30 Янв

МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ ТВ СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В настоящее время в современной науке и технике широкое распространение получили ТВ системы наблюдения [1]. Они используются для охраны различных объектов, производственного технологического контроля, исследования природных ресурсов и мониторинга местности, для обеспечения работы правоохранительных, пограничных и таможенных служб, в научных исследованиях и др.

Однако существующие одноканальные ТВ системы уже не удовлетворяю возросшим современным требованиям, а именно круглосуточного и всепогодного наблюдения, создания интегрированного изображения с повышенным качеством, возможности точного измерения дальности до объекта наблюдения. В связи с этим нами предложена многоспектральная ТВ система наблюдения, блок-схема которой представлена на рисунке.

При работе системы днем объектив 1 дневной цветной ТВ камеры 2 создает изображение объекта наблюдения и окружающего его фона на ее матрице ПЗС. ТВ камера 2 создает цветное изображение и работает в области спектра 0,4 – 0,75 мкм. Видеосигнал с выхода ТВ камеры 2 поступает в 1-й аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. Он преобразует аналоговый видеосигнал в цифровую форму. Далее этот сигнал передается в программируемый блок 4 микширования и цифровой обработки изображения. Здесь он микшируется с цифровыми видеосигналами других ТВ камер системы и подвергается  цифровой обработке с целью подавления шумов и оптимизации качества изображения.

            

Рисунок 1. Блок-схема многоспектральной ТВ системы наблюдения.

Объектив 5 ночной ТВ камеры 6 создает изображение объекта наблюдения и окружающего его фона на ее матрице ПЗС. Ночная ТВ камера 6 создает черно-белое изображение и работает в области спектра 0,4 – 1,1 мкм. Видеосигнал с выхода ТВ камеры 6 поступает в 2-й АЦП 7. Он преобразует аналоговый видеосигнал в цифровую форму, после чего видеосигнал передается в блок 4. Объектив 8 ТВ камеры 9 Shot Wave Infra Red (SWIR) создает изображение объекта наблюдения и окружающего его фона на ее матрице фотодетекторов на основе InGaAs. ТВ камера 9 работает в области спектра 0,9 – 1,7 мкм. Средняя величина естественной ночной освещенности (ЕНО) в безлунную ночь в области спектра 0,4 – 0,9 мкм достигает (1,5-3)х10-9 Вт/см2 мкм, а в области 1,4 — 1,7 мкм – (1,5-2)х10-7 Вт/см2 мкм, т.е. на 2 порядка выше. При этом пропускание толщи  атмосферы 1 км для 0,6 мкм составляет 0,72, а в центре области 1,4 — 1,7 мкм – 0,93. Яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1,4 — 1,7 мкм по сравнению с областью 0,4 – 0,9 мкм. Контраст объекта наблюдения с фоном в области 1,4 – 1,7 мкм более стабильна и выше в 1,4 — 1,5 раза, чем в области спектра 0,4 — 0,9 мкм [1]. В области спектра 1,4 — 1,7 мкм можно работать при пониженной прозрачности атмосферы: при наличии дымки, тумана, дождя, снегопада и др., в некоторых дымах и в пыли, а также можно визуализировать излучение современных лазерных дальномеров с длинами волны 1,55 мкм и 1,7 мкм.

Видеосигнал с выхода ТВ камеры 9 поступает в 3-й АЦП 10. Он преобразует аналоговый видеосигнал в цифровую форму. Далее этот сигнал передается в блок 4, который формирует интегрированное изображение

