Тепловизионные приборы (ТВП) находят широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из возможностей расширения функциональности ТВП является использование активно-импульсного режима (АИР) с подсветкой сцены лазерным излучением. Использование лазерной подсветки позволяет увеличить вероятностные характеристики обнаружения и опознавания объектов наблюдения за счет локальных различий в отражательных свойствах. Тепловые изображения, сформированные с использованием этого метода, позволяют выявить дополнительные признаки по сравнению с изображениями, получаемыми лишь за счет собственного излучения объектов [1].
В работах [2, 3] рассмотрена работа активных систем видения (АСВ) с использованием охлаждаемых и неохлаждаемых матричных ТВП в комплексе с импульсным СО2 – лазером. Отмечается [3], что особенно эффективно преимущество таких АСВ проявляется в условиях, при которых температуры объектов и сцены отличаются менее чем на десятые доли градусов, то есть, когда уменьшается информативность пассивного тепловидения. Результаты анализа статьи [3] послужили стимулом к проведению экспериментальных исследований работы охлаждаемого ТВП при коротких экспозициях включения накопления (от 1…5 мкс) в течение одного кадра синхронно с лазерными импульсами подсветки, в том числе и в многоимпульсном режиме накопления (несколько импульсов включения в одном кадре). Исследование работы матричного фотоприемного устройства (МФПУ) в составе ТПВ при коротких импульсах накопления позволяет выявить зависимость выходного сигнала от изменения длительности импульса.
Известно, что матричные охлаждаемые ТВП могут работать с частотами кадровой развертки от 30 до 200 Гц и временем накопления в кадре от 30 до 300 мкс. В нашем эксперименте использовался макет тепловизора на основе матричного охлаждаемого КРТ фотоприемника, разработанного в ИФП СО РАН, имеющего следующие характеристики:
— спектральный диапазон, мкм 7,7…10,3
— размерность матрицы, элементов 320 х 256
— частота кадров/время кадра, Гц (мс) 200 (5)
— время накопления, мкс 1…30
— относительная спектральная чувствительность
на λ = 10,3 мкм, % ≤ 10
При работе ТВП в режиме одноимпульсного накопления, синхронизированного с лазерной подсветкой, регистрируемый тепловизором сигнал будет зависеть как от теплового поля естественных фоновых образований и искусственных объектов, так и от лазерного излучения, отраженного от объектов наблюдения и направленного во входной зрачок прибора.
Для оценки доли энергетического потока на входе оптической системы ТВП примем, что источником излучения является абсолютно черное тело (АЧТ), а на входе оптической системы имеется узкополосный оптический фильтр для длин волн работы СО2 лазера 9,6 или 10,3 мкм. Светимость АЧТ в спектральном диапазоне Δλ = λ2 — λ1 определяется из следующего выражения [4]:
На рисунке 1 представлен график спектральной плотности излучения АЧТ при 20 °С с полосами пропускания фильтров на длинах волн 9,6 и 10,3 мкм.
Рисунок 1 — График спектральной плотности излучения АЧТ
Расчетные величины излучения АЧТ в диапазоне λ = 9,6 ± 0,1 мкм,
λ = 10,3 ± 0,1 мкм и λ = 7,7 ÷ 10 мкм для температур от минус 40 до 40 °С приведены в таблице 1.
Таблица 1
Расчетные величины излучения АЧТ
| T, oC | λ max, мкм | MΔλ, Вт/м2
λ=9,6 ± 0,1 мкм |
MΔλ, Вт/м2
λ = 10,3 ± 0,1мкм |
MΔλ, Вт/м2
λ = 7,7 ÷ 10 мкм |
| 40 | 9,26 | 7,71 | 7,2 | 87,1 |
| 20 | 9,89 | 5,54 | 5,33 | 61 |
| 0 | 10,6 | 3,8 | 3,79 | 40,5 |
| -20 | 11,5 | 2,46 | 2,55 | 25,3 |
| -40 | 12,4 | 1,48 | 1,61 | 14,6 |
На рисунке 2 приведен график спектральной чувствительности одного из вариантов матричного КРТ приемника и график чувствительности с учётом пропускания «холодного» оптического фильтра, установленного в криостате МФПУ, определяющего рабочий спектральный диапазон МФПУ.
