СПОСОБ НОЧНОГО И/ИЛИ ДНЕВНОГО НАБЛЮДЕНИЯ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА С СИНХРОННОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ПОДСВЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G02B23/12 G01S17/88 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее - к лазерным локационным изображающим системам, способным вести наблюдение за удаленными объектами как ночью, так и днем. Объектами наблюдения могут быть как диффузно-отражающие объекты, например здания, транспортные средства, окружающий ландшафт, так и световозвращающие объекты, например оптические и оптико-электронные устройства.

Известен способ ночного и/или дневного наблюдения удаленного объекта, являющийся ближайшим аналогом, в котором формируют серию импульсов лазерного излучения, причем первый импульс лазерного излучения направляют на удаленный объект, принимают отраженное от удаленного объекта излучение с помощью лавинного фотодиода и определяют время Т распространения излучения от передающего канала до удаленного объекта, после чего формируют последующие импульсы лазерного излучения, направляют их на удаленный объект и с помощью приемного объектива и оптически сопряженной с ним ФПЗС-матрицы, имеющей длительность кадра Т_к, принимают отраженное от наблюдаемого удаленного объекта излучение и получают его изображение (US 5013917, опубл. 7 мая 1991 г.).

Известно лазерное локационное устройство для наблюдения удаленного объекта, являющееся ближайшим аналогом и содержащее (см. фиг.1) в передающем канале импульсный лазер 1, в первом приемном канале - камеру ICCD 2, включающую приемный объектив, ЭОП и ФПЗС-матрицу, а во втором приемном канале - лавинный фотодиод 3, а так же генератор временных импульсов 4, видеопроцессор 5 и монитор 6 (US 5013917, опубл. 7 мая 1991 г.).

При реализации известного способа с помощью известного устройства осуществляют импульсный подсвет лазером объекта наблюдения 7, в результате чего отраженное от объекта излучение попадает в первый приемный канал на основе камеры ICCD 2 (Intensified Charge Couple Devices - ПЗС матрица с усилителем яркости) и во второй приемный канал на лавинный фотодиод 3. Выход камеры ICCD соединен с входом видеопроцессора 5, на выходе которого формируется стандартный телевизионный сигнал, подаваемый на монитор 6. Выход лавинного фотодиода 3 соединен с входом генератора временных импульсов 4. Генератор временных импульсов 4 формирует на выходах импульсы запуска лазера 1, импульсы кадровой синхронизации и импульсы стробирования камеры ICCD 2. В начальный момент генератор временных импульсов 4 подает импульс запуска на лазер 1, в результате чего последний формирует короткий (10...100 нс), но мощный импульс подсвета объекта наблюдения 7. В этот момент камера ICCD 2 находится в закрытом ("слепом") состоянии и не способна принимать рассеиваемое в атмосфере (тумане, дыму) излучение лазера, не несущего информации и ослепляющего приемный канал. Рассеянное в атмосфере излучение лазера представляет собой помеху обратного рассеяния (ПОР). После того, как световой импульс подсвета лазера отразится от объекта наблюдения 7, генератор временных импульсов 4 подает строб-импульс на камеру ICCD 2, имеющую встроенный быстродействующий затвор. В результате, камера ICCD 2 открывается и принимает отраженное от объекта 7 излучение, не содержащее рассеянной компоненты. Момент подачи на камеру ICCD 2 строб-импульса генератором 4 определяется с помощью сигнала лавинного фотодиода 3, также фиксирующего отраженное от объекта 7 излучение.

К недостаткам устройства относится следующее.

1. Наличие в приемном канале электронно-оптического преобразователя (ЭОПа) ограничивает разрешающую способность и качество формируемого на экране монитора изображения независимо от времени суток (как днем, так и ночью). В силу своих конструктивных особенностей, ЭОП обладает малым пространственным разрешением (25...35 пар лин./мм), значительными шумами, отсутствием жесткого растра. Последнее обстоятельство делает невозможным построение на базе приборов с ЭОП устройств определения координат, пеленгаторов. Кроме того, камера ICCD использует двукратное преобразование свет → сигнал → свет → видеосигнал, при каждом из которых происходит искажение изображения и ухудшение отношения сигнал/шум.

