Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра оптико-электронных приборов и систем Г.Н. Грязин

СИСТЕМЫ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)

Санкт-Петербург

2003 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ

2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ

5. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Телевизионные системы, предназначенные для общего обзора пространства и поиска в нем интересующих наблюдателя объектов, составляют основную группу систем прикладного телевидения, как по количеству выпускаемой и вновь проектируемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач. Обзорные (наблюдательные) системы служат для визуального наблюдения и для автоматического обнаружения и опознавания объектов и могут быть черно-белыми, стереоскопическими, цветными, аналоговыми или цифровыми.

С точки зрения экономической целесообразности желательно, чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, то есть быть в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает необходимость автоподстройки режима функционирования системы при изменении внешних условий наблюдения, таких как освещенность, расстояние до объекта и других. Универсальность использования характерна в основном для аппаратуры так называемого промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серийно. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу входят специализированные системы: подводные, малокадровые, фототелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Режим их функционирования выбирается обычно исходя из необходимости решения относительно узкого круга задач.

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ

К промышленным телевизионным установкам принято относить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения и контроля за различного рода объектами, находящимися на улице, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях банков, станциях метрополитена и т.д. Универсальность ПТУ позволяет применять их в системах охранной сигнализации, системах технического зрения и в качестве датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной особенностью ПТУ является работа в режиме стандартного разложения с чересстрочной разверткой. ПТУ, как правило, предназначены для работы в видимом диапазоне излучений, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолетовый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.

Структурные схемы современных ПТУ весьма разнообразны и отличаются в основном набором элементов, количество и назначение которых диктуется выполняемыми задачами и допустимой, с позиций заказчика, стоимостью аппаратуры.

На рис. 10.1 представлена схема установки, в комплект которой входят четыре передающие камеры (ПК), два видеоконтрольных устройства (ВКУ), видеомагнитофон (ВМ), два пульта управления (ПУ) и видеокоммутационный центр (ВКЦ). На ВКУ2 одновременно можно наблюдать изображения со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор изображения с любой камеры осуществляется вручную или по заданной программе. Видеомагнитофон подключается с любого пульта управления для регистрации интересующего наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав аппаратуры могут включаться поворотные устройства камер, видеообнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства маскировки камер и т.д. В зависимости от окружающей среды камеры могут термостатироваться, помещаться в герметичные, пылебрызгозащитные, рентгенозащитные или иные специальные корпуса.

В настоящее время в качестве фотопреобразователей для передающих камер ПТУ применяются как трубки класса видикон, так и матрицы ПЗС. Передача полного ТВ сигнала, формируемого в камере, производится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, занимаемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции одной из несущих частот, стандартизированных в ТВ вещании. В последнем случае для воспроизведения изображений оказывается возможным использовать обычные телевизоры, а длина кабеля может достигать одного километра и более.

Передающие камеры ПТУ, как правило, комплектуются предприятиями-изготовителями стандартными объективами, предназначенными для работы в фото- и киноаппаратуре, хотя такую практику с технической точки зрения и нельзя считать оптимальной по следующим причинам. Во-первых, хроматические аберрации таких объективов корректируются в области спектральной чувствительности кинопленки, существенно отличающейся от спектральной чувствительности большинства телевизионных фотопреобразователей. Во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учитывается, что проецирование изображения на фоточувствительную производится в телевизионных камерах через переднее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло матрицы ПЗС. При этом световые пучки, падающие под углами к оптической оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что ухудшает разрешающую способность системы. Это явление сказывается тем больше, чем шире угол зрения объектива. В связи с этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объективов, специально предназначенных для вещательного телевидения и в обозначение которых добавляется буква «Т», например, «МИР-10Т». Однако эти объективы рассчитаны в основном для работы с трубками типа суперортикон, имеющими значительно больший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и матрицы ПЗС. Следует отметить, что в настоящее время практикуется выпуск матриц со стекловолоконным входом вместо обычного стекла, что позволяет легко сочленять их с ЭОПами.

При согласовании параметров передающей камеры ПТУ с условиями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать вопрос о выборе объектива или о соответствии установленного в камере объектива требованиям, вытекающим из решения поставленных задач. В первую очередь выбор объектива следует производить, исходя из заданного или заранее рассчитанного угла зрения камеры, связанного с фокусным расстоянием соотношением

где bф - ширина изображения на фотослое, в0 - угол зрения в горизонтальной плоскости.

Аналогично

,

где hф - высота изображения, б0 - угол зрения в вертикальной плоскости.

Предварительный выбор углов в0 и б0 следует производить с учетом того, что на краях поля зрения изображение получается менее резким и ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусного расстояния, так и от относительного отверстия D/f. Для определения угла резкого изображения вр можно воспользоваться эмпирическим соотношением



На основании выражений (10.1) и (10.2) окончательно устанавливается необходимый угол зрения объектива и его фокусное расстояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходящий объектив.

Определенную универсальность передающей камеры, позволяющую легко переходить от широких полей зрения, обеспечивающих общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознавание объекта, придает вариобъектив. Промышленностью выпускается широкий набор вариобъективов, пригодных для использования с видиконами, имеющих размер мишени 12,7x9,5. Эти объективы обладают значительным диапазоном фокусных расстояний. Следует однако иметь ввиду, что применение вариооптики значительно увеличивает габариты и вес камеры, а при наличии устройства дистанционного управления объективом и усложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае может служить использование узкопольного объектива и поворотного устройства, на котором крепится камера, позволяющая последовательно осуществлять широкий обзор пространства.