Рисунок 2. Графики спектральной чувствительности матричного КРТ и МФПУ:
1 — график спектральной чувствительности матричного КРТ приемника;
2 – график чувствительности МФПУ
Необходимо учитывать при реализации АИР в ТПВ требуются такие значения средней мощности лазерной подсветки, чтобы отраженная составляющая лазерного излучения на входе ТПВ была соизмерима с величинами собственного теплового излучения объектов на наблюдаемой сцене, собираемого оптикой ТВП. Из таблицы 1 видно, что расчетные величины светимости АЧТ в спектральных диапазонах 9,6 ± 0,1 мкм и 10,3 ± 0,1 мкм, например при температуре 40 °С составляют соответственно 7,71 Вт/м2 и 7,2 Вт/м2.. Для реальных объектов эти значения могут быть меньше на один-два порядка, но всё равно требования к энергетике лазерной подсветки остаются высокими.
Для выделения фрагмента изображения, освещаемого лазерным излучением, целесообразно использовать оптический фильтр, например, в центральной части поля зрения тепловизора, а остальная часть поля зрения регистрирует излучение в заданном спектральном диапазоне (например, 8…10 мкм), который определяется холодным фильтром криостата. Сформированное тепловизионное изображение обеспечивает одновременное наблюдение всего поля зрения и его центральной части, освещаемой лазером.
Максимальная облученность в плоскости МФПУ в диапазоне от 7,7 до 10 мкм, которую допускает МФПУ, по измерениям в ИФП СО РАН, составляет 30 Вт/м2, что соответствует току с одного пикселя порядка 200 нА при времени накопления около 10 мкс. Исследования показали, что воздействия лазерных излучений с большой импульсной мощностью в одноимпульсном режиме приводят к перегрузке МФПУ из-за ряда особенностей схемной организации существующего мультиплексора МФПУ, вследствие значительного сопротивления подложки матрицы фотодиодов и транзисторной схемы управления. Следовательно, на данном этапе, с существующим МФПУ целесообразнее использовать метод многоимпульсной подсветки в течение кадра, т.е. многоимпульсного накопления [5] с невысокой импульсной мощностью лазера, но достаточно высокой частотой повторения импульсов.
Для демонстрации возможности метода многоимпульсного накопления в кадре и определения минимальной допустимой длительности импульсов проведен ряд измерений уровня выходного сигнала МФПУ при различных сочетаниях длительности и количества заполняющих импульсов. Результаты этих измерений представлены на рисунок 3. Суммарное время интегрирования определяется произведением числа импульсов N и длительности единичного импульса Тимп. МФПУ от суммарного времени интегрирования фотосигнала для различных длительностей заполняющих импульсов.
Рисунок 3 — Зависимость выходного сигнала произвольно выбранного пиксела от суммарного времени интегрирования в течение кадра:
|
Некоторое снижение уровня выходного сигнала с уменьшением длительности заполняющих импульсов, очевидно, связано с потерями времени на коммутацию фотодиодов. «Потерянное» время в нашем случае составляет приблизительно 0,25 мкс на один импульс, однако это не является ограничением метода, т.к. уменьшение эффективного времени интегрирования всегда может быть скомпенсировано увеличением количества заполняющих импульсов.
Обычно при технической реализации лазерной подсветки в активных системах в их приемную часть вводится интерференционный фильтр с шириной пропускания, согласованной с излучением импульсного лазера, перекрывающий все поле зрения системы и ослабляющий естественный поток от наблюдаемой сцены, попадающий на приемник. Переход из активного режима работы в пассивный сопровождается выводом указанного фильтра из хода лучей приемной части тепловизора, что требует некоторого времени и не позволяет одновременно обеспечить представление в выходном изображении двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах. Так как увеличение дальности видения в активном режиме требует значительного увеличения мощности лазерного излучения, то при значительных расстояниях до объектов применяют лазерную подсветку только части поля зрения тепловизионной системы. Иногда для увеличения зондируемой площади (увеличения поля подсветки) используют сканирующие системы, обеспечивающие возможность последовательной подсветки объектов лазерным излучением небольшой расходимости в пределах поля зрения (или его части) тепловизионной системы.
В развитии тепловизионных систем с лазерной подсветкой с целью их функционального совершенствования предлагается к рассмотрению ниже описываемое техническое решение [6], реализующее АИР и обеспечивающее 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. Суть его заключается в том, что оптическая система приемной части тепловизионной системы формируется с плоскостью промежуточного действительного изображения, в которой стационарно устанавливается оптический фильтр, причем геометрические размеры фильтра меньше размеров действительного изображения пространства предметов, формируемого оптической системой в плоскости промежуточного действительного изображения. В результате достигается компромиссный вариант, обусловленный современным уровнем развития элементной базы тепловизионных и лазерных систем, использующий преимущества активной импульсной подсветки и минимизирующий ее недостатки в пассивных наблюдательных тепловизионных системах.
