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.