всех 3-х ТВ камер. В нем присутствуют наиболее информативные признаки их изображений. Цифровой видеосигнал, содержащий интегрированное изображение, подвергнутое в блоке 4 цифровой обработке, передается в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 11, где преобразуется в аналоговую форму. Этот аналоговый сигнал поступает в ТВ монитор 12 (OLED дисплей), с экрана которого оператор наблюдает изображение через окуляр 13. Работой блока 4 управляет микропроцессор 14, обеспечивая требуемое программирование блока 4 и вообще управление всей его работой. Цифровой видеосигнал со второго выхода блока 4 передается в ЦАП 15, где преобразуется в аналоговую форму  и поступает в радиопередатчик 16. Он через штыревую антенну 17 обеспечивает дистанционную передачу изображения во всех направлениях на дальность до 700 м. Если чувствительности ТВ камер 6 и 9 не хватает (например, при работе в полной темноте), то включается комбинированный лазерный осветитель. Его объектив 18 оптически сопряжен через дихроичное зеркало 19 с лазерным полупроводниковым излучателем (ЛПИ) 20 (рабочая длина волны 0,84 мкм) и коллимирует его излучение. ЛПИ 20 работает от драйвера 21. Объектив 18 также оптически сопряжен через дихроичное зеркало 19 с ЛПИ 22 (рабочая длина волны 1,55 мкм), работающим от драйвера 23. Объектив 18 коллимирует излучение ЛПИ 22. Дихроичное покрытие зеркала 19 пропускает излучение на длине волны 0,84 мкм и отражает его на длине волны 1,55 мкм. Если не хватает чувствительности ТВ камере 2, то включается светодиодный осветитель. Его объектив 24 сфокусирован на светодиод белого цвета свечения (СБЦС) 25, работающий от драйвера 26. Объектив 24 коллимирует излучение СБЦС 25. Включение/выключение всех осветителей осуществляется с помощью измерителя уровня естественной освещенности (ЕО). Его объектив 27 создает сигнал от ЕО на фоточувствительной площадке 1-го фотоприемного устройства (ФПУ) 28. Электрический сигнал с его выхода поступает в пороговое устройство 29. Если сигнал выше порогового уровня для каждого из осветителей, то они не включаются. Если сигнал выше порогового уровня, то включается тот осветитель, для которого обеспечивается это условие. При превышении сигнала выше порогового уровня осветители автоматически отключаются.

Таким образом, ТВ камера 2 обеспечивает наблюдение днем, ТВ камера 6 – ночью (в нормированных условиях видения: нормальная прозрачность атмосферы), ТВ камера 9 – при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад, дым и др.) днем и ночью. Тем самым обеспечивается круглосуточная и всепогодная работа многоспектральной ТВ системы.

Для точного измерения дальности в ее состав включен лазерный дальномер (ЛД) 30. Его передающий объектив 31 сфокусирован на импульсный ЛПИ (ИЛПИ) 32 (длина волны 1,55 мкм), коллимируя его излучение. Работа ИЛПИ 32 осуществляется от драйвера 33. Со 2-го выхода драйвера 33 в момент генерации импульса излучения ИЛПИ 32 подается опорный сигнал на 1-й вход блока электронной обработки (БЭО) 34. Приемный объектив 35 принимает и импульсы излучения, отраженные от объекта наблюдения и через фильтр 36 передает их на фоточувствительную площадку 2-го ФПУ 37. Фильтр 36 имеет полосу пропускания, равную по ширине полосе излучения ИЛПИ 32. Это обеспечивает спектральную селекцию объекта наблюдения на фоне помех. Импульсный электрический сигнал с выхода 2-го ФПУ 37 усиливается в усилителе 38 и поступает на 2-й вход БЭО 34. В нем вырабатывается сигнал, пропорциональный времени между моментом генерации импульса излучения и моментом прихода импульса с выхода усилителя 38. Этот сигнал пропорционален дальности до объекта наблюдения. С выхода БЭО 34 электрический сигнал передается в цифровой индикатор дальности 39. Здесь сигнал преобразуется в цифровое значение дальности. С его выхода он передается в преобразователь 40. Здесь сигнал преобразуется в форму, пригодную для его передачи в ТВ монитор 12 и для представления на его экране цифровой информации от дальности. Источник первичного питания (ИПП) 41 обеспечивает питание всех электрических блоков системы.

