Проектирование круглосуточной оптико-телевизионной системы (стр. 5 из 12)
o Минимизация размера усредненного (по зрачку и по длинам волн) кружка рассеяния, содержащего 70% энергии.
o Максимальная длина оптической системы, максимальное отношение светового диаметра компонент к их толщине, минимальное расстояние между компонентами, допустимость отклонения от заданного фокусного расстояния.
7) Назначение коррекционных параметров соответственно с п. 2.3.1, 2.3.2.
8) Автоматизированный расчет.
С результатами аберрационного расчета объектива НУТВ и объектива можно ознакомиться в приложении 1.
С конструктивными параметрами объектива ДТВ, его МПФ, и конструктивными параметрами коллиматора ЛОС можно ознакомиться в приложении 2.
Вывод
· Приведено обоснование оптической схемы КТВС.
· Проведен габаритный расчет, который, к сожалению, показывает, что одновременное соблюдение требований ТЗ по габаритам и угловому полю не представляется возможным.
· Проведен расчет сквозной передаточной функции системы. Проведен расчет дальности действия, на основании которого выбрано число лазеров в ЛОС. Расчет показал, что дальность распознавания для ночного канала составляет 6700 м, для дневного – 11000 м.
· Проведен аберрационный расчет, в результате которого были получены конструктивные параметры оптических схем КТВС.
3. Конструкторская часть
3.1 Анализ основных вариантов исполнения КТВС
Рассмотрим основные технические варианты, позволяющие выполнять задачу распознавания цели при изменении естественной освещённости окружающих объектов от 10-4 до 104 лк.
Телевизионная камера на основе ПЗС – матрицы
Современные высокочувствительные видеокамеры на основе ПЗС-матрицы имеют достаточно низкую пороговую освещенность объекта – порядка 10-4 лк. (табл. 1)
Таблица 1. Чувствительность ТВ камер в режиме накопления.
о достигается за счёт:
А) Интегрированного накопления сигнала с нескольких фоточувствительных площадок ПЗС – матрицы, что приводит к снижению разрешающей способности и затруднению задачи распознавания.
Б) Накопления сигнала нескольких кадров, что так же приводит к затруднению задачи наблюдения за обстановкой.
Доведение же порога чувствительности видеокамер до 10-4 лк при сохранении качественного изображения на данный момент является нерешённой в серийном производстве ПЗС-матриц технической задачей.
Поэтому данный вариант исполнения КТВС не отвечает техническим требованиям.
Низкоуровневая телевизионная камера, работающая в круглосуточном режиме.
Структурная схема такого прибора приведена на рис. 1.2.1
Рис. 10. Структурная схема КТВС.
Рассчитаем динамический диапазон освещённости фотокатода ЭОП. Примем "комфортный" уровень наблюдения обстановки, не приводящий к выгоранию фотокатода, равным 10-1 лк. Тогда динамический диапазон
(37)Применим фотохромный жидкостный светофильтр. Его динамический диапазон равен отношению коэффициентов пропускания в "затемнённом" и "просветлённом" состоянии
(38)Тогда динамический диапазон изменения площади открытой части ирисовой диафрагмы камеры
(39)Диапазон изменения диаметра входного зрачка:
(40)При диаметре входного зрачка Dmax = 250 мм :
мм(41)Такое соотношение приводит к:
1) Высоким требованиям к конструкции ирисовой диафрагмы.
2) Сильному вкладу дифракции в кружок рассеяния объектива. При фокусном расстоянии объектива 1307 мм на длине волны излучения 0,85 мкм обусловленный только дифракцией размер кружка рассеяния будет равен:
мм(42),чтосовершенно недопустимо.
Вывод: оптимальным вариантом реализации КТВС является система с двумя каналами наблюдения (дневным и ночным), переключение между которыми осуществляется при определённом уровне освещённости, определяемом оператором.
Анализ основных вариантов исполнения НУТВ.
Выделим два основных эргономических требования к такой системе:
1) Удобство наблюдения. Оператор должен иметь возможность наблюдать сцену на мониторе, в комфортных для своего зрительного анализатора условиях.
2) Возможность цифровой обработки для улучшения изображения и процесса распознавания.
Очевидно, что единственной системой ночного канала, удовлетворяющей этим требованиям, будет НУТВ – низкоуровневая телевизионная система.
Рассмотрим разные варианты реализации НУТВ.
1. Наиболее простое решение - присоединение к ПНВ вместо окуляра телекамеры. Некоторые ПНВ комплектуются адаптерами для присоединения телекамер, легко осуществляемого самим пользователем прибора.
