Geum.ru

Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


3.3. Панорамные оптические системы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15
^

3.3. Панорамные оптические системы



Условия работы многих ИКС военного назначения заметно изменились за последние десятилетия. Часто обнаружение и идентификацию источников возможных угроз (целей) необходимо проводить на малых дальностях в широких угловых полях, за короткое время, в темное время суток и при наличии пыледымовых помех. Этапами работы таких систем являются: предварительное обнаружение источника угрозы и определение направления, на котором он находится; обнаружение факта атаки с его стороны; идентификация источника угрозы и определение его положения в трехмерной системе координат. Атака во многих случаях может вестись с любого направления, что вынуждает иметь большое поле обзора аппаратуры. Дальность до источника угрозы (до цели) и его тип могут изменяться значительно. В связи с этими и другими факторами все большее внимание разработчиков ИКС в последние годы привлекают панорамные оптические системы.

Несмотря на то, что угловое разрешение панорамных ИК–систем хуже, чем в системах с меньшими угловыми полями, они успешно используются на первых этапах работы комплексов, состоящих из широкоугольной панорамной системы обнаружения цели (или угрозы) и сравнительно узкопольной системы распознавания, классификации и идентификации цели и определения её координат и параметров движения. Предлагается, что панорамные ИК–системы пассивного типа будут эффективно работать в сложных погодных условиях (снег, туман, дождь, пылегазовые помехи и т.п.) в сочетании с низкоуровневыми телевизионными системами видимого и ближнего ИК диапазонов. Такие комплексы предлагается использовать в системах предупреждения атаки со стороны противника, обнаружения позиций его огневых средств, при пилотировании летательных аппаратов, в охранных системах, системах защиты кораблей, в портативных системах вооружения, устанавливаемых на подвижных основаниях и др.

Важнейшим компонентом этих комплексов являются оптические панорамные блоки (ОПБ). В качестве примера на рис.3.4 приводятся схемы ОПБ, разработанных на кафедре оптико-электронных приборов МИИГАиК (рис.3.5,а) и на кафедре светотехники МЭИ (рис.3.5,б).



Рис.3.5. Оптические схемы ОПБ: 1 – входная преломляющая поверхность, 2,3 – зеркальные сферические (асферические) поверхности, 4 – плоская выходная поверхность, 5 – плоскость изображения


Типичные современные линзовые панорамные объективы ИК-систем имеют следующие параметры и характеристики:
  • общее угловое поле составляет 180˚…220˚;
  • диаметр первого компонента примерно в 1,5 раза и более превышает размер используемого в системе чувствительного слоя ФПУ;
  • разрешение в отдельных зонах поля обзора изменяется в 5…10 раз; причем в соседних зонах с угловым размером 5…10о это разрешение может изменяться в два раза;
  • спад функции передачи модуляции на частоте Найквиста составляет 65…80%;
  • диафрагменные числа в ИК-области превышают 0,8;
  • коэффициент пропускания объективов превышает 0,6;
  • рабочими спектральными диапазонами могут быть 3…5, 8…12 мкм или двухдиапазонная комбинация 3…5/8…12 мкм.

В схемах панорамных объективов дисторсия получаемых изображений рассчитывается так, чтобы получить хорошее разрешение в заданной зоне поля обзора (дисторгирующие объективы). Если всё поле разбито на n зон, а угловой размер i-ой зоны (i=1… n) равен Θi, причем в угле Θi необходимо иметь Ni разрешаемых элементов, соответствующих пикселам ФПУ, то соответствующая Ni частота Найквиста fNi, при которой не происходит искажения спектра сигнала, равна


fNi=Ni/(2Θi).


Общее для всех зон число разрешаемых пикселов N определяется как

.

В последние десятилетия был разработан ряд ИК-систем с панорамными объективами. В [18] описан зеркально-линзовый объектив APTIS, предназначенный для автоматического обнаружения, локации и слежения за множественными целями и работающий в сочетании с ФПУ формата 640х480 пикселов. Как и у других систем подобного типа, в этой системе трудно обеспечить одновременно малые аберрации и большие приемные апертуры. С точки зрения простоты, компактности и надежности конструкции, а также уменьшения влияния ошибок из-за разъюстировки объектива выбор зеркального первого компонента объектива с «крутыми» радиусами также не является удачным.

