СТРОБИРУЕМАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА С ИМПУЛЬСНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПОДСВЕТА Российский патент 2016 года по МПК H01J31/50 H04N7/18 

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Конкретно - к системам, предназначенным для наблюдения различных объектов в условиях ограниченной видимости (в темное время суток, при наличие дождя и тумана, во время снегопада, при задымлении окружающей среды), и может быть использовано при проведении поисково-спасательных работ, в охранных системах, в военном деле, при вождении транспортных средств.

Известен активно-импульсный оптико-электронный прибор визуализации изображения [1], содержащий импульсный лазерный излучатель, блок накачки импульсного лазерного излучателя, объектив формирования излучения, объектив, импульсный электронно-оптический преобразователь, окуляр, задающий генератор импульсов, блок регулируемой задержки, формирователь высоковольтных импульсов, первую линию задержки, первый формирователь импульсов, блок автоподстройки временного положения импульсов, второй формирователь импульсов, блок автоматической регулировки задержки и вторую линию задержки. Блок накачки импульсного лазерного излучателя и импульсный лазерный излучатель соединены последовательно, объектив формирования излучения сфокусирован на импульсный лазерный излучатель. Объектив, импульсный электронно-оптический преобразователь и окуляр последовательно расположены и оптически сопряжены. Формирователь высоковольтных импульсов соединен выходом с затвором импульсного электронно-оптического преобразователя. Задающий генератор и блок регулируемой задержки соединены последовательно. Первая линия задержки, первый формирователь импульсов и блок автоподстройки временного положения импульсов соединены последовательно, вторая линия задержки соединена входом с выходом задающего генератора импульсов, а выходом с входом блока накачки импульсного излучателя. Первая линия задержки соединена входом с выходом блока регулируемой задержки. Второй формирователь импульсов соединен входом с выходом формирователя высоковольтных импульсов, а выходом с вторым входом блока автоподстройки временного положения импульсов, соединенного с первым входом блока автоматической регулировки задержки, который вторым входом соединен с выходом блока регулируемой задержки, а выходом с входом формирователя высоковольтных импульсов.

Недостатком этого прибора является отсутствие информации о расстояниях до объекта наблюдения. Кроме того, в нем практически полностью теряется информация, обусловленная естественной освещенностью.

Известен способ наблюдения объектов при пониженной освещенности и устройство для его осуществления [2], содержащий импульсный источник света с передающей (формирующей) оптикой, блок синхронизации, блок управления приемником оптического изображения, приемник оптического изображения с приемной оптикой (объективом), блок управления объективом. В предлагаемых способе и устройстве решаются задачи по получению равнояркого изображения объектов, находящихся в поле зрения прибора на различном расстоянии от него как при использовании естественного освещения, так и при использовании собственного источника подсветки с возможностью выделения по яркости объектов, расположенных в наиболее интересующей зоне.

В данном техническом решении частично устранены недостатки, отмеченные выше, и для получения дополнительной информации об объекте наблюдения используется естественное и дополнительное освещение. Однако при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, пыль и т.д.) из-за сильного влияния помехи обратного рассеяния реализовать в полной мере поставленную задачу затруднительно. Кроме того, отсутствие жесткой синхронизации управляющих сигналов с работой датчика изображения отрицательно скажется на разрешающей способности устройства.