2. Неоптимальный режим работы днем. Это связано с тем, что ЭОП, входящий в состав камеры ICCD, не способен работать днем без применения так называемого стробирования, в результате которого его чувствительность к свету сохраняется только в короткие промежутки времени (1...10 нс). Это приводит к появлению стробоскопического эффекта при наблюдении за быстродвижущимися объектами либо вообще к их пропуску.

3. Невысокие эксплуатационно-экономические показатели камеры ICCD, проявляющиеся в сложности конструкции, хрупкости и высокой стоимости входящих в ее состав элементов (особенно ЭОПа), а также невысоким ресурсом работы усилителя яркости. Кроме того, для питания ЭОПа требуется высокое напряжение (2...8 кВ), что, в свою очередь, предъявляет высокие требования к его электрической изоляции.

В последнее время в связи с интенсивным развитием полупроводниковой оптоэлектроники созданы низкоуровневые ТВ-камеры на базе ФПЗС-матриц, практически не уступающие ЭОПам по чувствительности. В то же время, они превосходят ЭОПы по разрешающей способности, динамическому диапазону, надежности и ресурсу работы. Примером такой камеры может служить ФПЗС-камера со встроенным регистром лавинного умножения заряда, способная работать в "режиме счета единичных фотонов". Поэтому необходимость использования ЭОПа из-за потребности работы ночью практически отпала.

Однако использование ЭОПа в активной изображающей системе связано не только с требованием повышения чувствительности, но и с необходимостью стробирования приемного канала по дальности для устранения вредного влияния помехи обратного рассеяния на формируемое изображение. Такой способностью ФПЗС-матрицы пока не обладают, а потому реализовать их преимущества в активных изображающих системах до сих пор не удавалось.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества изображения как в дневное, так и в ночное время, а также повышение помехозащищенности за счет применения синхронной фазовой манипуляции лазерными импульсами подсвета.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе ночного и/или дневного наблюдения удаленного объекта, в котором формируют серию из m импульсов лазерного излучения, причем первый импульс лазерного излучения направляют на объект, принимают отраженное от объекта излучение и определяют время Т распространения излучения от передающего канала до объекта, после чего формируют (m-1) последующих импульсов лазерного излучения, направляют их на объект и с помощью приемного объектива и оптически сопряженной с ним ФПЗС-матрицы, имеющей длительность кадра Т_к, принимают отраженное от объекта излучение и получают его изображение, первый импульс лазерного излучения формируют с длительностью , а длительность (m-1) последующих импульсов лазерного излучения определяют из соотношения

где L_пор - дальность формирования помехи обратного рассеяния;

n - средний показатель преломления атмосферы;

с - скорость света;

при этом смещают начало каждого из (m-1) лазерных импульсов от начала кадра ФПЗС-матрицы на время Т_упр.ли=Т_к-(4Т-L_пор n/с), а начало каждого периода накопления ФПЗС-матрицы смещают от начала кадра на время -

При этом при реализации способа целесообразно повторять указанные выше операции способа и дополнительно формировать k серий импульсов, каждая из которых содержит m импульсов, но при этом смещать начало первого лазерного импульса от начала кадра ФПЗС-матрицы в каждой последующей серии лазерных импульсов на время Т_упр.ли, определенное для предыдущей серии лазерных импульсов.

Кроме того, целесообразно определять L_пор из соотношения для мгновенной мощности помехи обратного рассеяния Ф_пор(t):

где Q_л - энергия лазера;

X(π)=0,33 α_s ^-0,3Lпор - значение индикатрисы в направлении "назад";

α_s - коэффициент рассеяния атмосферы;

α_р - показатель рассеяния атмосферы;

ω_пр, ω_пер - поле зрения приемника и расходимость излучения передатчика соответственно;

D_об - диаметр приемного объектива;

x_б - линейный параллакс между приемной и передающей системами;

при Ф_пор(t)=0,1 Ф_{пор max}, где Ф_{пор max} - максимальное значение Ф_пор(t).