Практически во всех передающих камерах ПТУ предусматриваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых яркостей. В связи с этим укажем, что динамический диапазон большинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не превышает 50 - 100 , а матриц ПЗС - 1000. Вместе с тем для универсального применения передающих камер может понадобиться расширение динамического диапазона до 104-105. С этой целью в камерах на видиконах применяют устройства авторегулирования напряжения на сигнальной пластине, а в камерах на ПЗС - авторегулирование времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объектива и регулировку пропускания специальных светофильтров, устанавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регулирующих устройств заключается в том, чтобы при изменения освещенности объекта внутри заданного диапазона значения видеосигнала не выходили за пределы действующего рабочего участка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наиболее светлой градации яркости должен оставаться примерно постоянным. Отметим, что применение оптических методов и регулировки времени накопления зарядов направлено на стабилизацию экспозиции, сообщаемой ФЭП, в то время как регулировка потенциала сигнальной пластины видикона приводит к изменению положения светосигнальной характеристики и ее крутизны (рис. 3.10), то есть, в конечном счете, световой чувствительности трубки.

Существует ряд способов автоматической регулировки напряжения на сигнальной пластине видикона при изменении его освещенности. Один из них иллюстрируется схемой с пиковым детектором на входе (рис. 10.2). Видеосигнал размахом 1,5- 2,0B поступает на пиковый детектор (диоды VD1 иVD2 и конденсатор С2), напряжение с которого поступает на базу усилителя постоянного тока, а с выхода последнего - на сигнальную пластину видикона. Увеличение освещенности трубки приводит к повышению уровня видеосигнала и напряжения на базе транзистора, что способствует уменьшению его сопротивления и, следовательно, уменьшению напряжения на выходе устройства (рис. 10.3). Резистор R служит для установления первоначального напряжения на сигнальной пластине Uсп. Недостатком схемы является опасность возникновения самовозбуждения в предварительном усилителе, который оказывается связанным со схемой автоподстройки. Чтобы ликвидировать этот недостаток, рекомендуется вводить управляющее напряжение вместо сигнальной пластины в катод видикона.

Для управления диафрагмой объектива может использоваться видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное напряжение с которого после усиления поступает на балансную дифференциальную схему (рис. 10.4). При изменении освещенности фотопреобразователя сигнал также изменяется, и на выходе балансной схемы образуется управляющее напряжение соответствующего знака.

В рассмотренных случаях стабилизация тока сигнала в пределах ± 20% осуществляется при изменении освещенности объекта до 500 раз.

В более широких пределах изменения освещенности (примерно до 104 раз) можно стабилизировать ток видикона с помощью различных электрооптических светофильтров, изменяющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с использованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, широкими пределами регулировки светопропускания, но требует подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает большим светопоглощением. Светофильтры на основе светохромных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до нескольких секунд) управляются низкими напряжениями, измеряемыми единицами вольт.

В импульсных системах стабилизацию выходного сигнала можно осуществить, изменяя длительность экспонирования фотопреобразователя, для чего перед ним устанавливается электрооптический затвор. В качестве последнего можно применить электронно-оптический преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В суперкремниконе в качестве электронного затвора используют секцию переноса изображения, в которую добавляют специальный электрод.

Регулировку времени накопления зарядов с целью стабилизации величины видеосигнала удобно осуществлять в матрицах ПЗС путем автоматического управления длительностью импульсов, поступающих в накопительную секцию. На рис. 10.5, а представлена схема управления, примененная в камере КТП-79 и позволяющая стабилизировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от 4 до 20 лк.

Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью, зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход операционного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью пикового детектора VD1, VD2, C5 видеосигнал преобразуется в постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоянного тока (операционный усилитель У2). Величина выходного напряжения регулируется резистором R4, изменяющим чувствительность схемы. С выхода УПТ напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе У3. На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на транзисторах VT1 и VT2 и конденсаторе С6 (транзистор VT2 служит для стабилизации тока заряда конденсатора с целью повышения линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами U1, как это показано на рис. 10.5,б. В момент времени t1 происходит сравнение двух напряжений U2 и U3 и на выходе компаратора формируется двухполярный сигнал управления U4, который затем ограничивается диодом VD4 и преобразуется в однополярный сигнал U5.

К числу автоматических устройств, применяемых в передающих камерах ПТУ, относятся устройства автоматической фокусировки объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения. Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно применять в случаях, когда глубина резко изображаемого пространства недостаточна, например, при использовании длиннофокусных объективов. Критерием расфокусировки обычно служит информация о резкости или детальности изображения, которым в видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составляющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошибки) указанную информацию необходимо иметь как минимум при двух положениях объектива. На рис. 10.6 представлена структурная схема системы автофокусировки, в которой в качестве характеристики управления используется детальность многоградационного изображения, определяемая как

,

где Uс - напряжение видеосигнала, Tк - время кадра.

