Инфракрасные системы «смотрящего» типа

КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

В основу классификации многообразных инфракрасных систем (ИКС) могут быть положены различные признаки, а иногда и показатели эффективности или качества их работы. К числу таких признаков относятся следующие.

Назначение или область применения ИКС. Сегодня эти системы широко и с ус­пехом используются в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства: в военном деле, при исследовании природных ресурсов, в медицине, при дистанцион­ном зондировании и экологическом мониторинге, в картографии, при контроле состоя­ния инженерных сооружений, в энергетике и др.

В ряде случаев выделяют две группы ИКС, к одной из которых относят системы, предназначенные для визуализации инфракрасных изображений (тепловизионные сис­темы), а к другой - системы, служащие для радиометрических измерений, т. е. для из­мерений температуры объектов, их яркости и других параметров (радиометрические системы). В настоящей книге преимущественно рассматриваются вопросы, относящие­ся к ИКС первой из этих групп.

В [142] предлагается различать четыре подгруппы тепловизионных систем:

- профессионального телевидения и любительская аппаратура;

- технического (машинного) зрения;

- для научных исследований;

- военного назначения.

Системы первой подгруппы должны отвечать ряду требований, предусмотренных стандартами для вещательного телевидения и бытовой аппаратуры. Так, формат кадра (число разрешаемых по горизонтали и по вертикали элементов) должен соответство­вать полосе частот, обусловленной телевизионным стандартом. Для получения удовле­творительного изображения достаточно 8 бит (256) уровней передачи яркости - уровней серого. Обычно при этом требуется цветное изображение. Системы должны работать в реальном масштабе времени, причем выходным устройством для них является экран сис­темы отображения (дисплей, монитор). Часто не предъявляются высокие запросы к чув­ствительности (к отношению сигнал-шум). Иногда такие ИКС используются в качестве систем второй и третьей подгрупп.

Системы технического зрения позволяют определять пространственное положение, форму, параметры движения различных объектов, часто в сложных эксплуатационных условиях (при высокой температуре, большой влажности и т. д.). Они используются в машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле. Для них, как правило, не­обязательно следование стандартному телевизионному формату, но требования к про­странственному и временному разрешению могут быть велики, хотя и не всегда. Обыч­но в этих системах достаточно квантования по яркости порядка 8 бит. Иногда важна цветность изображения. Здесь требования к пороговой чувствительности системы так­же сравнительно невелики, так как в большинстве случаев возможна подсветка наблю­даемых объектов. Такие ИКС чаще всего функционируют в реальном масштабе време­ни, причем срок непрерывной работы может быть весьма велик.

Системы для научных исследований и медицины должны, как правило, обладать высоким пространственным (до 5000x5000 элементов) и энергетическим (до 16 бит) разрешением и иметь малый уровень собственных шумов. К ним часто причисляют системы для исследования природных ресурсов и экологического мониторинга, хотя их можно отнести и ко второй группе ИКС. Для многих из таких ИКС не обязательна ра­бота в реальном масштабе времени, т. е. выходной сигнал можно записывать на носи­тель в виде фотопленки, магнитной ленты, CD-диска, а не наблюдать на экране в про­цессе работы ИКС.

Системы военного назначения функционируют, как правило, в реальном масштабе времени, хотя у некоторых из них отображаемая информация фиксируется на жестком носителе. К таким ИКС относятся системы наземной, воздушной и космической раз­ведки, системы обнаружения всевозможных целей (в том числе определение координат пусков ракет), системы управления огнем, системы сопровождения и опознавания це­лей, головки самонаведения ракет, навигационные системы и др. Они должны обладать высоким пространственным разрешением, обеспечивать высокий контраст в условиях низкой освещенности объектов, иметь высокое энергетическое разрешение (до

10.. . 12 бит), малый уровень собственных шумов и высокое быстродействие.

Иногда эту классификацию расширяют, говоря об ИКС военного или гражданского (коммерческого) применения.

Спектральный диапазон оптического сигнала, приходящего на вход ИКС и со­держащего информацию о наблюдаемом объекте или явлении. Инфракрасный диа­пазон оптического излучения волн с длинами 0.76...1Q00 мкм часто разделяется на от­дельные поддиапазоны (см., например, табл. 1.1). Некоторые ИКС работают одновре­менно в нескольких поддиапазонах.

