фотоэлементов, а в устройство введены Nn накопителей фотосигнала, и N - канальных коммутаторов-мультиплексоров, усилитель и блок управления режимом фотоприемников с л-выходами, причем последовательно с каждым фоточувствительным элементом установлен накопитель фотосигнала, подключенный своим выходом к соответствующему входу соответствующего коммутатора-мультиплексора вход задания режимов которого соединен с соответствующим выходом блока управления режимом фотоприемников, а выход через усилитель с соответствующим входом блока обработки сигнала изображения, управляющий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющим входом стереовидеоконтрольного устройства, а третий выход - с управляющим входом блока управления режимом фотоприемников.
Для повышения чувствительности устройства каждый фотоприемник может быть снабжен системой охлаждения.
Известно, что  величение базиса в стереоскопических системах видения увеличивает точность определения больших расстояний, а регулировка фокуса и конвергенции уменьшает утомляемость оператора. Поэтому в ряде случаев в устройство вводится блок управления оптическими системами, обеспечивающий автоматическую или ручную регулировку базового расстояния, фокусного расстояния объективов оптических систем, диаметра диафрагм и конвергенции, вход которого соединен со вторым выходом блока обработки сигнала изображения, а каждый из выходов - с соответствующей оптической системой.
В случае, когда в заявленном устройстве использован фотоприемник, чувствительные элементы которого не перекрывают все формируемое изображение, (например многоэлементиые линейки) для построения изображения необходимо введение
хотя бы одного оптико-механического развертывающего устройства, оптически сопряженного с фотопркемником и оптическими системами, вход которого подключен к четвертому выходу синхрогенератора. (При использовании нескольких оптикомеханических развертывающих устройств вход каждого из них соединен с соответствующим выходом синчрогенера).
В ряде случаев при использовании предлагаемого устройства для управления транспортными средствами возникает необходимость передачи на экран видеоконтрольного устройства различной служебной информации о режимах движения транспортного средства или отклонениях от заданных режимов, предупреждений об аварийных ситуациях и т а. В этом случае предлагаемое устройство содержит генератор служебной информации, выход которого соединен с соответствующим дополнительным входом блока обработки сигнала изображения.
Для лучшей ориентации водителя на дороге устройство может содержать генератор меток дальности, выход которого соединен с соответствующим дополнительным входом блока обработки сигнала изображения.
В ряде случаев может возникнуть необходимость записи изображения отдельных участков дороги в процессе движения (документированный отчет) или до начала движения -для корректировки маршрута по заданным ориентирам. В этом случае устройство снабжается видеомагнитофоном, выход которого подключен к соответстующему дополнительной у входу блока обработки сигнала изображения.
Для возможное ги оперативной передачи сведений от диспетчера, находящегося в гараже или офисе, или командира, находящегося на командном пункте, и обратно - от экипажа транспортного средства, а также для управления транспортным средством или роботом по радио при разведке, разминировании или работе в зараженной местности, в устройство вводится блок программируемой памяти, приемник телевизионного сигнала и передатчик телевизионного сигнала, вход которого подключен к первому выходу блока программируемой памяти, второй выход которого соединен с соответствующим дополнительным входом блока обработки сигнала изображения, а вход - с выходом приемника телевизионного сигнала.
При необходимости точной ориентации объекта на поверхности Земли для получения точных координат местонахождения объекта устройство может содержать блок космической ориентации, выход которого соединен с соответствующим дополнительным входом блока обработки сигнала изображения.
В ряде случаев в устройстве может быть предусмотрено наличие фар видимого или инфракрасного диапазонов.
Наконец, предлагаемое устройство может быть скомплексировано со стереотелевизионной системой видимого и ближнего ИК диапазона, например, использующей формирователи сигналов на основе полупроводниковых приборов с зарядовой связью (ПЗС) или ПЗС, состыкованных с электронно-оптическими усилителями яркости изображения для работ при низких освещенностях.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 а, б, в - представлены варианты блок-схемы предлагаемого устройства с двумя фотоприемниками по одному в канале в каждом канале; на фиг. 2 - вариант блок-схемы с одним фотоприемником (матричного типа) в канале; на фиг.З - схема подключения ряда дополнительных блоков.
