Лазерная система видения в мутных средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БЮДЖЕТНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Факультет (филиал) КБ специальность 200400

Кафедра КБ6 «Приборы и информационно-измерительные системы»

Дисциплина Учебно-исследовательская работа студентов

Отчет по учебно-исследовательской работе студентов

на тему:

«Лазерная система видения в мутных средах»

Студент Д.И. Ярлыков

Группа КБ6-1102 шифр 110053

Руководитель работы Н.В. Пчелкина

МОСКВА 2014 г

Содержание

Введение

ЛВС 5-А

Система видения AquaLynx

Система «СКИВ»

Заключение

Введение

Актуальность разработки: в настоящее время ученые стремятся увеличить дальность видения и надежность устройства, улучшить контрастность и разрешающую способность изображения, упростить работу оператора, конструкцию герметичного корпуса, а также улучшить способ подавления помехи обратного рассеяния.

Цель работы: разработка активной лазерной системы с повышенным качеством изображения для видения объектов в мутных оптических средах.

ЛВС 5-А

Данная система видения разработана в МГТУ им. Баумана. ЛВС 5-А является системой с повышенной обнаружительной способностью. Для повышения обнаружительной способности в приемной канале устанавливают ЭОП, который усиливает входной оптический сигнал и осуществляет стробирование по дальности с целью уменьшения помехи обратного рассеяния. Обобщенная структурная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурно-функциональная схема образца ЛВС

Передающий канал, содержащий импульсный лазерный излучатель и формирующую оптическую систему, осуществляет подсветку объекта на заданном угловом поле обзора. Сформированное приемный объективом изображение объекта на фоне подстилающей поверхности регистрируется и усиливается по яркости фотоприемный устройством на основе ЭОП. Репродукционный объектив (РО) переносит изображение с люминесцентного приемника телевизионной ПЗС матрицы. Видеосигнал подвергается обработке в электронном канале и далее следует на монитор.

В фотоприемном устройстве использован ЭОП третьего поколения, содержащий микроканальную пластину (МКП) и фотокатод на основе арсенида галлия, обладающий высокой интегральной чувствительностью.

Наличие в приемной канале высокочувствительного ЭОП предполагает использование для подсветки объектов лазерных излучателей с рабочей длиной волны в ближней ИК области спектра, поскольку максимум спектральной чувствительности фотокатода лежит в диапазоне 0.78 - 0.80 мкм. Передающий канал содержит александритовый лазер с перестраиваемой длиной волны излучения в диапазоне 0.72 - 0.78 мкм.

Характеристики приемного канала:

1. Электронно-оптический преобразователь третьего поколения:

интегральная чувствительность - 1200мкА/лм;

спектральная чувствительность (л = 0,83 мкм) - 165 мА/Вт;

коэффициент усиления по световому потоку - 25000;

диаметр фотокатода - 17,5 мм.

2. Зеркально-линзовый фотографический объектив «Рубинар-1000», используемый в качестве приемного:

фокусное расстояние - 1000мм;

угловое поле - 2,5 град.

3. Репродукционный объектив «Лептонар-1П»:

фокусное расстояние - 13мм;

увеличение - 1/3.

4. ПЗС камера на основе 1/3'' матрицы ICX055(“Sony”):

число чувствительных элементов - 500х586;

пороговая чувствительность к спектру люминофора - 0,13 лк.

Характеристики передающего канала:

длина волны излучения - 0,72..0,76 мкм;

энергия импульса выходного излучения - до 10мДж;

длительность импульса выходного излучения - 0,5..1 мкс;

угловая расходимость излучения - 0,3..1 град.

Система видения AquaLynx

Система AquaLynx разработана шведской фирмой «Laser Optronix». Система состоит из трех основных блоков: излучающей части, фотоприемной части и блок обработки информации.

Излучающая часть включает в себя лазерный излучатель, блок питания и блок охлаждения. Лазерный излучатель твердотельный Nd+3:YAG лазер с делением частоты (532 нм) заключен в металлический корпус размером 70х70х500 мм. Оптическая система освещает область от 60 градусов до нескольких угловых минут. В качестве охладителя используется дистиллированная вода.

Фотоприемная часть состоит из усилителя оптического излучения (ЭОП с микроканальной пластиной, которая обеспечивает стробируемость по дальности) оптически сопряженного с ПЗС матрицей. Приемная камера может работать в двух режимах, в активном и пассивном.