Принцип действия системы основан на том, что в сфокусированном состоянии объектива детальность изображения должна быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается на формирователь Ф, в котором производятся операции дифференцирования, усиление и ограничение в соответствии с заданным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограничения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2. Делитель частоты уменьшает количество импульсов напряжения до величины, отвечающей емкости счетчиков. Счетчики служат для суммирования импульсов и запоминания величины Du. В счетчике С1 запоминается значения детальности, соответствующее одному положению объектива, в счетчике С2 - другому положению. Для получения второго значения необходимо переместить объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периодической посылкой специального испытательного сигнала. Оба значения детальности сравниваются между собой в устройстве сравнения УС и в зависимости от знака полученного результата объектив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с помощью исполнительного устройства ИУ.

Недостатком рассмотренного устройства является ухудшение условий наблюдения при испытательных перемещениях объектива. Поэтому рекомендуется предусматривать в телевизионном датчике по возможности отдельный канал автофокусировки.

В случае если наблюдателя интересует один или несколько конкретных объектов, расстояние до которых может изменяться независимо от общей обстановки, можно использовать метод автофокусировки объектива, основанный на применении импульсного лазерного дальномера. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в направлении объекта пучок ИК лучей малой расходимости. Отраженный сигнал принимается фотоприемником и полученная информация после обработки используется для формирования управляющего сигнала.

Применение в телевизионном датчике импульсного светодальномера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить специальные регулировки, направленные на сохранение постоянного масштаба изображения, т.е. его размеров и осуществление беспропускного режима наблюжения в малокадровых и импульсных телевизионных системах при непрерывном изменении расстояния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения способствует решению задач обнаружения, опознавания и контроля параметров различных объектов, а также необходимо при использовании телевизионной системы для картирования местности, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решении других задач.

На рис. 10.7 показана структурная схема устройства управления вариообъективом, позволяющая поддерживать постоянство масштаба изображения путем изменения фокусного расстояния, т.е. угла зрения оптической системы. Входные импульсы, поступающие от светодальномера, временной интервал между которыми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирователь ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямоугольный импульс, который в схеме совпадения СС заполняется тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ. Получающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобразуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов счетчика должно выбираться в зависимости от необходимой точности преобразования расстояния до объекта в двоичный код. Цифровой сигнал декодируется затем в ЦАП и в аналоговой форме через усилитель У управляет приводным устройством ПР вариообъектива ВО.

Применение в устройстве управления двойного преобразования типа «аналог-код» и затем «код-аналог» позволяет достаточно простыми средствами и с заданной точностью осуществлять регулировку фокусного расстояния вариообъектива а широком интервале изменения расстояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.

ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Применение телевизионной аппаратуры для наблюдения за объектами, находящимися вне помещений, требует учета влияния атмосферы на дальность наблюдения. При определении дальности наблюдения за удаленными объектами следует учитывать, что, во-первых, происходит ослабление лучистой энергии воздушной средой и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе системы. Последнее обстоятельство обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и, как правило, является определяющим дальность наблюдения h.

Контраст на входе системы наблюдения равен

или, поскольку L0=Eс/р, Lн=Ew/ р,

,

где K0 -контраст объекта с фоном, L0- яркость объекта или фона (большее значение), Lн - яркость насыщенного слоя атмосферы (яркость неба у горизонта), с - коэффициент отражения объекта или фона, w- - коэффициент погоды, е - показатель ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км, Е - освещенность объекта и фона.

Коэффициентом погоды w называется отношение яркости Lн неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой поверхности, освещенной суммарным дневным светом. Коэффициент погоды зависит от метеорологических условий и может быть как меньше, так и больше единицы.

Из второго уравнения находится искомая дальность наблюдения:

На рис. 10.8 представлены расчетные графики, отвечающие выражению(10.3).

2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Подводное телевидение широко применяется для проведения различных морских исследований. К их числу относится поиск затонувших судов и всевозможных предметов, съемка шельфа морского дна в прибрежных районах, изучение подводной флоры и фауны, обследование строящихся и эксплуатируемых подводных сооружений, в том числе плотин гидроэлектростанций, колес гидротурбин и т.д. Решение этих задач производится с помощью специальных телевизионных систем, располагающихся на подводных и надводных судах, в батисферах и батискафах. Следует отметить, что первые опыты по применению телевидения для подводных наблюдений были проведены в СССР проф. П.В. Шмаковым в 1935 году.

ГИДРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Существующие принципы построения подводных телевизионных систем основаны на учете оптических свойств воды, однозначно определяющих дальность видения под водой. Прозрачность воды зависит от многих факторов, таких как глубина, время года, наличие планктона, течений и др.

Прозрачность воды на практике принято оценивать максимальной глубиной, на которой оказывается предельно различимым стандартный белый диск диаметром 30 см, опускаемый вертикально к поверхности моря. Несмотря на субъективность метода, он широко применяется в океанографических исследованиях. Ориентировочные данные о прозрачности воды, измеренной по белому диску, приведены ниже.

Максимальная глубина видимости белого диска, м

Белое море........................................…… 8

Балтийское море...........................……… 13

Баренцево море............................………. 18

Черное море…………………………….. 25

Индийский океан……………………….. 50

Тихий океан…………………………….. 59

Саргассово море………………………... 66

Объективной характеристикой прозрачности воды является коэффициент прозрачности ф, определяемый законом Бугера:

, (10.4)

где Цф и Ц0 - прошедший через слой x и падающий световые потоки соответственно, е- показатель ослабления света в воде.

Формула (10.4) справедлива для однородной среды. Для неоднородной среды показатель ослабления является функцией расстояния, и тогда

,

где l - полная протяженность слоя воды.