Наиболее близкой к заявляемой системе является стробируемая система ночного видения [3], содержащая каскадно-соединенные блок накачки оптического лазера, лазерный полупроводниковый излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные приемный объектив, ЭОП, объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на матрицу ПЗС телевизионной камеры, телевизионную камеру, включающую матричный ПЗС со строчным переносом изображения, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, вырабатывающий тактовые импульсы, строчные и кадровые синхроимпульсы, и имеющую один оптический вход и два электрических выхода, и монитор, вход которого соединен с первым выходом телевизионной камеры, блок формирования стробирующих импульсов, выход которого соединен с электрическим входом (затвором) ЭОП, и блок управления, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом телевизионной камеры, с которого на блок управления поступают кадровые синхроимпульсы, и два выхода, первый из которых соединен с входом блока накачки оптического лазера, а второй - с входом блока формирования стробирующих импульсов. Блок управления содержит схему задержки импульсов запуска оптического лазера, выход которой соединен с входом блока накачки оптического лазера, схему формирования циклов сканирования задержки, имеющую один вход и один выход, регулируемый ждущий генератор пачек запускающих импульсов, имеющий два входа, первый из которых соединен со вторым выходом телевизионной камеры, и два выхода, схему управления частотой и длительностью циклов сканирования задержки стробирующих импульсов и частотой импульсов в пачке, имеющую два выхода, первый из которых соединен со вторым входом регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов, а второй - с входом схемы формирования циклов сканирования задержки, схему регулируемой задержки стробирующих импульсов, имеющих два входа, первый из которых соединен с первым выходом регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов, и один выход, соединенный с входом формирователя высоковольтных импульсов стробирования ЭОП, схему сканирования задержки стробирующих импульсов, имеющую два входа, первый из которых соединен с выходом схемы фрмирования циклов сканирования задержки, и один выход, соединенный со вторым входом схемы регулируемой задержки стробирующих импульсов, а второй выход регулируемого ждущего генератора пачек запускающих импульсов соединен с входом схемы задержки импульсов запуска лазера и вторым входом схемы сканирования задержки стробирующих импульсов.

К недостаткам прототипа следует отнести относительно низкую разрешающую способность из-за отсутствия жесткой синхронизации управляющих сигналов с работой датчика изображения и относительно низкую чувствительность вследствие потери информации о наблюдаемых объектах, обусловленной естественной освещенностью.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - повышение разрешающей способности и чувствительности активно-импульсной телевизионной системы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известную стробируемую систему ночного видения, содержащую каскадно-соединенные блок накачки оптического лазера, лазерный полупроводниковый излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные приемный объектив, ЭОП, объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на ПЗС матрицу телевизионной камеры, телевизионную камеру, включающую матричный ПЗС со строчным переносом, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, вырабатывающий тактовые импульсы, строчные синхроимпульсы и кадровые синхроимпульсы, и имеющую один оптический вход, два электрических выхода, и монитор, вход которого соединен с первым выходом телевизионной камеры, формирователь стробирующих импульсов (высоковольтных импульсов стробирования ЭОП), выход которого соединен с электрическим входом (затвором) ЭОП, и блок управления, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом телевизионной камеры, с которого на блок управления поступают кадровые синхроимпульсы, и два выхода, первый из которых соединен с входом блока накачки оптического лазера, а второй - с входом формирователя высоковольтных импульсов стробирования ЭОП, дополнительно введены формирователь импульсов управления затвором ЭОП и коммутатор, блок управления выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы, в телевизионной камере дополнительно образованы третий и четвертый выходы, на которые с синхрогенератора ПЗС поступают тактовые импульсы и строчные синхроимпульсы, а в блоке управления дополнительно образованы второй и третий входы, соединенные с третьим и четвертым выходами телевизионной камеры, и третий выход, к которому подключен первый вход коммутатора, второй выход блока управления соединен с третьим входом коммутатора и первым входом формирователя импульсов управления затвором ЭОП, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления, а выход соединен со вторым входом коммутатора, выход которого подключен к входу формирователя высоковольтных импульсов стробирования ЭОП.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемой стробируемой телевизионной системы с импульсным источником подсвета: 1 - блок импульсного питания оптического излучателя; 2 - оптический излучатель; 3 - передающий объектив; 4 - приемный объектив; 5 - ЭОП; 6 - согласующий объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на оптический вход телевизионной камеры; 7 - телевизионная камера; 8 - монитор; 9 - формирователь высоковольтных импульсов стробирования ЭОП; 10 - блок управления; 11 - коммутатор; 12 - формирователь импульсов управления затвором ЭОП; на фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов формирования импульсов стробирования ЭОП и изменение заряда на элементе мишени ПЗС в процессе накопления в стандартном активно-импульсном режиме; на фиг. 3 временные диаграммы сигналов формирования импульсов стробирования ЭОП и изменение заряда на элементе мишени ПЗС в процессе накопления в режиме суммирования изображений, обусловленных импульсом подсвета и естественной освещенностью.