Метод работы ИКС. Как и другие оптико-электронные системы, ИКС могут дейст­вовать по собственному отраженному излучению наблюдаемых или контролируемых объектов и/или по отраженному от них излучению, создаваемому естественными источ­никами, например Солнцем (пассивный метод), либо по отраженному или рассеиваемому объектом излучению, искусственно создаваемому специальным источником (активный метод). Примером ИКС первого типа являются «бесподсветочные» системы переднего обзора (forward looking infrared или FLIR-системы), второго - лазерные системы видения (системы с «подсветкой» объекта лазерным излучением ИК-диапазона). Иногда исполь­зуется полуактивный метод, когда облучается («подсвечивается») сравнительно широкое угловое поле, в котором находится не один, а несколько объектов [61].

Способ анализа наблюдаемого или контролируемого пространства. Обычно ис­следуемое или контролируемое пространство (поле, плоскость) анализируется путем пространственной и пространственно-временной выборки параметров оптического сиг­нала (яркости, освещенности) в отдельных участках этого пространства, т. е. путем ска­нирования, хотя известны простейшие ИКС, например достаточно широкоугольные про­стейшие системы обнаружения невидимых человеческому глазу излучателей, где можно обойтись без сканирования. Сканирование (одноэлементное, параллельное и последова­тельное [34, 40, 61]) может проводиться в пространстве объектов или их изображений и различаться по ряду характерных признаков (траектории сканирования, закону сканиро­вания и ряду других). В последние десятилетия часто говорят об ИКС «смотрящего» типа и о сканирующих ИКС, относя к первым системы, в которых для анализа поля использу­ют аналоги органов зрения живых существ - многоэлементные матричные приемники оптического излучения (focal plane array - FPA), а ко вторым - системы с относительным взаимным перемещением изображения анализируемого поля и одноэлементного, а чаще многоэлементного приемника в виде линейки отдельных чувствительных элементов. Хо­тя такая терминология представляется не вполне строгой, так как в большинстве случаев и в системах «смотрящего» типа выполняется не одновременный анализ сигналов, сни­маемых со всех элементов матричного приемника, а последовательная по времени про­странственная их выборка, порой по достаточно сложному закону, однако она установи­лась в литературе, и в дальнейшем мы будем ее придерживаться.

Способ обработки информации. Обычно на вход ИКС поступает аналоговый пер­вичный оптический сигнал, который затем подвергается аналоговой, цифровой или смешанной обработке. В последние годы предпочтение отдается цифровой обработке, при которой обеспечивается большая устойчивость сигнала к помеховым воздействи­ям, лучшее качество системы передачи и воспроизведения изображения.

Тип преобразователя оптического сигнала в электрический (тип приемника оптического излучения, часто являющего и первичным анализатором изображе­ния). Это один из наиболее значимых признаков классификации ИКС, которая может

Базироваться как на физическом принципе работы приемника излучения, так и на осо­бенностях его конструкции. Здесь различают: электронно-оптические преобразователи (ЭОП); фотоэлектровакуумные передающие телевизионные трубки с накоплением или без накопления сигналов; многоэлементные твердотельные приемники оптического из­лучения (тепловые и фотонные, охлаждаемые и неохлаждаемые, болометрические, фо­тодиодные, фоторезисторные и др.). Поскольку сегодня именно приемник-преобразо­ватель оптического сигнала во многом определяет возможности и критерии качества работы ИКС, в том числе и такие важные, как технико-экономические, именно на этом признаке классификации будет строиться дальнейшее изложение материала.

Вид выходного устройства (системы отображения информации). Требуемая конкретным назначением ИКС форма представления выходного сигнала определяет вид системы отображения или, в более общем случае, выходного устройства, которым может быть приемная телевизионная трубка, дисплеи различного типа, наконец, элек­тронно-вычислительная машина (ЭВМ, компьютер). Выбор выходного устройства или системы отображения часто во многом определяется свойствами зрительного аппарата человека-наблюдателя или оператора.