Показатель ослабления е равен сумме показателей поглощения к и рассеяния у, т.е. . Прологарифмировав выражение (10.4), получим формулу для показателя ослабления, ln/м

.

, ,

где фп фр - коэффициенты прозрачности при наличии поглощения и рассеяния света в воде.

Существует приближенная эмпирическая формула, установленная для белого света и связывающая показатель ослабления с глубиной видимости белого диска zу, взятой в метрах:

При гидрооптических расчетах часто пользуются понятием показателя вертикального ослабления естественного света г, который всегда меньше показателя е: г= еP, где P- параметр, зависящий от формы индикатриссы рассеяния и так называемой вероятности выживания фотона Л. Индикатриссой рассеяния называют график распределения рассеиваемых в воде световых лучей по углам. На рис.10.9 показаны примеры индикатрисс рассеяния, нормированных к единице при б=90?, и характер изменения направленного светового потока Ц0 после прохождения его через слой воды. Как видно из рисунка, индикатриссы рассеяния воды имеют вытянутый в переднюю полусферу характер. Это обстоятельство благоприятно сказывается на освещенности более глубоких слоев воды, так как рассеянные лучи создают их дополнительную подсветку.

На рис. 10.10 показаны спектральные кривые показателя ослабления е, показателя рассеяния у и показателя поглощения к для Каспийского моря. Из графика е = f (л) следует, что наименьшему ослаблению света в воде подвергаются синие и зеленые лучи. Коротковолновая часть спектра претерпевает большое ослабление из-за сильного рассеяния, а длинноволновая часть - из-за сильного поглощения.

Ярко выраженные рассеивающие свойства воды приводят к значительному ослаблению контраста при переносе изображения из плоскости объекта в плоскость фотопреобразователя передающей телевизионной камеры. Контраст изображения объекта с фоном на входе фотопреобразователя Квх связан с действительным контрастом объекта К0 соотношением

,

где Eд - освещенность фотопреобразователя, создаваемая рассеивающей дымкой, E0 - освещенность фотопреобразователя от объекта или фона (большее значение).

Освещенность от дымки может быть найдена путем суммирования потоков, обратно отраженных от засвеченных слоев воды толщиной dz- каждый и направленных на фоточувствительную поверхность площадью Sф:

где расстояния z, h и h0 показаны на рис. 10.11.

Подынтегральную функцию можно привести к виду

где x(р) - значение индикатриссы рассеяния в направлении р («назад»), соб и D - коэффициент пропускания и диаметр входного зрачка объектива, x- отрезок, показанный на рис. 10.11.

Освещенность слоя dz, находящегося на расстоянии z от объектива:

где I0- сила света источника освещения в осевом направлении, lz = z/cosш - расстояние по оси от источника до слоя dz.

Расчетные формулы, полученные на основе выражений (10.5)-(10.7), приведены в главе 11.

Из формулы (10.7) следует, что освещенность Eд зависит не только от рассеивающих свойств воды, но и от относительного расположения источника освещения объекта и передающей камеры с объективом О, (рис. 10.11). Для уменьшения влияния дымки, необходимо уменьшать область пересечения поля зрения объектива и диаграммы направленности источника освещения И (на рис. 10.11 эта область заштрихована). Желательно, чтобы источник освещения располагался на расстоянии не ближе, чем 2-3 метра от камеры. На рис. 10.12 представлены графики, характеризующие зависимость величин Eд. и Kвх от расстояния между камерой и источником света b.

При наблюдении объекта на фоне толщи моря контраст K0 может быть рассчитан по формуле

,

где r0 - коэффициент яркости объекта, rм - :коэффициент яркости моря, rм = 0,02-0,05.

Под коэффициентом яркости моря понимают отношение яркости диффузного излучения, идущего из толщи моря непосредственно под его поверхностью под заданным углом, к яркости идеально белой матовой поверхности, освещенной естественным светом.

Существенно влияние водной среды на изменение масштаба изображения, передаваемого подводной телевизионной системой. Это явление объясняется разницей в показателях преломления воды n1 = 1,33 и воздуха n3 = 1. Если передающая камера помещена в батисферу, снабженную плоским иллюминатором, то согласно рис. 10.13 будут справедливы следующие соотношения

, ,

где n2 - показатель преломления стекла иллюминатора.

Отсюда следует, что угол ц1 будет меньше угла ц3, т.е. угол зрения передающей камеры, помещенной в воду, оказывается меньше угла зрения той же камеры, расположенной в воздухе. Это обстоятельство приводит к увеличению масштаба передаваемого изображения (рис.10.14). Изменение угла зрения предающей камеры будет зависеть от его абсолютного значения в воздухе. Если, например, 2ц3 = 62? (объектив типа Ю-12 ), то для воды 2 ц1 = 44,6?, т. е. угловое поле зрения камеры снижается в 1,38 раза.

В тех случаях, когда уменьшение поля зрения нежелательно, рекомендуется применять сферический иллюминатор. При этом оптический центр объектива должен быть точно совмещен с центром радиуса кривизны сферы, что представляет определенные технологические трудности. При несовпадении обоих центров появляются дополнительные искажения, которые особенно существенны для лучей, падающих под большими углами.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

В большинстве случаев подводная телевизионная система должна обеспечить максимально возможную дальность наблюдения (исключение составляют некоторые системы наблюдения за гидротехническими сооружениями и ряд других). Из рассмотрения гидрооптических характеристик следует, что для увеличения дальности передачи необходимо применять мощные источники освещения объекта, излучающие световую энергию в зелено-голубой части спектра, а также предусмотреть специальные меры для уменьшения влияния рассеивающей дымки на контраст передаваемого изображения. Выполнению этих условий в значительной степени способствует использование лазерной техники.