На рисунке 4 приведена блок-схема тепловизионного прибора, в котором реализованы локальная оптическая фильтрация и импульсная лазерная подсветка объектов.
Рисунок 4 — Блок-схема тепловизионного прибора:
1 — объектив ТПВ; 2 — оптический фильтр; 3 – германиевая подложка; 4- проекционная система; 5 – коллимирующая оптическая система; 6 — тепловизор; 7 — источник питания; 8 – лазер импульсный; 9 – блок электронной обработки, управления, синхронизации и дальнометрирования; 10 – ТВ – монитор
Оптическая система может выполняться различным образом, например, в составе входного объектива и проекционной системы, между которыми расположена плоскость промежуточного изображения, в которой стационарно установлен локальный оптический фильтр: подложка 3, например из германия, с нанесенным на нее интерференционным покрытием, выполняющим роль фильтра 2, при этом геометрический размер фильтра меньше размеров промежуточного изображения. Собственно локальный оптический фильтр, например, может быть напылен в центральной части подложки, обеспечивая высокий коэффициент пропускания отраженного от объектов лазерного излучения и подавляя излучения других длин волн, соответствующих спектральному диапазону чувствительности МФПУ. Величина полосы пропускания фильтра выбирается в соответствии с длиной волны генерации лазера (например, в диапазоне 9,6…10,3 мкм), лежащей в рабочем диапазоне спектральной чувствительности МФПУ, при этом фильтр должен обеспечивать ослабление фоновой составляющей не менее, чем на порядок. Таким образом, оптический фильтр 2 действует не на всё поле зрения, а на ограниченную, например, его центральную часть, позволяя оператору наблюдать остальную, большую, часть поля зрения тепловизионной системы в пассивном режиме, облегчая тем самым ориентирование в пространстве объектов наблюдения. В результате обеспечивается возможность одновременного наблюдения двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах работы тепловизионной системы. Таким образом, работая в режиме без лазерной подсветки, оператор видит на экране монитора тепловое изображение сцены, в центральной части которой наблюдается темное пятно. При активном режиме работы в центральной зоне формируется изображение. Наличие локального фильтра, установленного в плоскости промежуточного изображения оптической системы, ослабляет фоновую составляющую ИК излучения, обеспечивая увеличение видимого контраста объектов, облученных лазером.
В заключение отмечается, что использование многоимпульсного режима накопления с синхронной лазерной подсветкой повышает возможность выделения малоконтрастных объектов за счет увеличения средней мощности лазерного излучения при коротких импульсах подсветки, а так же позволяет реализовать возможности импульсного стробирования, измерения дальности, просмотра сцены по глубине пространства. Ожидается, что предложенный многоимпульсный метод регистрации совместно с лазерной подсветкой и локальной фильтрацией позволит улучшить зондирующие характеристики тепловизионных АСВ в различных условиях состояния атмосферы, а также видимость объектов в тумане, дымках, искусственных постановках защитных помех.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Карельский В.Г. Анализ возможности применения лазерной подсветки с λ≈4 мкм в системах ИК- наблюдения и оптической локации // Прикладная физика. – 2001. – №1. – С. 5–12.
- А.Н. Свиридов Расчет предельных параметров активной системы видения на основе не сканирующего тепловизора // Прикладная физика. – 2003. – №1. – С. 143–153.
- А.Н. Свиридов Предельная чувствительность приемных устройств, содержащих СО2 – квантовый усилитель и смотрящий тепловизор // Прикладная физика. – 2007. – №5. – С. 118–126.
- Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. – М.:Логос, 2004. – С. 28-33.
- Марчишин И.В., Алдохин П.А., Косолапов Г.И., Хрящев С.В., Чурилов С.М., Шатунов К.П. Работа матричного охлаждаемого CdxHg1-xTe приемника для реализации активно-импульсного режима работы тепловизионного комплекса// Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли. Материалы VI научно-технической конференции. – М, 2009. – С. 234-238.
- Патент RU 2447401 C1. Тепловизионная система с лазерной подсветкой / Косолапов Г.И. и др.; патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН. – Опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10.[schema type=»book» name=»ЛОКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ В ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМАХ С ЛАЗЕРНОЙ ПОДСВЕТКОЙ» description=»Рассмотрены возможности работы охлаждаемого матричного CdxHg1-xTe (КРТ) тепловизора в режиме одноимпульсного и многоимпульсного накопления сигнала с лазерной подсветкой объектов и локальным фильтром.» author=»Косолапов Геннадий Иванович, Хацевич Татьяна Николаевна, Хрящев Сергей Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]