Анализ средств наблюдений в ИК диапазоне

 

3. Второго поколения (ЭОП с микроканальным усилением, входной фотокатод). Сюда также входят ОЭП так называемого поколения «2+», которые отличаются от второго поколения сверхвысокой чувствительностью фотокатода.

В отличие от ЭОП первого поколения  ЭОП второго поколения содержит только один модуль, но его коэффициент  усиления яркости практически не уступает величине, характерной для трехмодульного ЭОП первого поколения. В ЭОП второго поколения дополнительно устанавливается микроканальная пластина (МКП), с помощью которой происходит лавинный процесс умножения электронов, что повышает коэффициент усиления. Однородное электрическое поле между МКП и экраном обеспечивает формирование изображения без фокусировки. Это уменьшает продольные габариты ЭОП. Его разрешающая способность превышает значение трехмодульного ЭОП первого поколения, но функция передачи модуляции выше за счет уменьшения количества модулей и волоконно-оптических деталей, а дисторсия по этой же причине примерно в 3 раза меньше.

Недостатком ЭОП с МКП является снижение отношения сигнал/шум по сравнению с ЭОП первого поколения за счет шумов МКП. Однако это может быт компенсировано за счет оптической системы. В ЭОП с МКП предусмотрена автоматическая регулировка яркости, позволяющая работать в широком диапазоне изменения освещенности. Эти ЭОП менее чувствительны к световым помехам, чем ЭОП первого поколения, т.к. засветка в них локализуется за счет насыщения соответствующих микроканалов только в пределах размера изображения источника световой помехи, не создавая ореола. ЭОП второго поколения может быть выполнен по двум схемам: с внутренним усилением (инвенторного типа) и бипланарного типа. В ЭОП бипланарного типа оборачивание изображения происходит за счет наличия волоконно-оптического оборачивающего элемента, который обеспечивает разворот изображения на 180 градусов за счет поворота на 180 градусов выходного торца по отношению к входному. Достоинством такой схемы является простота выполнения и низкая стоимость.

 

4. Третьего поколения (ЭОП с микроканальным усилением, входной катод с отрицательным электронным средством).

ЭОП третьего поколения отличается от ЭОП второго поколения бипланарного типа только использованием фотокатода с отрицательным электронным сродством на основе арсенида галлия вместо многощелочного фотокатода. Это обеспечивает в 3 – 4 раза большую чувствительность, чем у ЭОП второго поколения. Недостатком ЭОП является большая стоимость.

Промежуточное положение занимают бипланарные ЭОП поколения «2+», выполненные на базе нового многощелочного фотокатода, чувствительность которого только в 2 раза ниже, чем у фотокатода на основе арсенида галлия. Создание таких ЭОП – попытка найти компромисс между необходимостью повышения чувствительности и снижения стоимости ЭОП.

5. Четвертого поколения (ЭОП гибридно-модульный или твердотельный).

В области 1.5 – 2.0 мкм такими приборами обеспечивается меньшее поглощение излучения при его прохождении в туманах и дымках, а также более высокий уровень природных контрастов. Однако чувствительность таких приборов значительно ниже, чем у ЭОП. В связи с этим их применение ограничено сугубо узкими задачами, либо они должны входить в состав многоканального комплекса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Низкоуровневые телевизионные  приборы (НТВ)

Низкоуровневые телевизионные  приборы по сравнению с традиционными приборами на базе ЭОП обладают рядом преимуществ:

1. Практически круглосуточная работа за счет использования системы автоматической регулировки яркости, автоматического введения нейтральных фильтров и диафрагмирования объектива,
2. Дистанционная передача изображения и его одновременный вывод на несколько ТВ мониторов (дублирование информации),
3. Большее удобство наблюдения с экрана ТВ монитора по сравнению с использованием для той же цели окуляра,
4. Большая эффективность и объем представляемой буквенно-цифровой и символической информации, выводимой на ТВ монитор через электронный канал НТВ ОЭП,
5. Повышение качества изображения за счет его цифровой обработки в реальном масштабе времени,
6. Автоматизация процесса обнаружения и распознавания объектов при условии использования компьютера;
7. Ослабление влияния световых помех за счет стробирования, нелинейного усиления и обработки изображения в электронном канале НТВ ОЭП.