Объективы 1 и 5 имеют фокусное расстояние 50 мм, относительное отверстие 1:0,8, углы поля зрения соответственно 5,5х4º и 7,3х5,5º. Объектив 9 имеет фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1,4, угол поля зрения 7,3х5,3º. В качестве цветной ТВ камеры 2 может быть использована модель VMC-745-H3 фирмы ЭВС [2]. Ее матрица ПЗС имеет формат 1/3 дюйм а, разрешение 460 ТВ линий, чувствительность не ниже 0,05 лк, ток потребления 380 мА, напряжение питания не ниже = 9 В, габариты 50х56х63 мм, имеется противотуманный режим работы. В качестве черно-белой ТВ камеры 6 может быть использована модель VMC-753-H2 фирмы ЭВС [2]. Ее матрица ПЗС имеет формат ½ дюйма, разрешение 570 ТВ линий, чувствительность 2х10-5 лк, ток потребления 160 мА, напряжение питания не менее = 9В, габариты 50х56х63 мм, имеется режим повышения чувствительности в 10 и в 100 раз, противотуманный режим. В качестве SWIR ТВ камеры 9 может быть использована модель XSN-640 фирмы Xenics Infrared Systems [3]. Ее рабочая область спектра 0,9 – 1,7 мкм, формат 640х512 пикселей, размер пикселя 20х20 мкм, частота кадров 50 Гц, напряжение питания = 3.3 В, энергопотребление 2 Вт, масса 110 г, габариты 45х45х38 мм. ТВ монитор 12 выполнен на основе OLED дисплея фирмы РУП КБ «Дисплей» [4]. Его разрешение 852х600 пикселей, размеры видимой области 12,78х9 мм, шаг пикселя 15 мкм, количество цветов 16,7 млн., яркость 400 кд/м2. контраст 200:1, напряжение питания = 12 В. Окуляр имеет увеличение 12,5х, линейное поле зрение 16 мм, диаметр выходного зрачка 7 мм при его удалении 20 мм. Объектив комбинированного лазерного осветителя имеет фокусное расстояние 60 мм, относительное отверстие 1:1,4, угол подсвета 4х2º. В качестве ЛПИ 20 может быть использована модель ID200M-830 фирмы НИИ «Полюс» [5]. Мощность излучения 200 мВт, длина волны 0,84 мкм, ток питания 450 мА, напряжение питания 2,2 В. В качестве ЛПИ 22 может быть использована модель IDL30S-1550 [5] той же фирмы. Мощность излучения 30 мВт, длина волны 1,55 мкм, ток питания 150 мА, напряжение питания 2 В. Объектив 24 имеет фокусное расстояние 24,85 мм, относительное отверстие 1:0,8, угол подсвета 4х2º. В качестве СБЦС 25 может быть использована модель серии XB-D фирмы CREE [6]. Объектив 27 имеет фокусное расстояние 50 мм, относительное отверстие 1:1,4, угол поля зрения 5º. В качестве 1-го ФПУ 28 может быть использована модель ФД-7К [7]. В качестве ИЛПИ 32 может быть использована модель H1155G1502X фирмы Laser Components GmbH [8]. Мощность излучения в импульсе 8 Вт, ток накачки 20 А, напряжение питания = 8 В, коэффициент заполнения 0,1%. В качестве 2-го ФПУ 37 может быть использована модель IAG-080X той же фирмы [9]. Спектральная чувствительность на длине волны 1,55 мкм составляет 0,9 мА/Вт, темновой ток 10-9 А. ИПП 41 выполнен на основе 4-х литевых батарей.

ТВ система в целом имеет дальность распознавания ростовой фигуры человека (РФЧ) в ТВ камеру 2 при ЕО ≥ 1 лк, в ТВ камеру 6 при ЕО ≥ 3х103 лк, в ТВ камеру 9 при ЕО не ниже 5х103 лк – не менее 400 м. Угол поля зрения ТВ камер 2, 6, 9 при их работе в пассивном режиме (без подсвета) соответственно 5,5х4º; 7,3х5,5º; 7,3х5,3º. Угол поля зрения ТВ камер 6 и 9 при их работе в активном режиме – 4х2º, ТВ камеры 2 — 5º при дальности распознавания РФЧ не менее 150 м. Масса ТВ системы 1,8 кг, габариты Ø300х150 мм, энергопотребление не более 10 вт.

Список литературы:

  1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Видение и безопасность. М.: Новости, 2009. – 840 с.
  2. Каталог продукции фирмы ЭВС. С-Пет.: 2014. – www.evc.ru.
  3. XSW-640 Охлаждаемый ИК модуль высокого разрешения для диапазона 0,9 – 1,7 мкм. Проспект фирмы Xenics Infrared Systems и ООО «Импэкс техпром». М.: 2014.
  4. Каталог продукции РУП КБ «Дисплей». Республика Беларусь, г. Витебск. 2014 г.
  5. Лазерные полупроводниковые излучатели. Каталог НИИ «Полюс». М.: 2014 г.
  6. Светодиоды CREE. Каталог фирмы CREE, США. 2014.
  7. Полупроводниковые фотоприемники и фотоприемные устройства. Каталог ОАО ГНЦ НПО «Орион». М.: 2009.
  8. High Intensity Pulsed Laser Diodes 1550 HI-Series. Проспект фирмы Laser Components GmbH. 2014.
  9. InGaAs Avalance Photodiode IAG Series. Проспект фирмы Laser Components GmbH. 2014.
    МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ ТВ СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ
    Written by: Волков Виктор Генрихович, Гиндин Павел Дмитриевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 05/26/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)
    Available in: Ebook