Существует два основных принципа построения лазерно-телевизионных систем: принцип сканирования лазерного луча в пространстве объектов и принцип пространственного стробирования. Принцип сканирования лазерного луча реализуется в системе "бегущий луч", прием отраженного сигнала в которой производится одноэлементным фотоприемником, как правило, фотоумножителем. Размер элемента разложения будет определяться углом начальной расходимости лазерного луча, а угол обзора - углом поля зрения фотоприемника. Существуют системы, в которых узкое поле зрения фотоприемника сканируется совместно со сканированием лазерного луча. Размер элемента при этом будет аналогичным предыдущему, а угол обзора равен углу сканирования.

Сущность пространственного стробирования заключается в выделении интересующего наблюдателя участка пространства путем освещения его световыми импульсами, длительность которых выбирается из условий

, ,

где Дh - глубина стробируемого участка пространства, c0 - скорость света, h - расстояние до стробируемого участка, tз - длительность затворного импульса.

Осуществление метода пространственного стробирования производится запиранием многоэлементного фотопреобразователя системы на все время, кроме времени непосредственного воздействия отраженного от заданного участка пространства светового импульса на фоточувствительный элемент. При этом уменьшается по времени воздействия влияние рассеивающей дымки на накопитель фотопреобразователя и повышается контраст входного изображения.

На рис. 10.15 приведена структурная схема импульсной лазерно-телевизионной системы, работающей по принципу пространственного стробирования, в соответствии с которой наблюдаемый объект освещается световым потоком, излучаемым лазером со стороны зеркала 1. Одновременно импульс света со стороны зеркала 2 создает с помощью фотоголовки электрический импульс, запускающий после формирования схему регулируемой задержки. Задержанный на время, равное 2h/ С0 ,импульсный сигнал, в свою очередь, запускает устройство формирования импульсов электрооптического затвора с помощью которого регулируется процесс накопления в передающей трубке ПТ или ПЗС. Частота излучения световых импульсов лазера синхронизируется с частотой кадровой развертки.

Для импульсных лазерно-телевизионных систем могут быть использованы два типа зелено-голубых лазеров - газовый и твердотельный. Газовые лазеры, выполненные на основе инертных газов, имеют большую частоту следования, достигающую нескольких тысяч импульсов в секунду, но относительно малую импульсную мощность (до нескольких десятков кВт) и низкий к.п.д. Наибольшее распространение получили лазеры на стекле, легированном неодимом. Эти лазеры генерируют световые импульсы длительностью порядка 10-20 нс с частотой следования до 50-60 импульсов в секунду. Длина волны излучаемой энергии л =1,06 мкм, мощность в импульсе до 20 МВт и более. Для получения длины волны л = 0,53 мкм эти импульсы подают на монокристаллы ниобата лития или дигидрофосфата калия, играющие роль удвоителя частоты. Мощность импульсов после удвоения частоты излучения (мощность второй гармоники) снижается до 1-2 МВт.

Существенную роль в рассматриваемых системах играет длительность затворного (стробирующего) импульса tз. Наибольшая эффективность работы системы получается, если этот импульс совпадает по длительности С излучаемым световым импульсом tэ,. который после возвращения экспонирует фотопреобразователь. В случае tз > tэ увеличивается влияние рассеивающей дымки, приводящей к снижению контраста входного изображения. Если tз < tэ, то часть энергии отраженного импульса будет расходоваться бесполезно, т. е. не участвовать в образовании зарядового рельефа на накопителе фотопреобразователя.

3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

К телевизионным системам летательных аппаратов (ЛA) относятся системы, располагающиеся на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах дальнего космоса. Функции, выполняемые подобными системами чрезвычайно разнообразны. Применение телевидения на атмосферных ЛА обычно преследует цели наблюдения за земной или морской поверхностью, поиск, обнаружение и измерение тех или иных параметров отдельных объектов, либо съемку участков местности. Распространение получила аппаратура космического телевидения, охватывающая следующие области применения:

космическую видеосвязь (космовидение),

научное исследование объектов космического пространства,

наблюдение за облачным покровом Земли и исследование ее природных ресурсов,

видеоконтроль функционирования систем космических кораблей и управление космическими кораблями.

Космическая видеосвязь предполагает обмен визуальной информацией между обитаемыми космическими кораблями c одной стороны и между космическими кораблями и Землей с другой стороны.

Системы для научных исследований и метеорологические системы служат для сбора и передачи телевизионной информации из ближних и дальних областей космоса на Землю. Носителями такой аппаратуры являются ИСЗ и аппараты дальнего космоса, на которых отсутствует человек. Начало научному исследованию космического пространства было положено в 1959 г. станцией "Луна-3", с помощью которой удалось получить изображения обратной стороны Луны. С 1965 г. начались телевизионные исследования Марса и Венеры. В 1986 г. были проведены телевизионные съемки кометы Галлея, осуществленные в рамках международного проекта "Вега".

