Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978), страница 4

В сканирующей системе использовались две вращающиеся преломляющие призмы (клина) для получения спиральной развертки с одноэлементным приемником излучения на основе антимонида индия. Мгновенное поле составляло 1 мрад при круглом поле обзора 0,087 рад (5'), кадровая частота 0,2 кадр/с, чувствительность — около 1 'С; в качестве индикатора использовалась электронно-лучевая трубка с длительным послесвечением экрана. С этой системы началось развитие наземных приемных устройств для военных и гражданских применений; возможности дальнейшего сокращения габаритов систем и использования их преимуществ в мирных целях еще не исчерпаны. Интерес к самолетным системам РЫК был возрожден в двух независимых программах начала 60-х годов: ВВС совместно с фирмой «Тексес инструментс» и ВМС совместно с фирмой «Хьюз эйркрафт».

Опытные образцы были созданы и прогали летные испытания в 1965 г. Результаты были столь успешными, что вызвали расширение производства самолетных И 1К и сферы их применения. С этого момента начался расцвет систем РЫК, и в период 1960 — 1974 гг. было разработано по меньшей мере 60 различных систем РЫК и несколько сот таких систем изготовлено. Наземные и самолетные РЫК стали функционально подобными, а во многих случаях одинаковыми, так что термин РЫК теперь практически означает любую систему тепловидения в реальном масштабе времени.

вввдкнив Техника создания РЫВ достигла полной силы с разработкой многоэлементных приемников излучения с чувствительностью, близкой к теоретическому пределу, и с достаточно малой инерционностью, обеспечивающей широкую полосу, необходимую для получения высокого отношения общего поля зрения к мгновенному полю зрения. Малогабаритные и эффективные криогенные системы охлаждения для приемников излучения сделали возможным создание РЫВ с приемлемым потреблением мощности, а постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечил уменьшение габаритов блоков обработки сигнала и дальнейшее снижение потребления мощности.

Техника создания РЫК быстро развивается в направлении уменьшения габаритов и потребляемой мощности и достижения умеренной стоимости, что необходимо для превращения РЫВ в оптико-электронную систему широкого применения. Для первых систем РЫВ анализ и оценка качества теплового изображения базировались на таких же полуэмпирических принципах, что и конструирование самих систем. Качество изображения определялось пространственным разрешением двух точек и входной облученностью, обеспечивающей получение отношения сигнала к шуму на выходе приемного устройства, равного единице.

Эти параметры обычно измерялись на выходе предусилителя, а не на индикаторном устройстве. Разрешение и тепловая чувствительность определялись низкими характеристиками приемников излучения того времени, так что качество изображения действительно неплохо соответствовало результатам измерений на выходе предусилителя. Однако с усовершенствованием технологии и разработкой мало- шумящих элементов с высоким разрешением качество изображения существенно не улучшилось. Причина этого заключается в том, что не был использован опыт построения аналогичных оптико-электронных систем. Проблемы качества изображения и применение к РЫК идей, уже развитых применительно к другим устройствам, в значительной мере определяют предмет данной книги.

Мы увидим, что весьма поучительным является опыт современной оптики, фотографии, телевидения и физиологии зрительного восприятия. На основе этого опыта можно получить совокупность основных параметров, определяющих качество изображения, которые применимы для РЫК и позволяют провести анализ, необходимый для получения качества изображения современных РЫВ, сравнимого с качеством телевидения. Тепловидение — интересная, но достаточно сложная область техники. Для успешного проектирования приборов тепловидення нужны знания следующих дисциплин: теории излучения и характеристик излучения объектов; пропускания атмосферой теплового излучения; ъ-6~ ф В:„ ф Я $ ф,Я 6~ а $ ф Ь $ ~ф5 аФ ~~ с ь ь %.

5 ъ $ с3 ь. ъ~ ~ф '3 ф. с2 а й' Р, Ю а ОФ И '~а $ ь Ф Ф о Ъ ф Ь Ф ~Ф о с~ о ,ф о ч ;;-Ф о й о Ы Р И ь ' $ В э Я~ 6 'с $~~р ф ц ЙЬ е с3 ~Ф о '4 $ ~~ ъ с 5 Е ,ф ъ с в $ $ ,ф ь ф $ ф Я. ф о о Р о $ 23 ВВЕДЕНИЕ прикладной оптики; приемников излучения и работы систем охлаждения приемников; электронной обработки сигналов; визуальных индикаторов изображения; процессов зрительного поиска и зрительного восприятия при использовании гЫВ. В следующем разделе содержится минимум основных сведений, необходимых для понимания более подробной информации, приведенной в последующих главах. 1.3. Основы получения теплового изображения Основные составляющие процесса получения теплового изображения показаны схематически на фиг.

1.1. Зти составляющие очевидны, но недостаточно точный анализ их влияния на процесс в целом может привести к серьезным ошибкам при проектировании, поэтому вкратце остановимся на них. Чтобы обнаружить, а затем и опознать объект, он должен отличаться по температуре от фона на достаточную величину, которая позволила бы отделить его от других вариаций фона. Слой атмосферы, через который ведется наблюдение, не должен сильно рассеивать и ослаблять этот сигнал. Оператор должен иметь возможность осуществлять эффективный поиск, знать, что он должен искать, и ориентировать приемное устройство в соответствующем направлении. Приемное устройство должно собирать излучение с помощью оптической системы и преобразовывать его в электрический сигнал с достаточно высоким отношением сигнала к шуму с помощью приемника излучения, работающего в соответствующем спектральном диапазоне.