Предлагаемое чстройство включает как минимум один канал, содержащий на входе две оптические системы /, на выходе которых в фокальной плоскости размещены многоэлементные фотоприемники 2 . Фотоприемники 2 могут быть выполнены в виде линеек из N фоточувствительных элементов 3 или в виде матрицы. При использовании линеек каждый канал содержит два фотоприемника, при использовании матричной конструкции - - 2 или 1. Общее число фотоприемников в устройстве п определяется числом содержащихся в нем каналов. Кроме обязательного основного ИК канала в ряде случаев (например, для обеспечения повышенной информационной емкости или надежности) устройство может включать один или несколько ИК каналов с отличающейся спектральной чувствительностью или дублирующий канал, который подключается к работе при выходе из строя основного. Кроме того, возможно включение в устройство и дополнительных каналов, работающих в традиционных видимых областях спектра, для обеспечения возможности работы устройства в дневное время.
В каждом из фотоприемников последовательно с каждым из N фоточувствительных элементов SN установлены накопители фотосигнала 4/...4v В первом варианте (п.1 формулы) накопители установлены непосредственно за фоточувствительными элементами 3j...3f{. Во втором варианте (п.2 формулы) фоточувствительные элементы 3t...3n соединены с накопителями фотосигнала 4i...4tf через усилители 5/...5# . На выходе каждого из n-фотоприемников установлен коммутатор-мультиплексор 6„ с N входными каналами, к которым подключены выходы накопителей фотосигнала 4i...4n. Каждый коммутатор-мультиплексор 6„ имеет вход задания режимов, соединенный с выходом блока управления режимом фотоприемников 7. Основу этого блока составляют последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, формирователь логических импульсов и преобразователь уровней этих импульсов. Он обеспечивает автоматически выбор экспозиции и динамического диапазона в изображении, а также в случае необходимости функции антиблюминга.
В первых двух вариантах устройства (п.1 и п. 2 формулы) выход каждого коммутатора-мультиплексора 6„ подключен к соответствующему входу блока обработки сигнала изображения 8, управляющий вход которого соединен с первым выходом синхрогенератора 9. Последовательно с блоком обработки 8 установлено стереовидеоконтрольное устройство 10, управляющий вход которого подключен ко второму выходу синхрогенератора 9. Блок 8 обеспечивает оптимальное представление изображения на экране стереовидеоконтрольного устройства 10.
Для повышения чувствительности фоточувствительные элементы фотоприемников охлаждаются в помощью систем охлаждения lli...lln.
Для регулировки базисного расстояния между фокусирующими элементами (объективами) входных оптических систем / и других оптических параметров системы 1 их подключают к блоку управления оптическими системами 12, вход которого соединен со вторым выходом блока обработки сигнала изображения 8, а каждый из выходов - с соответствующей оптической системой / . Блок 12 обеспечивает автоматическую или ручную регулировку базиса, фокусного расстояния объективов, диаметра диафрагм и/или конвергенции.
Если площадь всех фоточувствительных элементов фотоприемников не перекрывает полностью необходимое поле наблюдения, в предлагаемое устройство вводится п оптико-механ ических развертывающих устройств (по числу фотоприемников в устройстве) 13...13п, обеспечивающих необходимое поле обзора каждому фотоприемнику 2...2„. Работа оптико-механических развертывающих устройств управляется синхрогенератором 9, для чего вход каждого из блоков 13...13п подключен к соответствующему дополнительному выходу синхрогенератора 9.
При использовании фотоприемников матричной конструкции, как правило перекрывающих необходимое поле обзора, оптико-механические развертывающие устройства обычно не требуются.
