Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г.

Оптико-электронные системы визуализации невидимых человеческому глазу изо­бражений, создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазо­нах спектра, находят широкое применение в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства. Целью визуализации обычно является обеспечение возможности восприятия человеком информации об окружающем мире или об отдельных объектах в удобном для него виде - в оптических образах или изображениях.

В настоящее время наиболее распространены инфракрасные системы визуализации, т. е. системы, принимающие сигналы в инфракрасной области спектра и преобразую­щие их в видимые изображения. Во многом это объясняется тем, что именно в этой об­ласти сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения боль­шинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения.

Следуя рекомендациям ряда международных и отечественных организаций, зани­мающихся научно-технической терминологией (Международная комиссия по освеще­нию, Комитет научно-технической терминологии Российской академии наук и др.), в книге отдано предпочтение терминам «инфракрасная система» и «оптико-электронная система визуализации», хотя довольно распространенное сегодня название «тепловизи- онная система», по мнению авторов, имеет право на использование.

В конце 90-х годов XX в. начался новый этап развития инфракрасных систем (ИКС), что было вызвано, в первую очередь, заметным совершенствованием и, как следствие, расширением применения двумерных (матричных) многоэлементных приемников из­лучения (МПИ), позволяющих реализовать методы электронного сканирования и про­странственной выборки инфракрасных изображений, т. е. отказаться от оптико­механических сканирующих устройств. Опрос отдельных элементов МПИ с после­дующей обработкой получаемых при этом электрических сигналов принято называть «смотрящим» режимом работы, а сами системы - системами «смотрящего» типа {star­ing systems).

Наряду с созданием МПИ высокого разрешения и большого формата на развитие ИКС «смотрящего» типа, называемых часто ИКС 3-го поколения, заметное влияние ока­зало и оказывает разработка новых полноформатных ПЗС - и КМОП-схем считывания и первичной обработки сигналов с отдельных элементов МПИ. Дальнейший прогресс ожи­дается в связи с совершенствованием малогабаритных неохлаждаемых двумерных МПИ, появлением новых оптических материалов и элементов, снижением массы, габаритов и энергопотребления и, конечно же, с уменьшением стоимости этих систем.

Продолжается интенсивное развитие теории и методов расчета и проектирования ИКС «смотрящего» типа, что связано не только с совершенствованием их элементной базы, но и с необходимостью учитывать ряд новых факторов, а также решать новые, не встречавшиеся ранее задачи и даже проблемы, связанные, например, с резким увеличе­нием объема информации, которую нужно обрабатывать в реальном масштабе времени, с особенностями пространственной и временной выборки высокого разрешения и ряд других.

Ведущие в научно-техническом отношении страны постоянно увеличивают расходы на исследования в области формирования и визуализации инфракрасных изображений. Так, по данным журнала «Photonics Spectra» (2001. № 9. C. 104) еще в 2000 г. Мини­стерство обороны США инвестировало в эти исследования и разработки более милли­арда долларов (в Японии и Великобритании подобные инвестиции составили 182,4 и 150 млн долл. соответственно). Ряд появившихся в 2001-2003 гг. сообщений позволяет говорить о качественном скачке в развитии ИКС и прежде всего систем «смотрящего» типа.

Все отмеченное определяет большой интерес широкого круга потребителей к ИКС «смотрящего» типа. Очевидно именно этим в первую очередь объясняется огромное, увеличивающееся с каждым годом число публикаций, посвященных разработке, иссле­дованиям и применению таких систем. Ежегодно только под эгидой Международного общества по оптической технике (SPIE) проходит несколько представительных между­народных конференций по тематике, непосредственно связанной с ИКС «смотрящего» типа. Издаются десятки сборников трудов этих конференций. В 2001-2002 гг. за рубе­жом вышли в свет несколько монографий, посвященных этим системам.

В то же время в нашей стране появляется очень мало информации об ИКС вообще и «смотрящего» типа в частности, что не соответствует интересу к их развитию и исполь­зованию при решении весьма широкого круга важных проблем и задач. Практически нет монографий, посвященных ИКС третьего поколения.

