Лазерные оптические локационные системы

В основе работы лазера лежит свойство системы возбужденных атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда) способна усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с так называемой инверсией населенностей, когда число атомов на возбужденном энергетическом уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.

Рассмотрим основные типы лазеров. Их подразделяют по следующим признакам.

· По типу активной среды — газовые, жидкостные и твердотельные, в том числе полупроводниковые.

· По режиму излучения — непрерывные, однократные и импульсные.

· По диаграмме направленности — лучевые (гелиево-неоновые, руби­новые и другие с углом диаграммы направленности < 0,01°) и секторные

· (полупроводниковые с углом диаграммы направленности 1...40°).

· По мощности излучения — малой, средней и пиковой мощности.

Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются дальномеры.

Рис.5 LRM 2000 PRO Лазерный дальномер Newcon Optik (Канада)

CONDTROL Mettro 100 Pro Дальномер лазерный

Промышленно выпускаются твердотельные импульсные ла­зерные дальномеры на основе алюмоиттриевого граната с неодимом.

Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).

Рис. 5. Твердотельный лазер (23)

Используются такие дальномеры преимущественно в военном деле.

Наряду с твердотельными лазерами в дальномерах также применяют га­зовые инфракрасные лазеры с активной средой из Аг, Не—Nе и СО2, имею­щие высокий КПД, низкую чувствительность к фоновым излучениям и сла­бое затухание сигнала в воздушной среде.

В большинстве конструкций головка содержит лазерный диод мощностью 2... 10 мВт, оптическую схему для фокусировки и управления положением фо­кального пятна, а также фотоприемники. Малое по размеру фокальное пятно используется для перемещения головки по дорожке оптического диска, а так­же для точного поддержания заданного расстояния между ним и фокусирую­щей линзой. Это обеспечивается системой автофокусировки, которая позво­ляет отслеживать осевые биения диска в допускаемых пределах (± 0,5 мм).

Глубина резкости лазерной головки определяется зависимостью:

где NА — безразмерная величина, используемая для выражения разре­шающей способности высокоточных оптических систем.

Рис 6. Конструкция лазерной головки

К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микрофоны, принятые на вооружение спецслужбами еще в 60-х годах XX в.

Сверхчувствительный лазерный микрофон представляет собой портативное средство акустической разведки, которое сегодня широко используется во многих сферах жизнедеятельности.

Рис. 7 Сверхчувствительный лазерный микрофон

Достоинства оптронных и лазерных ОЛС:

· малая постоянная времени (до 50 не),

· широкий диапазон и высокая точность измерении,

· возможность измерения геометрических характеристик движу­щихся объектов

· высокая надежность и прочность кон­струкции.

Недостатки:

· Низкая помехозащищенность и чувствительность к отражающим свойствам объектов,

· температурная зависимость светового потока

· Для оптронных ОЛС также характерна малая оптическая мощность.

Основы технического зрения

Существенной особенностью СТЗ является необходимость формирова­ния изображения объекта, которое представляет собой распределение ам­плитуды его двумерной функции яркости Y(X, у).

Распознавание образов в СТЗ, как и у человека, осно­вывается на признаках, полученных при анализе частичных изображений. По назначению СТЗ условно можно разделить на два класса: прикладные, предназначенные для обработки простых изображений с заданным быстро­действием; универсальные, позволяющие анализировать сложные изобра­жения с использованием принципов искусственного интеллекта¹.

Современные СТЗ подразделяют по трем основным признакам: 1) по сложности решаемых задач — мощные, средние, малые и персональные; 2) по структуре вычислительного процесса — однопроцессорные, много­процессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки; 3) но типу первичного преобразователя — одномерные ID, дву­мерные 2D, подвижные двумерные KlD и трехмерные 3D.

Процесс преобразования информации в СТЗ можно представить в виде шес­ти основных этапов:

1) ввод (восприятие) информации, т. е. получение изображения рабочей сцены с помощью датчиков;

2) предварительная обработка изображения с использованием методов подавления шума;

3) сегментация, т. е. выделение на изображении одного или нескольких представляющих интерес объектов сцены;

4) описание, т. е. определение характерных параметров (размеров, фор­мы и т. д.) каждого объекта, необходимых для его выделения на сцене;

5) распознавание, или идентификация, объекта, т. е. установление его принадлежности к некоторому классу деталей

6) интерпретация, т. е. выявления принадлежности объекта к группе рас­познаваемых.