С помощью специальных адаптеров экран ЭОП может быть оптически сопряжен с матрицей ПЗС ТВ видеокамеры. Это достигается с помощью оптики переноса изображения. Это позволяет получить изображения на электронных носителях, упрощает и ускоряет процесс создания изображений, их тиражирования, допускает их обработку в реальном масштабе времени или с накоплением информации. При этом ПНВ выполняют в виде малогабаритной насадки для фото- или видеокамеры. Для того чтобы перенести изображение с экрана ЭОП ПНВ на светочувствительный элемент фото- или видеокамеры, чаще всего применяют линзовые адаптеры, которые входят в комплект ПНВ. Типичная оптическая схема такого адаптера дана на рис. 21. Адаптеры называют линзами Релея. Они могут переносить изображение в масштабе 1:1, либо с увеличением 1,5 – 2,5х, либо с уменьшением до 0,5х. Уменьшение часто бывает необходимо для согласования линейных полей зрения экрана ЭОП и матрицы ПЗС, а также для повышения ее освещенности. Относительное отверстие адаптера может быть от 1:1,5 до 1:6, фокусное расстояние от 15 до 40 мм.
2. Использование ЭОП и ПЗС матрицы в одном приборе. ПЗС – матрица с электронной чувствительностью, TEP-фотокатод.
Разработка таких систем стала возможна благодаря созданию ЭОП с фотокатодом на основе барьеров Шоттки – так называемым ТЕР-фотокатодом (ТЕР – Transferred Electron Photocathode). На рис. 22 представлена кривая спектральной чувствительности ТЕР-фотокатода (кривая 1) в сравнении с кривой чувствительности обычного фотокатода ЭОП III поколения. Принимая во внимание меньшую чувствительность ТЕР-фотокатода, представляется целесообразным использовать его в ТВ-камере на базе ПЗС с электронной бомбардировкой. На рис. 23 представлена схема построения такой ТВ-камеры, где 1 – ТЕР-фотокатод; 2 – поток электронов; 3 – вакуумированный объем; 4 – матрица ПЗС; 5 – видеоусилитель; 6 – жидкокристаллический (ЖК) ТВ-монитор. Разработана ТВ-камера с форматом 2/3 дюйма, числом пикселей 768х244, при частоте кадров 60 Гц. Предельная разрешающая способность ТВ-камеры составляет 45 л/мм. При работе ТВ-камеры в течение 12000 часов чувствительность фотокатода падает на 50%. ТВ-камера допускает режим стробирования. Это позволяет использовать ее совместно с импульсным лазерным осветителем, генерирующим на длине волны 0,85 мкм, в качестве активно-импульсной ТВ-системы. При этом время фронта и среза импульса строба не превышает 100 нс. При напряжении 2 кВ коэффициент усиления камеры свыше 150. В ТВ-камере отсутствуют обычные для ЭОП III поколения микроканальная пластина и волоконно-оптические детали, снижающие качество изображения. Видеосигнал с выхода матрицы ПЗС (4) усиливается в видеоусилителе (5) и поступает в ЖК ТВ-монитор (6), на экране которого создается ТВ-изображение.
3. Использование ЭОП и ПЗС матрицы в одном приборе. Перенос изображения с экрана ЭОП на чувствительный слой ПЗС-матрицы осуществляется проекционным объективом.
Функциональную схему такого устройства можно представить следующим образом:
Рис. 11. Функциональная схема ночного телевизионного канала.
Объектив 1 - приемный объектив; ЭОП - электронно-оптический преобразователь; объектив 2 - проекционный объектив; камера - видеокамера с ПЗС.
Электронно-оптический преобразователь предназначен для формирования на люминесцентном экране ЭОП усиленного по яркости изображения.
Проекционный объектив переносит изображение с люминесцентного экрана ЭОП на ПЗС телевизионной камеры.
Видеокамера с ПЗС формирует телевизионный сигнал ночного канала.
Видеокамера с ФПМ ПЗС формирует полный телевизионный видеосигнал, который по кабелю связи поступает в блок электронной обработки и в комплекс средств автоматики. Из блока обработки полный видеосигнал в аналоговом виде поступает на блок индикации.
4. Использование ЭОП и ПЗС матрицы в одном блоке. Перенос изображения с экрана ЭОП на чувствительный слой ПЗС-матрицы осуществляется волоконной пластиной.
Функциональную схему такого устройства можно представить следующим образом:
Расчёт таких систем почти аналогичен расчёту предыдущей.
Преимущество: в десять раз больший КПД переноса. Если проекционным объективом переносится порядка 6% светового потока, то ВОП переносится порядка 60% светового потока, излучаемого люминофорным экраном ЭОП.
Рис. 12. Функциональная схема ночного телевизионного канала.
ЭОП - электронно-оптический преобразователь с люминесцентным экраном на выходе; ВОП - волоконно-оптическая пластина; S1, S2, S3 - оптические сигналы: S1 - от объекта наблюдения и фона; S2 - от люминесцентного экрана ЭОП; S3 - после прохождения через ВОП; S4 - электрический сигнал на выходе ФПМ ПЗС.