Авторы поставили перед собой задачу устранить, по возможности, этот пробел. По­тенциальные читатели, являющиеся разработчиками или пользователями ИКС, а также просто интересующиеся этой весьма интересной отраслью современного оптико­электронного приборостроения, могут задаться вопросами: какая ИКС наилучшим об­разом решает ту или иную практическую задачу, каковы возможности современных ИКС и каковы перспективы их развития. При этом читатель на первом этапе может ин­тересоваться не деталями расчета и проектирования отдельных звеньев системы, а дос­таточно общими принципами ее построения и возможностью получения требуемых по­казателей качества системы при существующей или-имеющейся в его распоряжении элементной базе. Подробное описание процесса проектирования ИКС, позволяющее полностью выполнить разработку этих систем, выходит за рамки настоящей книги и не соответствует ее назначению. В то же время в отдельных главах книги приводятся оп­ределенные сведения (формулы, таблицы, графики, рекомендации и т. п.), позволяющие использовать инженерный подход и простые методы расчета для решения часто встре­чающих задач по схемотехническому и параметрическому анализу и синтезу рассмат­риваемых ИКС. Поэтому авторы не стремились углубляться в области физики, техники и технологии ИКС и использовать сложный математический аппарат, требуемый для полного и всестороннего описания работы ИКС и их отдельных звеньев. Они предпо­чли достаточно популярно изложить принципиальные схемотехнические и конструк­тивные особенности этих систем, учитывая возможность заинтересованного читателя обратиться к многочисленным монографиям и статьям, где эти вопросы подробно изла­гаются. Кроме того предполагается, что наиболее заинтересованный в практическом использовании материалов этой книги читатель знаком с основами оптико­электронного приборостроения, т. е. с основами оптики, физики полупроводников, электроники, метрологии в объеме дисциплин, преподаваемых в средних профессио­нальных учебных заведениях и на младших курсах технических вузов.

Основное внимание в настоящей книге уделено аспектам визуализации инфракрас­ных изображений. Широко известные в медицине и научных исследованиях системы визуализации изображений, получаемых в рентгеновском и ультрафиолетовом участках спектра, здесь не рассматриваются, прежде всего, в силу специфики физики излучения в этих диапазонах и соответствующей элементной базы. В то же время необходимо от­метить, что ряд рассматриваемых в книге вопросов может быть полезен и для разра­ботчиков и потребителей систем, работающих не только в инфракрасном, но и в других участках оптического диапазона.

То же самое можно сказать об ИКС, в основе работы которых лежит активный ме­тод, например, метод активно-импульсной подсветки наблюдаемых объектов и сцен ла­зерным излучением, поскольку им также свойственна своя специфика, не рассматри­ваемая в данной книге. Заинтересованный читатель может обратиться к достаточно обширной литературе, где рассматриваются такие системы [27, 51, 151 и др.].

Основной материал книги разбит на 14 отдельных глав. В гл. 1 приводятся варианты классификации и рассматриваются структурные схемы наиболее распространенных ИКС. Краткому изложению физических основ инфракрасного излучения и способов учета влияния атмосферы на оптические сигналы, переносимые этим излучением, по­священы главы 2 и 3.

Основные, наиболее часто используемые на практике критерии качества ИКС рас­сматриваются в гл. 4, где основное внимание уделено критериям, характеризующим пространственное и температурное разрешение системы. В гл. 5 приводятся зависимо­сти, позволяющие рассчитать важнейшие из этих критериев.

Главы 6-11 посвящены отдельным звеньям ИКС «смотрящего» типа. В гл. 6 описы­ваются особенности оптических схем, используемых в таких ИКС, приводятся сведе­ния о материалах оптических систем, даются простейшие рекомендации по выбору оп­тической системы ИКС «смотрящего» типа. Глава 7 содержит сведения о современных матричных приемниках излучения и фотоприемных устройствах на их основе, рабо­тающих в инфракрасном диапазоне. Материал гл. 7 должен дать читателю возможность сопоставить приемники различных типов и выбрать наиболее подходящий для решения той или иной практической задачи. Здесь же очень кратко описываются системы охла­ждения, обеспечивающие работу многих фотоприемных устройств. Специфическим приемникам излучения - электронно-оптическим преобразователям, телевизионным трубкам и пириконам, которые наряду с функцией приема и преобразования потока ис­пользуются и для первичной обработки изображения, - посвящена гл. 8.