Кроме того, поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для ночного и/или дневного наблюдения удаленного объекта, содержащем в передающем канале импульсный лазер, соединенный с выходом блока питания и управления лазером и оптически сопряженный с передающей оптической системой, в первом приемном канале - первый приемный объектив, оптически сопряженную с ним ФПЗС-матрицу и монитор, причем длительность одного кадра ФПЗС-матрицы составляет Т_к, а ее выход соединен со входом монитора, а во втором приемном канале - второй приемный объектив и оптически сопряженный с ним фотодиод, причем устройство выполнено с возможностью определения времени Т распространения излучения от передающего канала до объекта, введен блок управления, выполненный с возможностью управления формированием серии из m импульсов, при этом длительность первого лазерного импульса для измерения времени Т и длительность последующих (m-1) лазерных импульсов

где L_пор - дальность формирования помехи обратного рассеяния;

n - средний показатель преломления атмосферы;

с - скорость света;

для формирования изображения объекта, а также с возможностью смещения начала каждого из лазерных импульсов от начала кадра ФПЗС-матрицы на время Т_упр.ли=Т_к-(4Т-L_пор n/с) и смещения начала каждого периода накопления ФПЗС-матрицы от начала кадра на время , при этом выход фотодиода соединен со входом блока управления, первый выход блока управления соединен со входом блока питания и управления импульсным лазером, а второй выход - со входом управления ФПЗС-матрицы.

При этом целесообразно блок управления выполнить с возможностью управления формированием дополнительно k серий импульсов, каждая из которых содержит m импульсов, из которых длительность первого импульса равна , а длительность каждого из последующих (m-1) импульсов в каждой серии равна .

При этом дальность формирования помехи обратного рассеяния L_пор может быть определена из соотношения для мгновенной мощности помехи обратного рассеяния Ф_пор(t):

где Q_л - энергия лазера;

Х(π)=0,33 α_s ^-0,3Lпор - значение индикатрисы в направлении "назад";

α_s - коэффициент рассеяния атмосферы;

α_р - показатель рассеяния атмосферы;

ω_пр, ω_пер - поле зрения приемника и расходимость излучения передатчика, соответственно;

D_об - диаметр приемного объектива;

х_б - линейный параллакс между приемной и передающей системами;

при Ф_пор(t)=0,1 Ф_{пор max}, где Ф_порmax - максимальное значение Ф_пор(t).

Кроме того, в качестве блока управления может быть использован микропроцессор, а в качестве фотодиода - лавинный фотодиод.

Предлагаемая группа изобретений обеспечивает получение изображения удаленных объектов высокого качества, а также повышение помехозащищенности без использования ЭОПа. При этом режим работы устройства, реализующего предлагаемый способ, по существу, эквивалентен режиму стробирования по дальности, применяемому в изображающих камерах с ЭОП.

На фиг.1 представлена структурная схема известного устройства.

На фиг.2 представлена зависимость мощности помехи обратного рассеяния от времени.

На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого устройства для наблюдения удаленных объектов, формирующая локационное изображение с использованием предлагаемого метода синхронной фазовой модуляции (СФМ).

На фиг.4 показаны три временные диаграммы, поясняющие принцип СФМ.

Помеха обратного рассеяния (ПОР) лазерного излучения при работе активной изображающей системы в относительно чистой аэрозольной атмосфере возникает благодаря рассеянию распространяющегося излучения, часть которого попадает обратно в приемный канал. В литературе /1/ приведен анализ ПОР в фокальной плоскости приемного объектива системы. На основании этих результатов для систем с малым параллаксом х_б и углом θ₁ между оптическими осями приемного и передающего каналов, мощность помехи обратного рассеяния на фотоприемнике приемного канала в зависимости от времени t от начала импульса подсвета можно определить выражением:

где О_л - энергия лазера, Х(π)=0,33 α_s ^-0,31 - значение индикатрисы в направлении "назад", α_s - коэффициент рассеяния атмосферы, α_p - показатель рассеяния атмосферы, ω_пр, ω_пер - поле зрения приемника и расходимость излучения передатчика соответственно, D_об - диаметр приемного объектива, с - скорость света.