Блок обработки изображений реализована на IBM совместимом компьютере. Изображение передается по стандартному интерфейсу. Параметры системы представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры системы AquaLynx

Технические характеристики:

1. Передающий канал:

тип лазера - Nd+3: YAG твердотельный;

длительность импульса. (полная ширина на половине максимума) - 7 .. 10 нс;

частота повторения импульсов - 0.2 Гц;

энергия импульса - 35 мДж;

мощность импульса излучения - 1 Вт;

длина волны излучения - 0,532 мкм.

2)Приемный канал:

чувствительность стробируемой камеры - 0,0001 лк;

рабочая дистанция - 0..100 м;

разрешающая способность по дистанции - 30 см;

поколение ЭОП - 2 или 2+;

толщина слоя воды, просматриваемая в стробируемом режиме - 2 .. 10 м.

В таблице 2 приведены результаты испытаний и расчетная дальность действия.

Таблица 2 - Результаты испытаний и расчетная дальность действия

Z - глубина видимости 30-сантиметрового белого диска.

В настоящее время разработчики работают над увеличением разрешения системы видения, уменьшением энергопотребления и уменьшение размеров системы.

Система «СКИВ»

блок мутный лазерный оптический

Система «СКИВ» использует в своей работе 2 канала: лидарный и ИК.

Лидарный канал предназначен для обнаружения и изучения широкого класса возмущений в толще морской среды, сопровождаемых перемещениями частиц взвеси.

Тепловизионный канал используется для визуализации температурных аномалий на поверхности морской среды. Размещаются приборы на надводных кораблях малого водоизмещения.

Лидарный канал и принципиальная схема работы лидара дают возможность зондирования водного пространства на большие дистанции и глубины, а также регистрировать входной оптический сигнал на уровне 30 - 100 фотонов (полоса пропускания в системе 0,01 А) для визуализации тонкой микроструктуры гидрооптических аномалий с высоким пространственным разрешением.

Совместное использование каналов ВКР-лидара и ИК-радиометра позволяет более полно и оперативно по сравнению с контактными датчиками, освещать фоно-целевую обстановку, а также изучать микроструктуру морской среды.

Система передающего устройства обеспечивает следующие основные параметры лазерного излучения: энергия в отдельном импульсе - до 100мДж; длительность импульса 1 нс; частота следования импульсов 100Гц; длина когерентности не менее 0,1 м и ширина спектра не более 3ГГц. Это позволяет работать в средах с умеренным уровнем мутности на дистанциях до 100м.

Общая габаритная схема приемно-передающей системы лидара с ВКР-излучателем и ВКР-усилителем сигналов цели представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Общая габаритная схема приемно-передающей системы лидара

Условные обозначения на схеме: 1 - выходной объектив излучателя; 2 - входная линза выходного телескопа; 3 и 11 - спектрально селективные зеркала; 4 - кристалл Ba(NO3)2; 10 - фокусирующая линза; 12 - проекционный объектив; 13 - отражательные зеркала; 14 - ФЭУ и ПЗС-матрица.

Элементы системы, представленные на схеме, имеют следующие параметры:

выходной объектив излучателя: f = 300 мм, d = 40 мм;

выходная линза телескопа - (х5); кристалл Ba(NO3)2: 10х10х100 мм;

фокусирующая линза f = 60 мм, d = 10 мм;

входной объектив приемной системы f = 300 мм, d = 100 мм;

кристалл Ba(NO3)2: 10х10х40 мм;

фокусное расстояние и диаметр фокусирующей линзы f = 30 мм, d = 10 мм;

проекционный объектив имеет f = 30 мм, d = 10 мм.

В данном устройстве производится сканирование среды в одной плоскости на углы ±60°. Отклонение луча лазера производится при помощи вращающегося зеркала механическим способом.

К оси вращения зеркала прикреплен электродвигатель. Также предусмотрена система отрицательной обратной связи для коррекции ошибок, связанных со скоростью вращения двигателя. При частоте сканирования 12,5 Гц длительность прямого хода составляет 13 мс.

При обработке полученного изображения на ПК при использовании процессора AMD Athlon с тактовой частотой 1500 МГц система имеет следующие показатели: для размера изображения 256х256 точек время обработки - 0,002 с, 512х512 - 0,009 с, 1024х1024 - 0,042 с.

Заключение

К настоящему времени во всем мире, по видимому, еще не начат этап промышленного освоения ЛВС, как, например, лазерных дальномеров или приборов ночного видения с подсветом. Сведения об экспериментальных разработках и созданных единичных образцах носят разрозненный характер, часто в виде рекламных сообщений. Приводимые характеристики ЛВС иногда противоречивы и с трудом поддаются сравнительному анализу, с целью их систематизации, а так же оценки уровня эффективности и достигнутых технических показателей.

Размещено на Allbest.ru