Процессы обработки сигналов в системах «смотрящего» типа рассматриваются в гл. 9. Здесь, в основном кратко, рассмотрены теоретические аспекты такой обработки и ее особенности, свойственные ИКС «смотрящего» типа. В гл. 10 более подробно опи­саны процессы обработки сигналов в электронном тракте ИКС, а в гл. 11 - последний этап преобразования сигнала в системе - получение видимого изображения и его оцен­ка зрительным аппаратом человека-наблюдателя.

Главы 12 и 13 посвящены испытаниям и исследованиям ИКС «смотрящего» типа, а также компьютерному моделированию, играющему все большую роль в процессе их проектирования.

В последней, гл. 14 книги приводятся примеры эффективного использования ин­фракрасных систем в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства. Глава завершается обзором основных тенденций развития ИКС.

Работа над книгой потребовала обобщения и критического анализа огромного коли­чества публикаций (монографий, статей, сообщений и т. п.), рекламных и подобных им материалов отечественных и зарубежных организаций и фирм, многие из которых во­шли в библиографию, завершающую книгу.

В книге приводится много таблиц параметров и характеристик ИКС «смотрящего» типа и их основных узлов и элементов. Эти таблицы составлялись на основе данных, содержащихся в большом числе опубликованных источников информации. В ряде та­ких источников не дается информация о том, является ли фирма, публикующая эти данные, их изготовителем или используются полностью или частично разработки дру­гих фирм.

Иногда в различных публикациях не совпадают данные о параметрах и характери­стиках отдельных систем, маркируемых одинаково. В ряде случаев это объясняется различиями в назначении и условиях эксплуатации систем, состоящих из одних и тех же модулей (объектив, многоэлементный приемник излучения, электронный тракт, система обработки или отображения получаемой информации). В других случаях такие несовпадения обусловлены некоторой модернизацией однотипных модулей, предпри­нимаемой фирмой, которая не является их разработчиком, но создает на их основе свои системы (порой даже не указывая в своих проспектах и других рекламных материалах разработчика основных элементов этих систем). Иногда это объясняется разницей во времени опубликования результатов тех или иных разработок или исследований ИКС и выходом этих изделий на рынок.

В процессе создания книги авторы в течение последних трех лет постоянно обсуж­дали структуру отдельных глав, для каждой из них совместно принимали решение о наиболее рациональном варианте, наконец, постоянно вместе корректировали содержа­ние книги, стремясь не отставать от непрерывно растущего потока публикаций по рас­сматриваемой тематике. Поэтому выделить вклад каждого из соавторов в подготовку и написание того или иного раздела книги весьма трудно, а упреки за недостатки и недо­четы, которые, естественно, могут выявиться при чтении книги объективно настроен­ным читателем, авторы предпочитают делить поровну.

Авторы широко пользовались советами и помощью своих друзей и коллег, чьи мно­гочисленные и нелицеприятные замечания очень помогали в процессе создания книги. Нам особенно хотелось бы поблагодарить кандидатов технических наук А. Е. Здобни- кова и П. В. Бирюлина, чьи советы и замечания к главам 7, 9 и 10 авторы постарались учесть в максимально возможной степени. Большой вклад в подготовку рукописи к пе­чати внесли И. А. Хромова, М. А. Дубенская, О. Б. Яковлев, которым авторы также при­носят свою глубокую искреннюю благодарность.

Авторы признательны профессорам, докторам техн. наук Э. Д. Панкову и Л. Ф. Пор - фирьеву, а также кандидату техн. наук О. В. Смолину за ценные предложения и замеча­ния, сделанные в процессе рецензирования рукописи книги.

Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПИРОВИДИКОНЫ (ПИРИКОНЫ)

Передающую телевизионную трубку с пироэлектрической мишенью в качестве чув­ствительного слоя называют пировидиконом или пириконом. Принцип действия и конст­рукция пировидикона аналогичны принципу действия и конструкции видикона. Здесь фоточувствительный катод заменен пироэлектрической …

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ИКС «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА

Структурная схема обработки сигналов в ИКС «смотрящего» типа на рис. 9.1 более подробна, чем та, что в самом общем виде рассматривалась в гл. 1. Входной аналоговый оптический сигнал, условно представленный …

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

Практически в любой ИКС происходит выборка отдельных значений непрерывного аналогового сигнала, т. е. преобразование его в дискретную форму. В ИКС «смотряще­го» типа пространственную выборку изображения выполняет многоэлементный прием­ник излучения. Необходимое …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.