В НТВ используются ПЗС матрицы, использование которых характеризуется:

1. Малыми габаритами, массой и энергопотреблением,

Постоянством растра и возможностью сравнительного простого и точного  измерения координат,

2. Возможностью накопления информации,
3. Высокой степенью однородности распределения чувствительности и разрешающей способности по всей светочувствительной поверхности ПЗС матрицы,
4. Высоким отношением сигнал/шум за счет в 10 – 100 раз меньшего значения емкости в цепи ПЗС – предусилитель по сравнению с цепью видикон – предусилитель,
5. Возможностью снижения геометрического шума по сравнению с кремниконами в 30 – 50 раз за счет термоэлектрического охлаждения,
6. Снижением в ПЗС примерно в 10 раз величины остаточного заряда по сравнению с вакуумными ТВ трубками и отсутствием свойственной им паразитной модуляции сигнала, что улучшает качество изображения при низких контрастах,
7. Удобством обработки сигнала и возможностью стробирования,
8. Высокой стойкостью к механическим и климатическим нагрузкам,
9. Стойкостью к световым помехам, возможностью их локализации,
10. Сравнительно низкой стоимостью,
11. Высоким сроком службы.

Для повышения чувствительности ПЗС  матрицы ее стыкуют с ЭОП для  предварительного усиления света. Такое  соединение называется гибридно –  модульным преобразователем (ГМП) изображения. Существуют 2 типа ГМП:

1. ПЗС матрица располагается внутри ЭОП. В таком ГМП отсутствуют потери, связанные с преобразованием электронного потока в излучение экрана ЭОП, потери излучения и разрешения в оптике переноса, а также влияние инерционности люминофора экрана ЭОП.
2. ПЗС матрица находится вне ЭОП. В них присутствуют указанные выше потери. ГМП из-за наличия оптики переноса и наружного расположения ПЗС отличаются большими габаритами. Динамический диапазон ГМП ограничивается возможностями ЭОП. Их преимуществом является модульный принцип построения, возможность замены дефектного ЭОП или ПЗС матрицы, а также вариация масштаба изображения в оптике переноса. В качестве последней может быть использована волоконно – оптическая деталь постоянного, либо переменного сечения. Сужающийся фокон обеспечивает полную передачу изображения со всего экрана ЭОП на ПЗС матрицу, то есть потери по полю исключены. При этом масштаб изображения уменьшается во столько раз, во сколько размер экрана больше габаритов светочувствительной площадки ПЗС матрицы. Уменьшение масштаба изображения снижает разрешающую способность ГМП, но несколько улучшает качество изображения, т. К. становятся незаметны шумы ЭОП. Также оптика переноса может представлять собой проекционный объектив. При этом возрастают габариты и энергетические потери, но зато можно изменять масштаб изображения, а также спроецировать с помощью переключающихся дихроичных зеркал на ПЗС матрицу изображение с другого канала (дневного или тепловизионного). Разрешающая способность ГМП сильно зависит от типа ЭОП. Трехмодульный ЭОП первого поколения дает высокий коэффициент усиления яркости, но увеличивает габариты ГМП и его дисторсию. Оптимальный вариант – использование гибридного двухмодульного ЭОП: первый модуль второго, «2+» или третьего поколения, второй модуль (усилительный) первого поколения. При этом не происходит существенного увеличения габаритов ГМП, а качественно его изображение сжимается мало, т.к. разрешающая способность второго модуля ЭОП составляет 60 – 70 штр/мм, а его дисторсия не превышает 5%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепловизионные  приборы наблюдения

Принцип действия тепловизионных приборов основан на преобразовании в видимое изображение  собственного теплового излучения  наблюдаемых объектов. Тепловизионные приборы работают в спектральных диапазонах 3.0 – 5.0 и 8.0 – 14.0 мкм. Так  как тепловизионные приборы используют собственное излучение нагретых тел, то то они могут работать в любое время суток независимо от уровня естественной освещенности. Указанные выше диапазоны спектра тепловизионных (ТПВ) приборов более благоприятны по сравнению с видимым и ближним ИК диапазонами с точки зрения видимости при пониженной прозрачности атмосферы и в присутствии пыледымовых помех. Эти полностью пассивные приборы могут работать в условиях воздействия ослепляющих световых помех всех видов (за исключением тех, у которых максимум энергетической светимости приходится на рабочий спектральный диапазон ТПВ прибора). Кроме того еще одним преимуществом ТПВ является их способность обнаруживать теплоизлучающие объекты в известной степени и через непрозрачные преграды, например через листву. Они способны обнаруживать объекты на суше, на водной поверхности и даже под водой по их теплоизлучающему следу.