Важную роль в предлагаемой полезной модели играет блок обработки сигнала изображения 8. Он представляет собой, как правило, цифровой процессор. Этот блок обеспечивает не только автоматический выбор экспозиции (через блок 12), но и такие необходимые функции как электронная стабилизация изображений, поступающих с фото конт устр деле ной ввод приемников, электронная трансфокация изображения, поступающего на видеорольное устройсп во, микширование ИК и видимого изображений (при наличии в ойстве каналов видимого диапазона). Кроме того, данный блок обеспечивает выние на экране стререовидеоконтрольного устройства 10 различной дополнительинформации, поступающей от следующих блоков, которые при необходимости ятся в заявляемое устройство: генератора служебной информации 14, генератора меток дальности 15, блока космической ориентации 16, блока программируемой памяти 17, приемника телевизионного сигнала 18 и передатчика телевизионного сигнала 19, вход которого подключен к первому выходу блока  программируемой  памяти 17, второй выход которого соединен с соответствующим дополнительным входом блока обработки сигнала изображения 8, в вход - с выходом приемника телевизионного сигнала 18. Для просмотра ранее сделанных записей к блоку 8 может быть подключен видеомагнитофон 20. При необходимости предлагаемая полезная модель может также содержать фары видимого и/или ИК облучения. 21. Питание, необходимое для нормального функционирования устройства, поступает на фотоприемники, усилители, накопители, коммутаторымультиплексоры, блоки 8, 9,12,13 и микросистемы охлаждения 11 от специального блока питания (на чертеже не показан). Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Инфракрасные оптические системы 1 оси которых разнесены на некоторое базовое расстояние d, формируют в плоскости фоточувствительных элементов фотоприемников два инфракрасных изображения наблюдаемых объектов (стереопар}). В варианте устройства, где использован один фотоприемник, изображение от двух ИК входных оптических систем 1 либо поступает на фотоприемник поочередно с помощью соответствующего оптико-механического развертывающего устройства 13„, либо, при использовании матричного фотоприемника, параллельно на разные участки матрицы. Попадающее на фоточувствительные элементы Зн излучение преобразуется в электрические сигналы, которые либо непосредственно, либо после усиления, в усилителях 5N поступают в соответствующие накопители фотосигнала 4, где накапливаются в течении заданного времени между его опросами. Накопленные сигналы с помощью коммутаторов 6„ формируют выходной телевизионный сигнал, который пройдя лмбо непосредственно, либо после усиления в блоках 5 (фиг 1в) блок обработки сигнала изображения 8, образует на стереовидеоконтрольном устройстве 10 объемное тепловое изображение объекта, наблюдаемое оператором.
Как уже отмечалось, каждый фотоприемник в стереопаре может содержать несколько групп фоточувствительных элементов, отличающихся по спектральной чувствительности. В этом случае блок обработки сигнала изображения 8 создает на экране стереовидеоконтрольного устройства 10 полный аналог цветного видимого изображения.
В процессе формирования изображения блок управления 7 режимом фотоприемников по сигналу с блока 8 обеспечивает автоматический выбор экспозиции и динамического диапазона в изображении. С помощью блока управления оптическими системами 12 вручную или автоматически по сигналу с выхода блока обработки 8, синхронизированному с входом блока 12 с помощью синхрогенератора 9, оптимизируется фокусное расстояние объективов входной оптики, диаметры диафрагм, и/или базисные расстояния между оптическими осями входных оптических систем.
При наличии в устройстве дополнительных каналов видимого и близкого ИК изображения позволяющих осуществлять наблюдение в дневное и сумеречное время, блок обработки сигнала изображения 8 обеспечивает микширование видимого и ИК изображений. При этом оператору в дневное и сумеречное время создаются привычные условия наблюдения с высвечиванием на экране стереовидеоконтрольного устройства 10 дополнительной информации, передаваемой в ИК лучах или носящих служебный характер.
При наличии в устройстве электронного блока меток дальности 15, которые наблюдаются на экране стреовидеоконтрольного устройства 10, например, в виде вертикальных линий, находящихся на определенных расстояниях от наблюдателя, обеспечивается возможность измерять расстояния до объектов, расположенных на наблюдаемых участках местности.