При этом время t связано с расстоянием L, которое проходит пучок

излучения по трассе, соотношением L=ct/n, где n - средний показатель преломления атмосферы. Подставив это соотношение в формулу (1), можно рассчитать такую дальность L_пор, начиная с которой мощность регистрируемой ПОР по сравнению с мощностью регистрируемого полезного сигнала ничтожно мала и ею можно пренебречь. Поэтому при расчете L_пор Ф_пор(t) принимается равным значению мощности ПОР, при котором она значительно меньше мощностью регистрируемого полезного сигнала.

На фиг.2 представлен график зависимости Ф_пор(t), из которого следует, что для лазерного импульса с длительностью 1 мкс и энергией 1 Дж мощность ПОР увеличивается до значения Ф_порmax за время, приблизительно равное 1,5 мкс от начала лазерного импульса, после чего Ф_пор(t) уменьшается до значений, величина которых не оказывает большого влияния на величину регистрируемого полезного сигнала. При этом для расчета L_пор можно принять Ф_пор(t)=0,1 Ф_порmax.

Таким образом для получения оптимального значения L_пор блок управления должен обеспечивать возможность вычисления величины L_пор в соответствии с приведенными зависимостями.

Однако в некоторых случаях, когда условия, при которых используется предлагаемое устройство, постоянны или изменяются в известном небольшом диапазоне, для упрощения процесса в память блока управления может быть введено конкретное числовое значение L_пор или несколько дискретных значений, выбираемых по заранее определенной программе, например, в зависимости от значения времени Т распространения излучения от передающего канала до удаленного объекта, которое определяется в процессе работы устройства.

Как следует из графика зависимости Ф_пор(t) на фиг.2 значения Ф_пор(t), существенно влияющие на качество изображения на экране монитора, соответствуют интервалу времени от 0 до 2 мкс, что соответствует дальностям порядка L_пор≤200-300 м. На больших дальностях возможна временная селекция, позволяющая выделить полезный сигнал и свести к минимуму ПОР. Таким образом в память блока управления устройством может быть введено, например, значение L_пор=300 м.

На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого устройства для наблюдения удаленных объектов, формирующая изображение с использованием предлагаемого метода синхронной фазовой модуляции (СФМ). Устройство содержит два приемных и один передающий каналы. В передающем канале установлен импульсный полупроводниковый лазер 1, соединенный с выходом блока питания и управления лазером 8 и оптически сопряженный с формирующей передающей оптической системой 9. В первом приемном канале установлен первый приемный объектив 10, в фокальной плоскости которого находится ФПЗС-матрица 11. В качестве первого приемного объектива и ФПЗС-матрицы может использоваться ФПЗС-камера. Выход ФПЗС-матрицы 11 является видеовыходом и соединяется со входом телевизионного монитора 6. Второй приемный канал является дальномерным и состоит из второго приемного объектива 12, в фокальной плоскости которого установлен фотодиод 3, в качестве которого наиболее целесообразно использовать лавинный фотодиод, выход которого соединен со входом блока управления 13.