В зависимости от условий наблюдения с блока управления 10 могут быть заданы следующие режимы работы: пассивный, активный, активно-импульсный и режим суммирования изображений, обусловленных импульсным подсветом и естественной освещенностью.

Стробируемая телевизионная система с импульсным источником подсвета работает следующим образом.

При функционировании в пассивном режиме с выходов 1 и 2 блока управления 10 импульсы запуска оптического излучателя и стробирования ЭОП на входы блоков 1, 11, 12 не подаются; оптический излучатель 2 отключен. С выхода 3 блока управления 10 на вход 1 коммутатора 11 подается команда, определяющая пассивный режим работы. В результате на выходе коммутатора 11 устанавливается постоянный уровень потенциала, соответствующий открытому состоянию затвора ЭОП 5.

Излучение, определяемое уровнем естественной освещенности, отражается от наблюдаемого объекта и окружающего его фона и поступает в объектив 4, который формирует изображение объекта и фона на фотокатоде электронно-оптического преобразователя 5. Последний работает в непрерывном (статическом) режиме. Он усиливает изображение по яркости, которое с помощью согласующего объектива 6 фокусируется на фоточувствительной поверхности ПЗС 7. Двумерное оптическое изображение преобразуется в видеосигнал и воспроизводится на экране монитора 8.

В активном режиме на вход блока 1 коммутатора 11 с выхода 3 блока управления 10 подается сигнал управления режимом работы, определяющий активный режим, по которому на выходе коммутатора 11 устанавливается постоянный уровень потенциала. С выхода 1 блока управления 10 на вход блока импульсного питания оптического излучателя 1 подается последовательность импульсов, которая запускает оптический излучатель 2. Импульсное излучение оптического излучателя 2 и естественное излучение, обусловленное естественной освещенностью, отражается от объекта наблюдения и фокусируется с помощью объектива 4 в плоскости фотокатода ЭОП 5 и затем, как и в статическом режиме, преобразуется в изображение на экране монитора 8. Интенсивность подсвета регулируется изменением частоты импульсов подсвета с блока управления. На нем же осуществляется и визуальная регистрация интенсивности излучения.

В активно-импульсном режиме стробируемая телевизионная система с импульсным источником подсвета работает следующим образом. В режиме выделения одной зоны видения сформированное передающим объективом 3 импульсное излучение оптического излучателя 2 освещает объект наблюдения. Запуск оптического излучателя 2 осуществляется импульсом, поступающим с выхода блока 1 в момент времени t₁ (фиг. 2). Синхронизация запуска осуществляется строчными синхроимпульсами телевизионной камеры 7. Количество строчных синхроимпульсов за время полукадра, поступающих с первого выхода блока управления 10 на вход блока импульсного питания оптического излучателя 1, а с его выхода на вход оптического излучателя 2, устанавливается в блоке управления 10. Со второго выхода блока управления 10 импульсы, задержанные относительно импульсов запуска оптического излучателя 2 на время распространения излучения до объекта наблюдения и обратно τ₃=t₂-t₁ (фиг. 2), подаются через коммутатор 11, на входе 1 которого устанавливается соответствующий сигнал управления режимом работы, на формирователь высоковольтных импульсов стробирования 9, а с его выхода на затвор ЭОП 6. Время задержки, которое определяет дальность до середины зоны видимости, устанавливается кратным периоду повторения импульсов тактовой частоты. Цифровая регистрация дальности осуществляется в блоке управления 10.

Приемный объектив 4 формирует изображение зоны видения на фотокатоде ЭОП 5.

Во время действия импульса стробирования τ_и=t₃-t₂ (фиг. 2), поступающего с выхода формирователя высоковольтных импульсов стробирования 9 на затвор ЭОП 5, на его выходном экране воспроизводится усиленное по яркости изображение зоны видения, которое с помощью согласующего объектива 6 переносится на оптический вход телевизионной камеры 7. На элементе изображения телевизионной камеры 7 накапливается заряд Q_ЭАИ, пропорциональный яркости этого элемента (фиг. 2) и количеству импульсов стробирования ЭОП 5 за время полукадра.

Для расширения границ зоны видения по дальности блок управления 10 после каждого импульса включения оптического излучателя 2 формирует изменяющуюся в течение полукадра задержку включения ЭОП 5.

Величина задержки включения импульса стробирования ЭОП 5, сформированная после первого импульса запуска оптического излучателя 2, определяет расстояние до минимально удаленных от стробируемой телевизионной системы с импульсным источником подсвета объектов наблюдения. С приходом последующих импульсов включения оптического излучателя задержка включения импульса стробирования ЭОП 5 каждый раз увеличивается на время, соответствующее шагу по дальности. Последнее в полукадре изменение величины задержки определяет расстояние до максимально удаленных объектов. На этом цикл формирования границ зоны видения по дальности заканчивается.

При сильных замутнениях атмосферы число циклов сканирования за время полукадра увеличивается.

Число шагов изменения величины задержки, величина задержки после первого включения оптического излучателя и число циклов сканирования за время полукадра регулируются и устанавливаются в блоке управления 10.

В режиме суммирования изображений, обусловленных естественной освещенностью и полученных в активно-импульсном режиме, необходимая последовательность импульсов управления затвором ЭОП формируется на выходе формирователя импульсов управления затвором ЭОП 12 и через коммутатор 11, на первый вход которого с блока управления 10 подан сигнал управления режимом работы, через формирователь высоковольтных импульсов стробирования 9 подается на затвор ЭОП.

До момента появления на выходе блока 1 (фиг. 3) импульса управления оптическим излучателем 2 на выходе формирователя импульсов управления затвором ЭОП 12 устанавливается высокий уровень потенциала, соответствующий открытому состоянию затвора ЭОП (фиг. 3). Естественное излучение, отраженное от объекта наблюдения, фокусируется с помощью входного объектива 4 на фотокатоде ЭОП 5. Усиленное по яркости изображение переносится согласующим объективом 6 на фоточувствительную поверхность ПЗС 7. На элементах ПЗС 7 в течение интервала времени 0÷t₁ накапливается заряд Q_э1 (фиг. 3), пропорциональный освещенности объектов, обусловленной естественным излучением (штриховая линия).

В момент времени t₁ по приходу строчного синхроимпульса на выходе блока 1 формируется импульс запуска оптического излучателя 2. В течение времени распространения излучения до объекта наблюдения и обратно τ₃=t₂-t₁ на выходе формирователя импульсов управления затвором ЭОП 12 устанавливается низкий уровень потенциала (затвор ЭОП закрыт). Накопление заряда на элементе ПЗС не происходит. Влияние помехи обратного рассеяния на величину заряда исключается. Заряд остается равным накопленному к моменту времени t₁ (фиг. 3 штриховая линия).

По истечении времени, равного времени задержки τ₃=t₂-t₁, определяющего дальность до зоны видения, на блок формирования импульсов управления затвором ЭОП 12 с выхода блока управления 10 подается импульс, передним фронтом которого на выходе блока 12 устанавливается высокий уровень потенциала (затвор ЭОП открыт) на время, равное его длительности τ_и=t₃-t₂ (фиг. 3). За время действия импульса на элементе ПЗС формируется заряд, обусловленный естественной освещенностью (штриховая линия) и освещенностью оптического излучателя 2 (сплошная линия). На интервале времени t₃÷t₄ накопления зарядов на элементе ПЗС не происходит.

В момент времени t₄ на выходе блока 12 вновь устанавливается высокий уровень потенциала (затвор ЭОП открыт), до прихода кадрового синхроимпульса осуществляется накопление заряда на элементе ПЗС, обусловленного естественной освещенностью (штриховая линия). В результате заряд на элементе ПЗС Q_∑ будет определяться не только импульсной составляющей излучения оптического излучателя 2 Q_эАИ, но и естественной освещенностью, регистрируемой в интервалах времени 0÷t₁, t₄÷t₅. Величина интервала времени t₃÷t₄ изменяется с блока управления с целью минимизации влияния помехи обратного рассеяния, обусловленной свечением слоя атмосферы за зоной видения, на качество изображения.

В следующих кадрах последовательность работы повторяется.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения

1. Патент РФ №2037837, кл. G01S 3/78, G01S 17/00, G01C 3/08/. Заявл. 26.06.1992. Опубл. 19.06.1995.

2. Патент РФ №2069885, кл. G02B 26/10, G02B 23/12, G01S 17/88. Заявл. 01.03.1996. Опубл. 27.11.1996.

3. Белов В.В., Белоусов B.C., Борисов Б.Д., Курячий М.И., Матвиенко Г.Г., Пустынский И.Н., Тарасенко В.П. Стробируемая система ночного видения ZOND // Наука - производству, 2003, №9 (65). С. 32-38 - прототип.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к системам, предназначенным для обнаружения различных объектов и наблюдения за ними в условиях ограниченной видимости (в темное время суток, при наличии дождя и тумана, во время снегопада, при задымлении окружающей среды, во время пылевой бури), и может быть использовано при проведении поисково-спасательных работ, в охранных системах, в военном деле, в различных транспортных средствах, например в речных и морских судах. Техническим результатом является повышение разрешающей способности и чувствительности активно-импульсной телевизионной системы. Результат достигается тем, что в стробируемую систему ночного видения, содержащую каскадно-соединенные блок импульсного питания оптического излучателя, оптический излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные узкополосный пропускающий оптический фильтр, приемный объектив, электронно-оптический преобразователь (ЭОП), согласующий объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана ЭОП на оптический вход прибора с зарядовой связью (ПЗС) телевизионной камеры, телевизионную камеру, включающую ПЗС со строчным переносом изображения, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, формирователь стобирующих импульсов, монитор и блок управления, дополнительно введены формирователь импульсов управления затвором ЭОП и коммутатор, выходы строчных синхроимпульсов и тактовых импульсов синхрогенератора, соединенные с дополнительными входами блока управления, выходы блока управления, соединенные через коммутатор и формирователь импульсов управления затвором ЭОП со входом формирователя высоковольтных импульсов стробирования ЭОП. Такое исполнение активно-импульсной телевизионной системы позволяет исключить узкополосный оптический фильтр и позволяет обеспечить высокую точность и стабильность формирования задержек и длительностей импульсов, используемых в телевизионной системе, а также обеспечивает возможность использования естественного освещения при формировании изображения в режиме импульсного подсвета и задержки стробирования. 3 ил.

Стробируемая телевизионная система с импульсным источником подсвета, содержащая каскадно-соединенные блок импульсного питания оптического излучателя, оптический излучатель и передающий объектив, формирующий луч подсветки, каскадно-соединенные приемный объектив, электронно-оптический преобразователь, согласующий объектив, осуществляющий перенос изображения с экрана электронно-оптического преобразователя на оптический вход телевизионной камеры, включающей матричный прибор с зарядовой связью со строчным переносом изображения, схему управления режимом его работы и синхрогенератор, вырабатывающий тактовые импульсы, строчные синхроимпульсы и кадровые синхроимпульсы, и имеющей один оптический вход и два электрических выхода, и монитор, вход которого соединен с первым выходом телевизионной камеры, формирователь стробирующих импульсов (высоковольтных импульсов стробирования ЭОП), выход которого соединен с электрическим входом (затвором) электронно-оптического преобразователя, и блок управления, имеющий один вход, соединенный со вторым выходом телевизионной камеры, с которого на блок управления поступают кадровые синхроимпульсы, и два выхода, первый из которых соединен с входом блока импульсного питания оптического излучателя, а второй - с входом формирователя стробирующих импульсов (высоковольтных импульсов стробирования ЭОП), отличающаяся тем, что дополнительно введены формирователь импульсов управления затвором ЭОП и коммутатор, блок управления выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы, в телевизионной камере дополнительно образованы третий и четвертый выходы, на которые с синхрогенератора ПЗС поступают тактовые импульсы и строчные синхроимпульсы, а в блоке управления дополнительно образованы второй и третий входы, соединенные с третьим и четвертым выходами телевизионной камеры, и третий выход, к которому подключен первый вход коммутатора, а второй выход блока управления соединен с третьим входом коммутатора и первым входом формирователя импульсов управления затвором ЭОП, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления, а выход соединен со вторым входом коммутатора, выход которого подключен ко входу формирователя высоковольтных импульсов стробирования.