Очевидно, можно использовать и другие классифицирующие признаки, например технико-экономические и конструктивные параметры и характеристики ИКС. Так, различают ИКС с системой охлаждения и без таковой, поскольку от наличия или от­сутствия системы охлаждения приемника излучения и всего фотоприемного устройст­ва (ФПУ), в которое он входит, заметно зависят важнейшие технико-экономические параметры и характеристики ИКС - габариты и масса, энергопотребление, срок непре­рывной работы, время выхода на рабочий режим после включения, наконец, стои­мость.

Часто по совокупности отдельных свойств и особенностей ИКС и их отдельных звеньев, прежде всего по конструктивным признакам, параметрам и характеристикам, различают системы различных поколений, например ЭОП 1, 2, 3 и 4-го поколений или ИКС в целом 1, 2, 3 и 4-го поколений (ИКС с одноэлементным приемником излучения и оптико-механическим мультиплексированием выходного сигнала; ИКС с оптико­механическим сканированием, приемником в виде линейки чувствительных элементов и оптико-электронным мультиплексированием выходного сигнала; ИКС «смотрящего» типа с матричным приемником и ИКС «смотрящего» типа с матричным приемником, работающим в нескольких спектральных диапазонах).

Некоторые перечисленные признаки классификации используются на этапах систе - мо - и схемотехнического проектирования ИКС, другие - на этапах параметрического анализа и синтеза этих систем. Важно помнить, что классификация - не самоцель, а од­но из средств обобщения системного методологического подхода к созданию новых и модернизации имеющихся систем, при котором используются единые методы расчета, проектирования, исследования и эксплуатации ИКС.

Основные задачи, решаемые с помощью оптико-электронных систем визуа­лизации. Как уже отмечалось, применения ИКС весьма разнообразны. Однако можно выделить ряд типовых задач, решаемых с их помощью. Для ИКС, предназначенных для обнаружения объектов, наблюдения за ними, их распознавания, такими задачами являются:

Обнаружение - установление в процессе просмотра пространства наличия опреде­ленного объекта в угловом поле ИКС или на экране системы отображения, в [151] встречается термин «чистое обнаружение» (pure detection), обозначающий обнаружение для двухальтернативной ситуации «что-то присутствует» (в угловом поле или на экране монитора) и «ничего нет»; такая ситуация при ее оценке сводится к дискриминацион­ному обнаружению, при котором делается выбор одного из двух решений: наблюдае­мый объект есть интересующая нас цель или наблюдаемый объект есть что-то другое, например участок фона или помеха);

Классификация - фиксация того факта, что обнаруженный объект принадлежит к не­которому достаточно широкому классу, например к классу наземной военной техники или к классу летательных аппаратов и т. п.;

Распознавание - установление принадлежности объекта к сравнительно узкому классу (типу), например, что объект является не просто объектом военной техники, а танком или автомобилем, самолетом или вертолетом и т. п.;

Идентификация - конкретизация вида (типа) объекта внутри его класса, например определение модели (марки) танка, самолета и т. п.

Иногда совокупность всех этих задач несколько упрощенно называют обнаружени­ем или распознаванием.

Решением всех указанных задач является получение статистических оценок, по­скольку практически все ИКС работают в условиях случайных изменений сигналов, поступающих от обнаруживаемых или распознаваемых объектов, на случайно изме­няющихся фонах, при наличии помех и шумов, также описываемых случайными функ­циями. Поэтому для оценки процессов обнаружения, классификации, распознавания и идентификации применяются вероятности правильного или неверного решения постав­ленной задачи.

Многие современные ИКС одновременно с решением указанных задач или их сово­купности предназначены для измерения координат объектов (пеленгации или локации) в статическом и динамическом (следящем) режимах, для целеуказания объектов или других задач. Примером служат ИКС переднего обзора (FLIR-системы), широко ис­пользуемые для обзора передней полусферы с борта летательного аппарата.

Во многом успешное решение перечисленных задач зависит от эффективности вы­деления характерных признаков объекта: спектра его излучения, формы и размеров его изображения, временного характера излучения, ориентации в пространстве и др., т. е. от выделения параметров и характеристик многомерного оптического сигнала - носителя информации об объекте.