В соответствии с тем, какие этапы преобразования информации реали­зуются в конкретной системе, ее можно отнести к СТЗ высокого, среднего или низкого уровня. Так, задачи, решаемые СТЗ низкого уровня, ограничи­ваются восприятием и предварительной обработкой информации. В СТЗ среднего уровня решаются задачи сегментации, описа­ния и распознавания отдельных объектов.

Датчики изображения

В настоящее время промышленно выпускают датчики изображения для самых разных целей (производственных, медицинских, военных и др.).

Датчик изображения Toshiba T4K37 разрешением 13 Мп предназначен для мобильных устройств

Рис. 8 Датчик изображения Toshiba T4K37 для мобильных устройств

Рис 9. Самый большой в мире датчик изображения типа CMOS из пластины диаметром 200 мм

Независимо от назначения и принципа действия все они содержат оптоэлектронный преобразователь, служащий для преобразования сфокусированного оптического изображения в электрический видеосигнал. Это изображение формируется в ЧЭ преобразователя, который изменяет свое состояние под действием излучения объекта. Если излучение лежит в диапазоне длин волн X = 0,38...0,78 мкм (видимый свет), датчик относится к классу видеокамер, если в диапазоне 0,78...1000 мкм — к классу телевизионных инфракрасных камер.

Датчики изображения подразделяют по трем основным признакам:

1) по размерности — точечные (фотоэлементы), одномерные (линейки) и двумерные (матрицы);

2) по способу преобразования светового сигнала — вакуумные (видико-пы, диссекторы и др.) и твердотельные (датчики на основе приборов с заря­довой связью и фотодиодов);

3) по рабочему диапазону длин волн — датчики, работающие в диапазо­не видимых волн, инфракрасные (в том числе тепловые) и специальные.

Основными характеристиками датчиков изображения являются: Разрешающая способность(разрешение) характеризует свойство датчи­ка изображения {телекамеры) к воспроизведению мелких деталей.

· ЧувствительностьS телекамеры характеризуется минимальной освещен­ностью рабочей сцены, при которой обеспечивается заданная разре­шающая способность.

· Спектральная характеристика телекамеры зависит от материала ЧЭ се оп-тоэлектроиного преобразователя (рис. 6.12). Промышленно выпускают телекамеры, работаюпше в диапазоне видимого света, ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах.

Передающие вакуумные электронно-лучевые прибо­ры.

Их отличительной особенностью является использование сфокусированного в электронный луч потока электронов, взаимодействующего с мишенью (фотокатодом) из свето­чувствительного материала, на которую проецируется изображение рабочей сцены.

Электронный луч формируется электронным прожектором, а его движение регулируется с помощью фокусирующей отклоняющей системы, реализующей развертку луча по поверхно­сти мишени.

В зависимости от способа съема сигнала различают два основных типа передающих ЭЛП: без накопления заряда (диссекторы) и с накоплениемния заряда (суперортиконы и видиконы).

Диссектор¹ обладает наивысшими среди всех передающих ЭЛГТ чувствительностью и быстродействием. Принцип действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. его достоинством является возможность формирования различных траекторий развертки.

К недостаткам диссектора можно отнести его сравнительно большие габаритные размеры.

Рис.10.Ультразвуковой медицинский диссектор Sonoca 300

Суперортикон представляет собой высокочувствительный передающий ЭЛП с несколькими каскадами усиления, работающий по принципу накоп­ления зарядов. Изображение переносится с фотокатода Суперортиконы, как и диссекторы, способны работать практически в пол­ной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размера­ми, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким диа­пазоном изменения освещенности. В настоящее время суперортиконы ис­пользуют во многих телевизионных системах.

Самый распространенный вакуумный датчик изображения — видикон³ представляет собой малогабаритный передающий ЭЛП с накоплением заря­да, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.

Рис. 12. Видикон ЛИ441

Видиконы до настоящего времени широко используют для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствитель­ность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80 ... +120 С), радиационная стойкость. К недостаткам видиконов необ­ходимо отнести инерционность, значительные размеры и хрупкость.

Улучшить характеристики видикона можно путем увеличения его коэф­фициента усиления и использования мишеней с малой постоянной времени.

Малоинерционный видикон с мишенью из кристаллического кремния.

Рис 13. Кремникон

Пировидикон - передающий электронно-лучевой прибор класса видиконов, чувствительный к тепловому излучению.

Рис 14. Пировидикон