Вместе с тем ТПВ  приборы относятся к числу  наиболее сложных и дорогостоящих  приборов, включающих светосильную ИК оптику, высокочувствительные фотоприемные устройства, охлаждаемые до низких температур, криогенные охлаждающие устройства, оптико – механические блоки развертки изображения, электронные блоки обработки последнего и индикаторные устройства.

ТПВ приборы бывают трех поколений:

1. Первого поколения – с использованием одноэлементного фотоприемного устройства и оптико – механической развертки изображения по двум координатам;
2. Второго поколения - с использованием многоэлементных линеек фотоприемных устройств и иоптико-механической развертки изображения по одной координате;
3. Третьего поколения – с использованием двухкоординатной фокально – плоскостной матрицы ФПУ и не имеющие оптико – механической развертки;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приборы, работающие в SWIR области

В последнее время все больше развивается применение приборов, работающий в ближнем ИК диапазоне. В диапазоне 0.9-2.0 мкм длин волн приемником воспринимается отраженное от объектов ИК-излучение. Отражательные характеристики различных материалов в ближнем ИК-диапазоне и в видимой области довольно близки, поэтому ИК-изображение напоминает изображение видимого диапазона.

     Явление естественной ночной освещенности, достаточно сильной именно в этом диапазоне длин волн дает дополнительный плюс использованию приемников, чувствительных в коротковолновом ИК, в условиях безлунной ночи. 

 

 

2. Излучение ночного неба в разных условиях ночного времени.

 

     Как видно из рисунка 2, в диапазоне работы систем на основе ЭОПов и CCD-матриц (до 1 мкм) величина свечения небольшая, тогда как свечение в области коротковолнового ИК-излучения длин волн очень сильное. Этот факт компенсирует преимущество наличия низкого уровня шума у CCD-матриц и ЭОПов. В условиях безлунной ночи CCD-камеры в конечном итоге дают зернистое изображение с затемнением в углах. А камеры, чувствительные в коротковолновом ИК-диапазоне (например, на основе InGaAs) демонстрируют значительно более ясное изображение при тех же условиях, что отражено на рисунке 3.

 

        

 

         1k x 1k I²CCD 17 mm f/1.4                                 640 x 512 InGaAs 25 mm f/2.0

 

3. Сравнительное изображение гор при отображении I²CCD и InGaAs камерами в условиях безлунной ночи.

     Еще одним недостатком CCD-матриц является присутствие размытия изображения вокруг ярких источников излучения в условиях общей низкой освещенности, вызванное большой интенсивностью вокруг области источника и последующим усилением сигнала, а также множественное затемнение принципиальных объектов за счет этого. Это размытие проиллюстрировано на рисунке 4.

 

 

 

4. Прибрежные здания, наблюдаемые из моря в условиях ночи I²CCD и InGaAs камерами.

    В условиях интенсивного прямого солнечного освещения для обеспечения удовлетворительной работы CCD-камер требуется использование дополнительных устройств (бленд) во избежание эффекта «ослепления».    

     При формировании  изображения в условиях тумана, пыли или дымки работает закон Рэлея, согласно которому интенсивность рассеиваемого средой света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света в случае, когда среда состоит из частиц-диэлектриков, размеры которых много меньше длины волны излучения. То есть излучение видимого диапазона рассеивается сильнее, а излучение коротковолнового ИК-диапазона огибает эти частицы, в результате имеем более качественное изображение и более высокое разрешение (Рисунок 5).

 

5. Сравнение отображения визуальной и SWIR камер в условиях тумана и дымки.

     Тепловое отображение  отлично может обнаружить присутствие теплого объекта на холодном фоне, но полностью идентифицировать этот объект со всеми деталями не в состоянии. Таким образом, тепловые приемники не обеспечивают необходимого разрешения. Кроме того, у тепловых приемников излучения существует еще один серьезный недостаток. В условиях, при которых различия температуры объектов минимальны, например, в пещере или в темном помещении, такие приемники испытывают трудности визуализации, что отображено на рисунке 6.

 

6. Сравнительное отображение тепловой, I²CCD и InGaAs камер.

Активно – импульсные приборы наблюдения

Действие  активно – импульсных приборов наблюдения основано на импульсном методе наблюдения. Объект наблюдения освещается короткими  световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. При этом объект наблюдается в оптический прибор, снабженный быстродействующим затвором, открывающимся в такт с посылкой световых импульсов на определенное время. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна удвоенному времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса. В качестве источника используется лазер, при этом обеспечивается: