CC BY
97
ПЕТРАКОВ1 Алексей Васильевич, доктор технических наук, профессор БАСКАКОВА2 Екатерина Сергеевна ФЕДЯЕВ3 Леонид Сергеевич
к вопросу создания
многоканальных
приборов видения
Рассматриваются, многоканальные телевизионные приборы, работающие с совмещением, растров. Показаны, основные функции и параметры, таких приборов, их возможности.
Ключевые слова: многоканальный визуализирующий прибор, тепловизионный (инфракрасный) канал, радиолокационный канал, телевизионный канал, лазерный дальномер, дальность действия, разрешение, угол поля, зрения, скорость обзора, совмещение растров.
The multichannel television, devices with, rasters alignment presented. The ground, function and parameters of such, devices, their possibility are showed.
Keywords: multichannel vision device, thermovision (infrared) channel, radio locators channel, television channel, laser rangefinder, action distance, resolution, field of view, velocity of survey, rasters alignment.
В последние годы (четверть века) актуализирован вопрос [1 — 3] создания многоканальных приборов видения (МПВ) на базе многоканальных (мно-госпектрозональных) измерительных видеосистем и приборов визуализации изображения, состоящих из двух или нескольких измерительных каналов, а еще более необходимых — различающихся по физическим принципам регистрации и визуализации событий. Необходимость таких приборов состоит в том, что ни один отдельный прибор не может решить одновременно несколько (ряд) обнаружительно-измеритель-ных задач. Они определяются необходимостью обнаружения и распознания объектов наблюдения круглосуточно и в широком диапазоне изменения внешних условий: при нормальной и при пониженной прозрачности атмосферы
(дымка, туман, дождь, снегопад), при воздействии световых и пыледымовых помех и пр. По этой причине возникает необходимость создания системы круглосуточного и всепогодного действия, работоспособной при воздействии разнообразных световых помех. МПВ даже в обычных условиях обеспечивают повышенные вероятности обнаружения и распознания объектов. Повышенная их информативность создает благоприятные условия для разработки систем с автоматическим обнаружением и распознанием объектов. МПВ позволяют решать задачи повышенной сложности в разнообразных внешних условиях, где возможности однока-нальных приборов ограничены. В МПВ недостатки одного канала компенсируются (могут компенсироваться) достоинствами другого.
МПВ делятся на комплектированные, комбинированные и интегрированные [3, 4].
Комплексированные системы состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных по конструктивно-механическому принципу. Эти каналы имеют одно общее входное окно или несколько различных входных окон для разных спектральных областей. При этом каждый канал может работать самостоятельно в соответствии с его принципиальными возможностями. Информация выводится на отдельные дисплеи, соответствующие каждому каналу, или на единый дисплей, снабженный переключателями каналов. Совместная обработка информации, поступающей из отдельных каналов, отсутствует. Система может
' — НИЯУ МИФИ, профессор;2 — НИЯУ МИФИ, магистрант;
3 — ОАО «НИКИМТ-Атомстрой», зам. ген. директора.
обзор
быть смонтирована в нескольких корпусах, но устанавливается на едином носителе — конструктиве. Комбинированные системы состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных на основе не только конструктивно-технического решения, но и частичного совмещения оптических осей, наличия единого входного оптического окна и представления информации на различных или на общем дисплее. Система смонтирована в едином корпусе. Каждый канал может работать самостоятельно. В интегрированных системах осуществлено объединение различных каналов на основе общей системы обработки и представления интегрированного изображения на единый индикатор. При этом интегрированное изображение формируется на основе анализа сигналов из различных каналов по специфическим их признакам. Такое изображение образуется в результате обработки на ЭВМ в реальном масштабе времени.
Благодаря своей высокой эффективности и информативности многоканальные системы позволяют вплотную подойти к решению проблемы создания автоматического устройства, способного обеспечить поиск, обнаружение и распознание наблюдаемых объектов без вмешательства оператора. Основные требования к многоканальным системам таковы:
♦ всепогодность и круглосуточность работы (всепогодность сводится к распознанию объектов во всей совокупности внешних условий; круглосуточность определяется наличием каналов, допускающих в совокупности работу системы как днем, так и ночью);
♦ обнаружение и распознание объектов на повышенных дальностях; правда, это требование зависит от другого — обеспечения угла поля зрения (времени поиска объектов), приемлемого для эффективного во времени поиска и обнаружения. Так как эти требования противоречат друг другу, многоканальная система должна (может) состоять из канала поиска и обнаружения, а также из канала распознания.
Конечной целью создания многоканальных визуализирующих приборов
является полностью интегрированная система, в которой изображение, синтезирующееся (синтезируемое) на основе анализа сигналов из различных каналов, сочетает в себе необходимые признаки изображений с отдельных каналов. Создание таких приборов основывается теперь уже на цифровой обработке сигналов в реальном масштабе времени.
Другие необходимые качества МПВ таковы [5]:
♦ число отдельных каналов, входящих в состав многоканальной системы, должно быть минимальным;
♦ недостатки одного канала должны компенсироваться достоинствами другого;
♦ многоканальная система должна допускать автономную работу отдельных каналов;
♦ процесс формирования изображения должен осуществляться в реальном масштабе времени;
♦ отдельные каналы не должны создавать друг другу электрических, электромагнитных, оптических или акустических помех;
♦ необходимо тщательное согласование оптических осей (в ряде случаев с погрешностью менее ±0,1 мрад), углов полей зрения и пространственных изменений отдельных каналов.
Критерием эффективности многоканальной системы является повышение информативности изображения, приводящее к повышению дальности действия при сохранении требуемой вероятности обнаружения и распознания, либо повышение указанной вероятности, либо уменьшение времени решения задачи с помощью этой системы при сохранении требуемых вероятности опознания и дальности действия. Для последующего сравнения и вероятного улучшения возможности одно-канальных визуализирующих систем следующие [3, 5].
Пассивные и пассивно-активные приборы ночного видения (ПНВ) на базе ЭОП и НТВС достаточно просты, сравнительно дешевы, но не способны работать при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО), ухудшенной прозрачности атмосферы и при воздействии световых помех, не обеспечивают точного измерения дальности до объекта. Лазерные активно импульсные (АИ) ПНВ лишены ука-
занных недостатков, но могут работать не во всех туманах, неработоспособны в дымах, имеют ограниченное поле зрения в АИ-режиме, не обеспечивают в нем поиска и демаскируют расположение ПНВ, более дороги, чем пассивные ПНВ.
Тепловизионные приборы (ТПВ) работают при любом уровне ЕНО, при пониженной прозрачности атмосферы, в дыму и в присутствии многих световых помех, но функционируют не во всех туманах и защищены не от всех помех, не обеспечивают точного измерения дальности, их возможности зависят от уровня природных температурных контрастов, зачастую (некоторые) требуют криогенного охлаждения. В МПВ же, в отличие от одноканальных, должны быть преодолены или сведены к минимуму основные их недостатки. Вследствие этого МПВ должны обеспечить повышенные дальности действия (обнаружения и распознания) при наличии угла поля зрения, приемлемого для эффективного во времени поиска и обнаружения, всепогодность и кру-глосуточность работы, функционирование в условиях воздействия световых и пыледымовых помех, измерение дальности, координат, скорости перемещения объекта наблюдения. Совмещению всего множества одноименных координат двух растров (в целях измерения в пространстве координат треков ядерных частиц, детектируемых искровыми и стримерными камерами) посвящены книжные издания [1, 6], статьи и изобретения [7 — 10]. Обобщенная схема МПВ из двух каналов (АИ НТВ и ТПВ) приведена на рис. 1 [5].
Пунктиром обведены блоки, которые могут и не входить в ее состав. Например, для неохлаждаемых ФПУ 4 ТПВ-канала отсутствует блок 8 охлаждения ФПУ, а для ФПУ 4 в виде фокально-плоскостной матрицы отсутствуют блоки 6 развертки изображения и 7 привода. Излучение от объекта и фона поступает во входную оптику I, единую для ТПВ и приемной части АИ НТВ каналов. В ней излучение разделяется по спектру чаще всего с помощью дихроичных оптических поверхностей для ТПВ и АИ НТВ каналов и поступает соответственно в оптические ветви 2, 3 этих каналов, которые формируют изображение на чувствительных площадках ФПУ 4 и на фо-
II ч
Рис. 1. Общая схема двухканального прибора видения: 1 - входная оптика; 2, 3 - оптические ветви каналов ТПВ и АИ НТВ; 4 - ФПУ; 5 - ЭОП; 6 - блок развертки изображения; 7 - привод развертки; 8 - блок охлаждения ФПУ; 9 - блок электронной обработки ТПВ-канала; 10, 19 - видеоусилители; 11, 20 - блоки коррекции изображения; 12 - блок преобразования ТПВ-изображения в ТВ-стандарт; 13 - АРУ; 14 - импульсный лазерный осветитель; 15 - блок стробирования; 16 - оптика переноса; 17 - ТВ-камера; 18 - блок электронной обработки АИ НТВ канала; 21 - ТВ-монитор; 22 - АРУ (АРЯ); 23 - синхрогенератор; 24 - блок ввода данных; 25 - блок автоматического контроля; I - вход излучения от объекта; II - выход лазерного излучения; III, IV - выходы кадровой и строчной синхронизации;
V - выход линии контроля
токатоде ЭОП 5 соответственно. В ТПВ-канале изображение развертывается по кадру с помощью блока 6, управляемого приводом развертки 7. Далее сигнал с ФПУ 4 поступает в блок 9 электронной обработки ТПВ-канала. Здесь он усиливается в видеоусилителе 10, подвергается цифровой обработке и корректировке шумов, геометрических искажений и контраста в блоке 11. АИ НТВ и ТПВ каналы имеют различные законы развертки изображений по кадру и различные ее скорости. Это вызвано тем, что в ТПВ-канале используется главным образом оптико-механический способ развертки по синусоидальному закону с частотой 20...30 Гц, а в НТВ-канале — электронный способ развертки по линейному закону с частотой 50 Гц. Кроме того, НТВ и ТПВ изображения имеют различные форматы кадра. Поэтому блок 9 электронной обработки ТПВ канала содержит специальный
блок 12 сопряжения для преобразования ТПВ-изображения к ТВ-стандарту. Для проведения этой операции сигналы ТПВ-изображения преобразуются в цифровую форму, записываются в оперативных запоминающих устройствах, а затем считываются по строкам в соответствии с ТВ-стандартом. После приведения изображение ТПВ-канала к ТВ-стандарту сигналы с выходов обоих каналов могут быть отображены на едином ТВ-мониторе суммированием видеосигналов. АРУ 13 ТПВ-канала обеспечивает оперативную регулировку его усиления. Импульсный лазерный осветитель 14 АИ НТВ-канала подсвечивает импульсами излучения наблюдаемый объект и запускает блок 15 стробиро-вания, управляющий работой ЭОП 5. Изображение с экрана последнего с помощью оптики переноса 16 передается в ТВ-камеру 17, электрический сигнал с выхода которой усиливается в видео-
усилителе 19, поступает в блок 18 электронной обработки АИ НТВ-канала, обрабатывается в блоке 20 коррекции изображения и передается в ТВ-монитор 21. Блок автоматической регулировки усиления (АРУ) или яркости (АРЯ) 22 регулирует яркость изображения канала. Элементы 5, 16, 17 могут образовывать гибридно-модульный преобразователь изображения (ГМП). Таким образом, на ТВ-мониторе 21 могут быть представлены одновременно широко-польное ТПВ и пассивное НТВ изображения либо узкопольное ТПВ и АИ изображения. Изображения различных каналов попарно сопряжены по масштабу. Синхрогенератор 23 обеспечивает кадровую и строчную синхронизацию работы блоков 16 - 20 и 6 - 12. С помощью блока 24 вводят данные в блоки 9 и 18 электронной обработки (цифровую информацию и символы, необходимые для представления на экран ТВ-монито-
обзор
ра). Блок 25 автоматического контроля прибора контролирует основные параметры обоих каналов, через блок 24 вводя их в ТВ-монитор. Здесь важно подчеркнуть, что обсуждаемые МПВ разделяются как минимум на три большие группы приборов: 1 и 2 — разделяющиеся по электромагнитному спектру (1 — близко отстоящие друг от друга частотные спектры, обсуждаемые, например в [11, 12]; 2 — далеко отстоящие частотные спектры, например [13 — 15]), 3 — разноракурсные (самое простое — измерительные системы событий,
процессов в пространстве, например [6, 16 - 18]).
Наиболее перспективны следующие комбинации (объединения) каналов в МПВ; в [18] их называют многоканальными системами наблюдения - МСН:
♦ высокочуствительная телевизионная система (ВТВС) + тепловизор (ТПВ) + лазерный дальномер (ЛД);
♦ АИПНВ + РЛС + ВТВС;
♦ АИВТВС + РЛС + ТПВ.
Есть и другие варианты объединения двух, трех или четырех каналов в единую систему с совмещением растров передающих телевизионных
устройств (они же приемники — преобразователи фотонов в напряжение
— ток — мощность), что сделано уже [3, 18] и совершенствуется. На 2010
— 2012 гг. известны двух- , трех- и че-тырехканальные МПВ «Циклон OL/ TB» (НИИ «Циклон»), «Зонд» (НИИИН «Спектр»), «Vocord» (НИИ «Vocord»), RAPTOR (Thomson - CSF, Франция), AWMSS (General Dynamics, Канада), SNORE (Delft Sensor System, Голландия), Insight80 (Insight Vision System, США), многоспектрозональные посты «Зверобой», «Форвард», «Гавань» (НПК «Фаворит») и др
Литература
1. Петраков А.В. Совмещение телевизионных растров. - М.: Радио и связь, 1985. - 96 с.
2. Петраков А.В. Совмещение разноспектрозональных и прецизионных телевизионных растров. - М.: РадиоСофт, 2009. -208 с.
3. Волков В.Г. Многоканальные приборы, ночного видения, с использованием, радиолокационного канала./ Спецтехника и связь, 2012. - № 4. - C. 29 - 34; № 5-6. - C. 2 - 8.
4. Баскакова Е.С., Петраков А.В., Федяев Ю.С. Физические основы, утечки видеоинформации техническими каналами. - М.: НИЯУ МИФИ, 2013. - 110 с.
5. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы, улучшения, видимости в сложных условиях. - М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 1999. -286 с.
6. Петраков А.В. Автоматические телевизионные комплексы, для. регистрации быстропротекающих процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 152 с.
7. Петраков А.В., Торбаев В.И., Харитонов В.М. Стабилизация, размеров и пространственного положения растра прецизионной телевизионной системы../ Приборы, и техника эксперимента, 1976. - № 6. - C. 97 - 99.
8. Петраков А.В. Расчет, систематических координатных искажений растра передающей телевизионной трубки./ Техника кино и телевидения, 1977. - № 3. - C. 46 - 49.
9. А.с. № 498759 (СССР). Устройство автоматического контроля параметров растра телевизионной трубки. Петраков А.В./ Бюллетень изобретений и открытий, 1976. - № 1.
10. А.с. № 1154739 (СССР). Способ ориентации растра передающей, телевизионной, трубки, относительно измеряемого объекта. Петраков А.В./ Бюллетень изобретений, и. открытий, 1985. - № 17. - C. 191 (заявлен. 13.07.1970 № 1468229/26 - 9).
11. Петраков А.В. Стабилизация, совмещения, растров цветных телевизионных камер./ Техника кино и телевидения, 1975. - № 2. - C. 47 - 50.
12. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы, с матричными приемниками излучения. - М.: Университетская, книга, Логос, 2007. - 192 с.
13. Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К., Смирнов В.Д. О совместном применении твердотельной приемной аппаратуры миллиметрового диапазона и приборов инфракрасного диапазона./ Труды. 15 Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (март 2007). - М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2007. - C. 133 - 136.
14. Петраков А.В., Федяев Л.С., Кульбака С.С. О высокоточном, опознании телевизионными автоматами./ Т-Comm. Телекоммуникации и транспорт, 2010. - № 10. - C. 76 - 80.
15. Петраков А.В., Федяев Л.С. О высокоточном, совмещении растров в разноспектрозональных системах обнаружения и опознания. Сборник трудов Международной конференции «Современное телевидение» (март 2010). - М.:ФГУП МКБ «Электрон», 2010. - C. 196 - 202.
16. Буланова Т.А., Малафеев В.М., Петраков А.В. Читающие-опознающие автоматы невидимых диапазонов электромагнитного спектра./ Под ред. А.В. Петракова. - М.: РИО МТУСИ, 2008. - 164 с.
17. Шин Д.М., Бернаки Б., Макмакин Д. Современные технологии получения изображения, в миллиметровом диапазоне длин волн повышают, эффективность процедуры, досмотра./ IT and Security News, 2012. - № 23. - C. 6.
18. Ковалев А.А., Ковалев А.В. Технические средства антитеррористической и криминалистической диагностики./ Под ред. В.В.Клюева. - М.: Издательский дом. «Спектр», 2011. - 206 с.