Широкое распространение получили космические программы исследования природных, ресурсов Земли. Для этих целей используются спутники типа «Метеор-Природа», «Космос», станции «Салют» и «Мир», американские аппараты серии «Лэндсет». Задачи, решаемые в рамках этих программ, группируются по четырем направлениям: океанологии, гидрологии, геологии, лесному и сельскому хозяйству. Для выполнения различных конкретных задач наблюдения и фотометрических измерений широко используется спектрозональная телевизионная аппаратура, позволяющая получать информацию о малоконтрастных объектах в различных областях спектрального диапазона излучений.

Существенное значение приобрели системы видеотелеметрии, с помощью которых осуществляется контроль за работой различных систем космического корабля и управление его полетом. В последнем случае с помощью телевидения автоматически определяются координаты корабля, осуществляется его посадка и маневрирование.

Особое место занимает ретрансляция широковещательных и служебных программ телевидения с помощью спутников - ретрансляторов. При этом ретрансляция может осуществляться по цепи Земля - Космос - Земля, Космос - Космос - Земля и другими путями.

Широта использования телевизионных систем ЛА, особенно в научных исследованиях, предопределяет различие в принципах построения аппаратуры и ее характеристиках. Так, системы, предназначенные для исследования Луны должны передавать информацию при освещенностях ее поверхности от 135 тыс. люкс до 0,75 люкс и контрастах отдельных объектов от 0,01 до ? 1. К системам для обзора земной поверхности предъявляются более низкие требования к широте динамического диапазона передаваемых яркостей, но зато особое значение приобретает необходимость наблюдения в реальном времени.

По отдельным техническим признакам телевизионные системы ЛА можно разделить на следующие группы:

с электронными и оптико-механическими развертками;

с накопителями электронно-пленочного и фотопленочного типа;

без накопления энергии, со строчным и кадровым накоплением;

пассивные и активные;

с одновременными и раздельными во времени процессами накопления и считывания информации;

широкополосные и узкополосные системы;

замкнутые и открытые (с радиолинией связи).

К электронным телевизионным системам относятся все системы с передающими трубками и твердотельными фотопреобразователями, работающие как с накоплением, так и без накопления энергии. Системы с оптико-механическими развертками строятся либо на принципе сканирования лазерного луча в пространстве объектов (системы «бегущего луча»), либо на принципе механической развертки изображения с помощью зеркальных барабанов, вращающихся призм и т.д. Оптико-механические развертки относятся к разряду «медленных» разверток и используются главным образом в узкополосных системах.

В системах с накоплением энергии применяются как электронно-пленочные накопители, используемые в передающих трубках и твердотельных фотопреобразователях, так и фотопленочные накопители. Последние употребляются в фототелевизионных системах, изображение объекта в которых вначале регистрируется на фотопленке, а затем, после ее обработки, считывается механическим или электронным путем и преобразуется в видеосигнал.

По времени накопления энергии системы подразделяются на системы без накопления энергии (диссекторные, с лазерным или оптико-механическим сканированием), со строчным и кадровым накоплением. Строчное накопление энергии используется в системах с однострочной разверткой. Вертикальная развертка в этом случае осуществляется за счет поступательного движения ЛА.

Телевизионные системы ЛА, как и любые другие оптико-электронные системы, подразделяются на активные и пассивные, т.е. использующие искусственную подсветку объекта. Очевидно, что подсветку можно использовать лишь на сравнительно малых расстояниях, характерных только для атмосферных ЛА.

Обычные телевизионные системы, применяемые в вещательном и прикладном телевидении, работают в режиме, когда процесс экспонирования изображения на фоточувствительную поверхность и процесс коммутации мишени, сопровождающийся образованием видеосигнала, происходит одновременно. Однако в малокадровых, импульсных и фототелевизионных системах эти процессы оказываются разделенными во времени: сначала производится экспонирование накопительного элемента фотопреобразователя (в импульсных системах - кратковременное, в остальных случаях - любое), затем считывание информации по памяти и, наконец, при необходимости - стирание остаточного потенциального рельефа для подготовки накопителя к новому циклу работы.

Все телевизионные системы ЛА условно разделяются на узкополосные и широкополосные, причем границей между ними установлена максимальная частота видеосигнала 100 кГц. Широкополосные системы используются главным образом для наблюдения за земной поверхностью и ее облачным покровом с самолетов и ИСЗ, имеющих орбиты до 10 км. Узкополосные телевизионные системы служат для передачи информации из дальнего космоса, причем сокращение полосы частот при ограниченной мощности передатчика позволяет увеличить дальность действия системы в тысячи раз.

Большинство телевизионных систем ЛА являются системами открытого типа, т.е. служат для передачи информации по радиоканалу. Однако на борту самолетов и космических аппаратов могут использоваться и замкнутые системы, выполняющие вспомогательные функции, которые облегчают управление носителем и сбор научной информации.

МАЛОКАДРОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Малокадровые телевизионные системы получили широкое распространение в качестве средств наблюдения за земной поверхностью с космических и атмосферных ЛА. Малокадровые системы используются также в видеотелефонах и системах технического зрения. Для уяснения преимуществ малокадрового метода передачи изображений напомним, что обычная многокадровая система обладает огромной пропускной способностью: при 5•105 элементах изображения и 10 градациях яркости, которые может принять каждый элемент, количество информации, передаваемое за 0,04 с (время одного кадра), составляет N = 5•105log210 дв. ед. Такое количество информации, которое не может быть воспринято зрительным анализатором за столь малый промежуток времени, поскольку пропускная способность зрения в сотни тысяч раз меньше, передается только для того, чтобы создать иллюзию слитности движения наблюдаемых объектов и устранить мелькание воспроизводимых изображений. Если отказаться от этих требований, можно за счет увеличения времени передачи кадра намного сократить пропускную способность системы, уменьшив полосу пропускаемых видео- и радиотрактом частот и одновременно повысив помехоустойчивость системы. При этом устраняется сильная в многокадровых системах межкадровая корреляционная связь.