Первый выход блока управления 13 соединен с блоком питания и управления импульсного лазера 1. Вход управления ФПЗС-матрицы 11 соединен со вторым выходом блока управления 13, устанавливающего начало и величину периода накопления ФПЗС-матрицы 11.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующее излучение, формируемое лазером 1, в качестве которого обычно используют полупроводниковую импульсную лазерную решетку излучателей, пройдя формирующую передающую оптическую систему 9, попадает на диффузно-отражающий объект наблюдения 7 либо световозвращающую ОЭС. Часть отраженного от объекта излучения попадает во входной зрачок приемного объектива 10 и далее на ФПЗС-матрицу 11. При этом на чувствительной поверхности ФПЗС-матрицы объектив 10 формирует оптическое изображение объекта наблюдения 7. Другая часть отраженного от объекта излучения попадает во входной зрачок приемного объектива 12 и далее на лавинный фотодиод 3. При этом поле зрения приемного канала на основе лавинного фотодиода 3 на несколько порядков меньше поля зрения приемного канала на основе ФПЗС-матрицы 11. С выхода ФПЗС-матрицы 11 электрический видеосигнал поступает на вход малогабаритного телевизионного монитора (ТВ-видоискателя) 6, на экране которого формируется телевизионное изображение наблюдаемого объекта. С выхода лавинного диода 3 электрический сигнал поступает на вход блока управления 13, который осуществляет управление лазером 1 посредством подачи импульсов запуска на его блоком питания и управления 8, а также периодами накопления ФПЗС-матрицы 11 посредством подачи управляющих импульсов на последнюю. Другими словами, блок управления 13 осуществляет управление как приемными, так и передающим каналами, регулируя фазы и длительности лазерных импульсов подсвета Т_упр.ли, и по отношению к началу кадра ФПЗС-матрицы и ее периодам накопления. Очевидно, что при изменении дальности до объекта наблюдения (а следовательно, и времени Т) происходит не только изменение длительности лазерных импульсов и времени накопления ФПЗС-матрицы , но и изменение времени упреждения Т_упр.ли, Т_упр.н, что эквивалентно синхронному изменению фазы импульсов подсвета и периодов накопления. По этой причине данный процесс уместно назвать синхронной фазовой манипуляцией указанных импульсов.

Работа системы начинается с того, что блок управления 13 подает запускающий импульс на блок питания и управления лазером 8, длительность которого равна длительности лазерного импульса подсвета. Блок питания и управления лазером в зависимости от подаваемых импульсов управления с блока управления 13 формирует лазерные импульсы двух типов: короткие импульсы для измерения времени Т и длинные регулируемые импульсы для подсвета объекта и получения изображения. В начальный момент формируется импульс первого типа, длительность которого устанавливается минимально возможной (для полупроводникового лазера - порядка 100 нс), а сам импульс используется только для измерения времени Т. Фотодиод, например лавинный фотодиод, регистрирует отраженное от объекта излучение и подает на блок управления 13 импульс ответа. В блоке управления 13 происходит измерение времени между передними фронтами посланного и принятого лазерных импульсов, после чего вычисляется время Т распространения излучения от передающего канала до объекта. По известному времени Т блок управления, в качестве которого может использоваться микропроцессор, рассчитывает величину временного упреждения Т_упр.ли и длительность следующих импульсов подсвета по следующим выражениям:

а также определяет значение времени упреждения до начала периода накопления Т_упр.н и времени накопления ФПЗС-матрицы как (см. фиг.3):

После этого блок управления 13 вновь формирует импульс запуска лазера, но уже с рассчитанными параметрами, а также "включает" электронный затвор ФПЗС-матрицы через время Т_упр.н. после начала кадра для регистрации отраженного от объекта излучения. Таким образом, устройство вырабатывает серию из m импульсов, где m≥2, из которых первый импульс имеет длительность , а последующие (m-1) импульсы имеют длительность . Далее весь описанный выше процесс повторяется вновь, т.е. последовательно вырабатываются k серий по m импульсов, где k≥1. Причем измерение дальности, перерасчет длительности импульса подсвета лазера и периода накопления ФПЗС-матрицы происходит один раз для каждой серии из m импульсов (автоматически) - например, один раз в секунду или каждый 25-й кадр видеосигнала. Соответственно, подсвет объекта лазерными импульсами с рассчитанными оптимальными параметрами обеспечивается 24 раза в секунду. Подобный темп локации является оптимальным для восприятия телевизионного изображения на экране монитора человеком-оператором.

Литература

1. Сигналы и помехи в лазерной локации/ В.М.Орлов И.В.Самохвалов, Г.М.Креков и др., по ред. В.А.Зуева, -М.: Радио и связь, 1985, 264 с.