Зтот электрический сигнал должен затем вновь преобразовываться в оптический сигнал на индикаторном устройстве. На заключительной стадии оператор должен иметь возможность оптимизировать извлечение визуальной информации, регулируя видеоусиление и яркость.

Весь процесс преобразования инфракрасного изображения в видимое изображение должен происходить таким образом, чтобы восприятие контуров, ориентации, контраста и деталей объекта было сохранено или улучшено и чтобы не появлялись ложные сигналы и дополнительные шумы. Наблюдатель должен быть опытным и тренированным, иметь хорошее зрение и не отвлекаться от основной задачи при наблюдении. На фиг. 1.2 приведена блок-схема типичной сканирующей системы тепловидения, показывающая основные функции ее элементов. В конкретных системах отдельные функции могут быть объединены или исключены, причем существует много различных способов реализации этих функций.

На фиг. 1.3 показан один из воз- а Ф а о 2 И й 6 Б > О Ф а Ф Х о х о И сс а й й' >, Ю и й о н Ф й О О. з Ф 5 Ф о г О' О й о о о Ф й а й б Р3 о Р, й й Ф х о Ф й Ф < о 26 ГЛАВА 1 ) в(»' () .и(»,, ~) = (1.1) Рв(», (Лаа»)Ы~Ув(~ 0 Н(А»)(ЛЭА»)оа (1 2) НААЛЕ кв ув можных вариантов сканирующей системы ЕЫВ.

Оптическая система собирает излучение картины и осуществляет спектральную н пространственную фильтрацию и фокусировку излучения, создавая изображение картины в фокальной плоскости, где расположен небольшой чувствительный элемент одноэлементного приемника излучения.

Оптико-механическая система сканирования, состоящая из двух зеркал, одно из которых качается вокруг вертикальной оси, а другое — вокруг горизонтальной оси, расположена между объективом н приемником излучения. Пучок лучей от объекта, падающий на приемник, перемещается при прокачивании зеркал, образуя в пространстве объектов растр телевизионного типа, как показано на фиг. 1.3.

Этот процесс последовательного сканирования называется разложением картины. Поступающее от наблюдаемой картины электромагнитное излучение оказывает на приемник возмущающее воздействие, которое обычно пропорционально энергии излучения. Характер возмущения зависит от типа приемника н может проявляться в разделении носителей заряда, появлении фототока или изменении сопротивления. Обычно падающее излучение вызывает появление напряжения на нагрузке, и двумерное распределение яркости в пространстве объектов в результате сканирования преобразуется в одномерное распределение напряжения.

Приемник инфракрасного излучения в определенной совокупности рабочих условий характеризуется двумя параметрами — чувствительностью Н и удельной обнаружительной способностью Р э. Чувствительность выражается как отношение сигнала приемника на выходе в вольтах к сигналу на входе в ваттах. Удельная обнаружительная способность представляет собой приведенное к единичной площади приемника излучения и единичной полосе частот отношение сигнала к шуму на выходе приемника для сигнала на входе, равного 1 Вт. Эти два параметра зависят от частоты электрического сигнала ), Гц; длины волны оптического излучения», мкм; площади прием- пика излучения Аю смэ; эквивалентной шумовой полосы Л», Гц; среднеквадратичной величины напряжения шумов в полосе вА) Г„, В; сигнала приемника в функции длины волны оптического излучения и частоты электрического сигнала г'в (Х, )), В; спектрального распределения освещенности на приемнике НА, Вт/(см' мкм).

Чувствительность и удельная обнаружительная способность определяются (3) по формулам 27 ВВЕДЕНИЕ Юхегг сигнала с приемнииа саед Фиг. 04. Схема связи по переменной составляющей сигнала. ') Различие между фокусным расстоянием и частотой, одинаково обозначеннылги буквой 7, ясно ив контекста. Если наблюдение ведется на земных фонах, то, как будет показано в гл. 2, радиационные контрасты очень малы. Соответствующие контрасты, выраженные в напряжении сигнала, также малы, гак что, если этн напряжения линейно преобразуются в оптические сигналы на индикаторе, наблюдатели будут испытывать трудности в обнаружении и опознавании объектов из-за низких значений контраста в изображении.

Обычно контраст повьппается за счет передачи от приемника излучения к предусилителю только переменной составляющей сигнала. Этим устраняется постоянная составляющая сигнала от фона. Простейшая возможная схема связи по переменной составляющей сигнала показана на фиг. 1.4. Эта схема не пропускает постоянную составляющую сигнала, т. е. через нее проходят только изменения сигнала относительно его среднего значения. Сканирование в индикаторном устройстве должно быть строго синхрониаировано со сканированием картины, так что индикатор и зеркала сканирующей системы управляются одним синхронизатором. Надример, если индикатор — электронно-лучевая трубка, то синхроннзирующне импульсы управляют схемами горизонтального и вертикального отклонений электронного луча.