Таким образом, сущность малокадрового метода заключается в накоплении и передаче только тех изображений, которые существенно различаются по смысловому содержанию. Пример передачи изображений в малокадровой системы иллюстрирован рис. 10.16. Поступательно движущийся носитель (самолет, вертолет)просматривает земную поверхность последовательно расположенными участками, величина которых в направлении движения l=VT, где V - скорость движения носителя, Т - период экспонирования фотопреобразователя, равный времени передачи одного кадра. Время экспонирования фотопреобразователя tэ выбирается таким, чтобы скоростное смазывание изображения, ухудшающее его качество, не превышало определенных, наперед заданных, пределов. Таким образом, при заданной площади захвата наблюдаемой поверхности частота смены кадров должна однозначно определяться скоростью движения носителя. Воспроизведение передаваемых изображений осуществляется на кинескопе с длительным послесвечением или с помощью специального устройства памяти.

Для обеспечения беспропускного режима работы рассмотренной системы удобно использовать вариообъектив. В случае изменения высоты полета h (рис. 10.16) необходимо для поддержания постоянства величины l изменять фокусное расстояние вариообъектива f? в соответствии с формулой f?=dh/l, где d - размер фоточувствительной поверхности фотопреобразователя. Эта регулировка осуществляется автоматически с помощью управляющего напряжения, связанного с изменяющимся расстоянием h.

Если кроме высоты может изменяться также и скорость полета носителя, то для поддержания постоянства размера наблюдаемого поверхности l необходимо прибегнуть к изменению частоты экспонирования фотопреобразователя Fэ, поскольку l = V/ Fэ.

Автоподстройка величин f? и Fэ, осуществляется с помощью специального блока управления, алгоритм функционирования которого зависит от возможности изменять частоту экспонирования плавно или дискретно. Если пределы изменения частоты экспонирования ограничены, что характерно для многих активных систем, а скорость V становится чрезмерной, то для обеспечения беспропускного режима наблюдения приходится увеличивать размер участка l, уменьшая при этом масштаб изображения. Очевидно, что эта операция осуществляется путем уменьшения фокусного расстояния f?.

Из сказанного следует, что малокадровая система относится к разряду узкополосных систем с покадровым накоплением и разделенными процессами записи и считывания :информации, т.е. накоплением и коммутацией потенциального рельефа в передающей трубке. Для реализации этого режима используются как специальные видиконы, способные удерживать зарядный рельеф на все время его коммутации, тик и матричные ПЗС.

Малокадровый метод передачи изображений был осуществлен в целях получения снимков Луны и Марса, а также облачного покрова Земли. На рис. 10.17 представлена структурная схема телевизионной аппаратуры, установленной на метеорологических спутниках системы «Meтеор». В системе, предназначенной для регистрации облачного покрова на освещенной стороне Земли, используются две передающие камеры на видиконах с памятью, обеспечивающие работу системы в малокадровом режиме. Полный цикл работы передающей трубки 60 с: время экспонирования 0,025-0,04 с, время считывания информации 10 с и время подготовки (стирания остаточного потенциального рельефа) 50 с. Полоса частот видеотракта 15 кГц, рабочий диапазон экспозиции 0,6- 8 лк·с.

Обе камеры снабжены объективами с фокусным расстоянием 16 мм и относительным отверстием 1:3. Оптические оси камер наклонены друг к другу под углом 19°, что обеспечивает перекрытие системой в целом угла зрения 76є. Для расширения динамического диапазона передаваемых яркостей осуществляется регулировка диафрагмы каждого объектива. Эта операция производится по команде с Земли или от специального блока программного управления, связанного с датчиком положения Солнца. Блок управления предназначен также для сбора телеметрической информации о состоянии всех основных блоков телевизионной аппаратуры. Эта информация затем записывается на магнитофон и передается на Землю одновременно с видеосигналом.

Видеосигналы с выхода передающих камер поступают через коммутатор в линейный усилитель, где производится замешивание служебных сигналов, в том числе кодовых посылок о номере каждой пары изображений, гасящих и синхронизирующих импульсов. Поскольку передача на Землю информации производится только тогда, когда ИСЗ находится в зоне прямой радиовидимости, в состав аппаратуры включено устройство видеозаписи (видеомагнитофон), управляемое программным блоком. Для уменьшения времени сеанса связи считывание информации с магнитной ленты производится в четыре раза быстрее, чем запись. Считанный сигнал поступает для частотной коррекции в устройство формирования и затем в передатчик мощностью 15 Вт. Принятые на наземном пункте изображения фотографируются с экрана видеоконтрольного устройства. Разрешающая способность телевизионной аппаратуры позволяет различать участки на Земле размером 1,2 км.

ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ

При передаче сигналов одиночных изображений с ЛА получили распространение фототелевизионные системы, состоящие из фотосъемочной камеры, устройства автоматической обработки фотопленки и устройства сканирования изображения. Остальные устройства, связанные с формированием сигнала и его передачей на землю, аналогичны входящим в малокадровую систему. Достоинством фототелевизионной системы является высокая четкость получаемых изображений благодаря высокому качеству фотопленки.

После экспонирования и химической обработки фотопленки отдельные изображения с помощью протяжного механизма 3 (рис. 10.18) перемещаются в кадровое окно и одновременно сканируются способом «бегущего луча». При непрерывной протяжке пленки сканирование осуществляется одной строкой (однострочная развертка), формируемой на экране малогабаритного проекционного кинескопа 1. Световое пятно через объектив 2 просвечивает фотопленку. Модулированный световой поток собирается конденсором 4 и попадает на фотокатод ФЭУ.

Разрешающая способность фототелевизионной системы будет определяться качеством фотопленки и величиной анализирующего светового пятна. Ширина спектра видеосигнала зависит от скорости протяжки пленки и длительности строки, причем оба параметра должны быть согласованы между собой таким образом, чтобы не было наложений строк и пропусков между ними.

При съемке местности с ЛА изображение на фотопленке оказывается смазанным, что приводит к ухудшению качества передаваемого изображения. Уменьшение этого явления достигается сокращением времени экспонирования фотопленки, что одновременно повышает требование к освещенности объекта наблюдения. При расчетах учесть явление скоростного смазывания на качество передаваемого изображения и выбрать оптимальное время экспонирования можно на основе аналогии с электронно-пленочным накопителем, как это показано в разделе 10.4.

СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Спектрозональные системы служат для одновременного получения информации о распределении лучистого потока в двух или более зонах (областях) спектрального диапазона волн. В этом плане обычная телевизионная система должна быть отнесена к разряду "однозональных" систем. Спектрозональные телевизионные системы (СЗТС) широко используются в космическом телевидении для решения как наблюдательных (обнаружение и опознавание различных объектов на земле и акватории мирового океана), так и измерительных задач. Применение в СЗТС оптической спектральной фильтрации позволяет увеличивать контраст входных изображений селектируемых объектов.

Прямой энергетический контраст изображения каждого селектируемого объекта относительно окружающего фона на входе фотопреобразователя для одной зоны равен

,

где Wф и Wо - энергии излучения на входе фотопреобразователя от фона и объекта соответственно в расчете на один элемент изображения.

Величины энергий в общем случае выражаются соотношениями

,

,

где Цл max- максимальная спектральная плотность потока излучения, Вт/мкм; Тк - длительность кадра; сфл и с0л - спектральные коэффициенты отражения фона и объекта соответственно; фл - спектральный коэффициент пропускания атмосферы; фл0 - спектральный коэффициент пропускания объектива; Sлз- спектральная чувствительность зоны пропускания оптического фильтра.

Все спектральные характеристики, расположенные под интегралами, являются относительными, т.е. в максимуме приведенными к единице.

Таким образом величины входных энергий от селектируемых участков изображения поверхности наблюдения, каждый из которых характеризуется своим контрастом, будут зависеть от спектральной чувствительности зон пропускания. Выбор рабочих зон С3ТС наблюдения является важной и сложной задачей, направленной на максимизацию входных контрастов селектируемых объектов. При этом должны учитываться форма и ширина характеристик спектральной чувствительности каждой зоны и ее местоположение в спектральном диапазоне волн. Количество зон соответствует числу селектируемых участков наблюдаемого изображения и обычно равняется числу фотопреобразователей в телевизионной системе. В этом случае обработка всех сигналов производится одновременно, и результат получается в реальном времени. При малом быстродействии системы можно ограничиться одним фотопреобразователем со сменным набором фильтров. При этом одновременная обработка сигналов требует введения в систему специального устройства памяти.

СЗТС искусственного спутника Земли «Лэндсет-1» включает в себя три камеры, оптические оси которых расположены таким образом, чтобы один и тот же участок земной поверхности одновременно проецировался на мишени всех видиконов. Камеры работают в следующих спектральных зонах: 475 - 575 нм, 580 - 680 нм, 690 - 830 нм. При ширине наблюдаемого участка в 180 км разрешение на земной поверхности составляет 50 - 100м.

4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ

Области применения телевизионной аппаратуры чрезвычайно разнообразны. Однако несмотря на многообразие применения и способов построения она в большинстве случаев предназначена для передачи изображений объектов, параметры которых, в том числе их положение в пространстве, изменяются во времени относительно медленно. Во всяком случае, скорость их изменения обычно бывает значительно ниже, чем скорость съема информации, определяемой как в кино, так и в телевидении частотой смены кадров.

Расширение возможностей и сферы применения телевидения в промышленности, на транспорте, в научных исследованиях часто приводит к необходимости получать видеоинформацию от различного рода быстродвижущихся объектов и о быстропротекающих процессах. Примером может служить наблюдение с помощью телевизионных стробоскопов за судовыми и самолетными винтами, колесами турбин, различными вращающимися или вибрирующими частями машин и механизмов. Актуальной является задача автоматической регистрации номеров транспортных средств (автомашин, железнодорожных вагонов и пр.) в процессе их движения. В научных исследованиях применяется телевизионная регистрация следов ядерных частиц и процессов, происходящих в плазме. Созданы установки, позволяющие не только наблюдать быстропротекающие процессы в искровых камерах, но и измерять координаты отдельных частиц.