Панорамная система с полусферическим угловым полем компании ImmerVision может устанавливаться на платформах различного типа. В ней полусферическое угловое поле делится на пять зон. В одних зонах, где важно иметь большую вероятность распознавания и идентификации различных объектов, обеспечивается хорошее разрешение, в других оно хуже, т.е. относительное угловое разрешение, характеризуемое отношением «пиксел (элемент разрешения)/градус», различно для отдельных зон поля обзора. В этой системе аберрационная коррекция проведена для панорамного изображения, получаемого специально рассчитанным объективом для обеспечения хорошего разрешения ИК-камеры, работающей в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах.

Для систем предупреждения о возможной угрозе в [19] предложен панорамный объектив с угловым полем 180о х 360о, работающий в спектральном диапазоне 8…12 мкм и диафрагменным числом К= 1. Объектив может работать совместно с ФПУ формата 640 х 480 пикселов размером 25 мкм. На частоте Найквиста спад функции передачи модуляции доходит до 75 %. Все угловое поле объектива делится на три зоны с различным разрешением. Наибольшее разрешение достигается в средней зоне, а наихудшее - на краях поля. Изображение поля имеет вид эллипса с размерами осей 620 и 460 пикселов. Первоначальная конструкция объектива состояла их четырех германиевых линз. Затем было предложено выполнять одну из линз гибридной, делая одну первую ее поверхность дифракционной с помощью алмазного точения, что значительно увеличило разрешение системы.

Как указывается в [19], применение двух цилиндрических германиевых линз и двух асферических поверхностей линз из Ge и ZnS в составе пятилинзового объектива позволяет обеспечить работу панорамной системы в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм. При этом разрешение на краю углового поля в зоне порядка 20о приближается к разрешению в центре поля.

Линзовые панорамные объективы, описанные в [19], работают в спектральном диапазоне 3…5 мкм, а другие системы этого типа - в диапазоне 3…12 мкм.

Наряду с разработкой панорамных систем с объективом в виде единого моноблока продолжают появляться ИКС с комбинированием отдельных широкопольных объективов в единую систему с азимутальным угловым полем 360о. Примером может служить противоракетная корабельная ИК следящая система ARTEMIS, предназначенная для автоматического обнаружения и слежения за низколетящими воздушными и надводными целями по их собственному излучению [20]. Система состоит из трех сопряженных по азимуту (расположенных вокруг одной вертикальной оси) датчиков, объективы которых имеют угловые поля 120о х 26о. Система работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм с частотой кадров 10 Гц.

Так, в [20] описывается панорамный ИК датчик, работающий в спектральном диапазоне 3,4…4,9 мкм и имеющий угловое поле 360о (по азимуту) х 60о (по углу возвышения). В датчике используется ФПУ на базе InSb формата 640 х 512 пикселов размером 20 мкм. Угловое разрешение датчика близко к 6 мрад, но изменяется по углу возвышения. Частота кадров достигает 120 Гц. Датчик имеет цифровой выход на 14 бит. Габариты датчика – 228 мм (длина) и 218 мм (диаметр); масса – менее 9 кг, потребляемая мощность – от 30 до 50 Вт в зависимости от режима эксплуатации. Приводятся некоторые результаты полевых испытаний датчика, в частности, по обнаружению факела выхлопных газов двигателя летящего самолета и обнаружения вспышек выстрела из стрелкового оружия.

Для перископов подводных лодок была разработана панорамная ИКС с угловым полем 360о х 40о (-10о х +30о), работающая в средневолновом ИК диапазоне [20]. В ней использовано ФПУ на базе InSb, охлаждаемое до 80 К и имеющее формат 2048 х 2048 пикселов размера 15 мкм. Система охлаждения обеспечивает хладопроизводительность порядка 750 мВт при комнатной окружающей температуре и 50 Вт потребляемой мощности. Для двухточечной коррекции неоднородности пикселов в реальном масштабе времени в систему введен эталонный источник. Испытания системы показали, что она обеспечивает ЭШРТ порядка 30 мК по всей площади ФПУ при остаточной неоднородности по всему изображению менее 0,3 %. Частота кадров при различных временах накопления зарядов составила 30 Гц. Габариты системы - около 200 мм (высота) и 166 мм (диаметр).