При наличии в устройстве блока космической ориентации 16 на экране стереовидеокаьаального устройства 10 оператор (водитель) может наблюдать местоположение своего транспортного средства на местности относительно
ближайших населенных пунктов или других ориентиров в реальном масштабе времени.
Если в устройство включен видеомагнитофон 20, то по команде оператора на нем в процессе наблюдения производится запись изображения отдельных участков дорог и или всего маршрута, а также показаний отдельных приборов. При использовании циклической записи изображения с остановкой в случае аварии, видеомагнитофон реализует функции «черного ящика на транспортном средстве. Наличие в устройстве фар 21 видимого и/или ИК излучения улучшает возможности наблюдения при неблагоприятных погодных условиях.
Предлагаемое устройство позволяет получать в реальном масштабе времени объемное изображение объектов, сформированное по их собственному тепловому излучению, без применения дополнительной подсветки от специальных источников. Это достигается за счет повышения чувствительности и быстродействия фотоприемников путем использования большого числа параллельно работающих фоточувствительных элементов, сопряженных с накопителями фотосигнала и коммутатопром-мультиплектором.
Действительно, при заданном времени кадра (при стереоскопическом наблюдении это обычно 1/50 секунды для каждого глаза) и его формате, например, 290 х 256 пикселей время кадра без потери чувствительности обратно пропорционально числу фоточувствительных элементов. В свою очередь, пороговая чувствительность при неизменном времени кадра оказывается обратно пропорциональной квадратному корню из числа фоточувствительных элементов. Таким образом, по сравнению с прототипом, где используются одноэлементные фотоприемник 1, обладающие предельную частоту в несколько герц, в предлагаемом устройстве при использовании линейки из 256 фоточувствительных элементов удается не только обеспечить наблюдение в реальном масштабе времени и упрости гь оптико-механическое развертывающее устройство, убрав развертку по одной из осей, но и повысить чувствительность системы в несколько раз.
Такое повышение уже обеспечивает наблюдение объектов, находящихся при комнатной температуре, в собственных тепловых лучах.
Использование же матричного фотоприемника на 290x256 пикселей позволяет при необходимом времени кадра полностью избавиться от оптикомеханического развертывающего устройства и поднять чувствительность до двух порядков величины.
Чувстви1 ельность может быть еще повышена при охлаждении фоточувствительных элементов с помощью микроминиатюрных систем охлаждения и/или стабилизации температуры.
Заявляемая полезная модель может быть реализована на известных многоэлементных фотоприемниках в виде линеек или матриц фоторезисторов или фотодиодов, например, на основе CdHgTe или другого полупроводникового материала, обладающего чувствительностью в необходимом диапазоне ПК спектра. Могут быть использованы стандартные известные усилители, например 1407ДЗ коммутаторы-мультиплексоры, например 1104КН1.
В качестве стереовидеоконтрольного устройства может быть использован цветной дисплей с частотой полукадров 100 Гц, при этом оператор рассматривает изображение через очки с жидкокристаллическими затворами, поочередно прот екающими излучение экрана к левому и правому глазу.
При существующем уровне техники усилители 5#, накопители 4к, мультиплексоры 6„, а в некоторых случаях и фоточувствительные элементы Зм могут быть выпои пены в едином твердотельном блоке.
Остальные элементы устройства могут быть выполнены по известным схемам с применением известных приборов, устройства могут быть выполнены по известным схемам с применением известных приборов.
Заявляемое устройство стереотепловидения пассивно, обеспечивает круглосуточное видение в реальном масштабе времени, в том числе и при наличии искусственных помех, дает возможность одновременно наблюдать одно и то же изображение на нескольких видеоконтрольных устройствах и соответственно обеспечивает дублирование функций членами экипажа боевых машин, усиливает бронсзащиту боевых транспортных средств, так как может быть установлено снаруяси транспортных средств. Приемная часть устройства может быть помещена также на поворотное приспособление для кругового обзора. Г, el.tf Бегучев В.П. убкин И.И. Кощавцев Н.Ф. tyЈffleB A-M.