Изобретение относится к лазерным локационным системам. Способ включает формирование серии из m импульсов лазерного излучения. Первый импульс длительностью ≤100 нс направляют на объект и по отраженному излучению определяют время Т распространения излучения до объекта. Формируют (m-1) импульсов длительностью и с помощью приемного объектива и ФПЗС-матрицы получают изображение объекта. При этом смещают начало каждого из (m-1) лазерных импульсов от начала кадра ФПЗС-матрицы на время Т_упр.ли, а начало каждого периода накопления ФПЗС-матрицы смещают от начала кадра на время Т_упр.н.. Устройство содержит в передающем канале импульсный лазер, блок питания и управления лазером и оптическую систему, в первом приемном канале - первый приемный объектив, ФПЗС-матрицу и монитор, во втором - второй приемный объектив и фотодиод, а также блок управления для управления длительностью импульсов, смещением начала импульсов и начала периода накопления ФПЗС-матрицы. Обеспечивается повышение качества изображения как в дневное, так и в ночное время, а также повышение помехозащищенности за счет применения синхронной фазовой манипуляции лазерными импульсами подсвета. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ ночного и/или дневного наблюдения удаленного объекта, в котором формируют серию из m импульсов лазерного излучения, где m≥2, при этом первый импульс лазерного излучения направляют на объект, принимают отраженное от объекта излучение и определяют время Т распространения излучения от передающего канала до объекта, после чего формируют (m-1) последующих импульсов лазерного излучения, направляют их на объект и с помощью приемного объектива и оптически сопряженной с ним ФПЗС-матрицы, имеющей длительность кадра Т_к, принимают отраженное от объекта излучение и получают его изображение, отличающийся тем, что первый импульс лазерного излучения формируют с длительностью а длительность (m-1) последующих импульсов определяют из соотношения

где L_пор - дальность формирования помехи обратного рассеяния;

n - средний показатель преломления атмосферы;

с - скорость света;

при этом смещают начало каждого из (m-1) лазерных импульсов от начала кадра ФПЗС-матрицы на время Т_упр.ли=Т_к-(4Т-L_порn/с), а начало каждого периода накопления ФПЗС-матрицы смещают от начала кадра на время

где Q_л - энергия лазера;

Х(π)=0,33α_s ^-0,3Lпор - значение индикатрисы в направлении «назад»;

α_s - коэффициент рассеяния атмосферы;

α_p - показатель рассеяния атмосферы;

ω_пр, ω_пер - поле зрения приемника и расходимость излучения передатчика соответственно;

D_об - диаметр приемного объектива;

х_б - линейный параллакс между приемной и передающей системами;

при Ф_пор(t)=0,1 Ф_{пор max}, где Ф_{пор max}- максимальное значение Ф_пор(t).

4. Устройство для ночного и/или дневного наблюдения удаленного объекта, содержащее в передающем канале импульсный лазер, соединенный с выходом блока питания и управления лазером и оптически сопряженный с передающей оптической системой, в первом приемном канале - первый приемный объектив, оптически сопряженную с ним ФПЗС-матрицу и монитор, причем длительность одного кадра ФПЗС-матрицы составляет Т_к, а ее выход соединен со входом монитора, а во втором приемном канале - второй приемный объектив и оптически сопряженный с ним фотодиод, причем устройство выполнено с возможностью определения времени Т распространения излучения от передающего канала до объекта, отличающееся тем, что введен блок управления, выполненный с возможностью управления формированием серии из m импульсов, где m≥2, при этом длительность первого лазерного импульса для измерения времени Т и длительность последующих (m-1) лазерных импульсов для формирования изображения объекта, а также с возможностью смещения начала каждого из лазерных импульсов от начала кадра ФПЗС-матрицы на время Т_упр.ли=Т_к-(4Т-L_порn/c) и смещения начала каждого периода накопления ФПЗС-матрицы от начала кадра на время при этом выход фотодиода соединен со входом блока управления, первый выход блока управления соединен со входом блока питания и управления импульсным лазером, а второй выход - со входом управления ФПЗС-матрицы.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью управления формированием дополнительно k серий импульсов, каждая из которых содержит m импульсов, из которых длительность первого импульса равна а длительность каждого из последующих (m-1) импульсов в каждой серии равна

при Ф_пор(t)=0,1 Ф_{пор max}, где Ф_{пор max} - максимальное значение Ф_пор(t).