Инфракрасная сканирующая система кругового обзора с матричным фотоприемным устройством: результаты практической реализации

Размещено на http://allbest.ru

НИИ оптико-электронного приборостроения

Инфракрасная сканирующая система кругового обзора с матричным фотоприемным устройством: результаты практической реализации

М.Ф Борисов, Б.О. Ефименко,

Н.И. Павлов, В.Е. Полещук,

А.Я. Прилипко, А.А. Тулинов

Ленинградская область, г. Сосновый Бор

Сканирующая оптико-электронная система кругового обзора (ОЭСКО), созданная на базе матричного фотоприемного устройства (МФПУ) среднего ИК диапазона, предназначена для решения задач, включающих поиск объектов в круговой зоне методом покадровой съемки, циклическое сопровождение группы обнаруженных объектов с последовательным перебросом оптической оси, захват и сопровождение одного из обнаруженных объектов с постоянным удержанием оптической оси на сопровождаемом объекте.

Рис. 1 Оптическая схема ОЭСКО

Помимо обеспечения минимального времени обзора заданной круговой зоны ОЭСКО удовлетворяет также требованиям минимизации весогабаритных показателей.

Реализованная схема прибора (см. рис.1) позволяет осуществлять покадровую съемку зоны обзора при постоянной скорости азимутального сканирования и работе МФПУ в режиме мгновенной съемки (snap shot).

Компенсация азимутального смаза изображения за время накопления сигнала осуществляется гармоническим сканатором, включенным в оптико-механическую схему и работающим с кадровой частотой МФПУ.

Для полного использования фоточувствительной поверхности МФПУ и компенсации радиального смаза изображения в схему включен компенсатор поворота изображения, синхронизированный с азимутальной разверткой.

На рис. 1 использованы следующие обозначения: АС - привод азимутального сканирования, привод УМС - привод угломестного сканирования, привод ТКП - привод компенсатора поворота (вращающегося телескопа), привод ГСЛВ - привод клина левого вращения гармонического сканатора, привод ГСПВ - привод клина правого вращения гармонического сканатора, поз. 1 - фокальная матрица МФПУ, поз. 2 - холодная диафрагма, поз. 3 - компоненты объектива МФПУ, поз. 4, 5 - вращающиеся оптические клинья (ZnSe-CVD), поз. 6 - линзовые компоненты вращающегося телескопа, поз. 7 - уголковое зеркало, осуществляющее компенсацию поворота, поз. 8 - сканирующий элемент (призма АР - 90є), поз. 9 - фрагмент обтекателя.

Представление о внешнем виде созданного экспериментального образца ОЭСКО дает фото, приведенное на рис. 2. Верхняя (цилиндрическая) часть ОЭСКО представляет собой сборку из трех оптико-механических модулей: азимутально-угломестной платформы (над ней находится кронштейн с вращающимся контактным устройством), компенсатора поворота изображения и гармонического сканатора. Нижняя часть ОЭСКО представляет собой приборный отсек, включающий в себя блоки управления электромеханическими устройствами (приводами оптико-механической системы), блоки питания, а также блоки управления и первичной обработки сигналов МФПУ.

Рис.2 ОЭСКО со снятыми цилиндрическим кожухом, полусферическим обтекателем и боковыми стенками приборного отсека

В ОЭСКО использовано МФПУ формата 640Ч512 пикселей, шаг - 15 мкм, кадровая частота до 100 Гц. МФПУ снабжено холодной диафрагмой F/2 и охлаждаемым светофильтром с Дл = 3,7-4,8 мкм. Фокусное расстояние оптической системы f = 70 мм, световой диаметр входного зрачка Ш = 30 мм, мгновенное поле зрения (угловой размер кадра) - 7,84°Ч6,28°, угловой размер пикселя г_p = 0,74?, угловой размер кружка рассеяния г_d = 1,7?. При реализованной в приборе кадровой частоте МФПУ 90 Гц максимальное время накопления сигнала равняется 2,44 мc, а частота азимутального сканирования составляет величину, близкую к 1,6 Гц.

Каждый круговой цикл сканирования по азимутальной координате завершается выполнением скачкообразного сдвига оптической оси (линии визирования) в угломестном направлении на величину, равную или близкую к угловому размеру кадра по данной координате. Более подробное описание созданного образца ОЭСКО можно найти в статье [1].

Управление информационными и исполнительными устройствами ОЭСКО осуществляется аппаратно-программным комплексом (АПК), имеющем в своем составе подсистему, работающую в режиме квазиреального времени, и подсистему, работающую в жестких временных циклах.

К первой подсистеме, выполненной на базе ПЭВМ, относится пульт управления и индикации (ПУИ), а также блок вторичной обработки видеоинформации. Вторая подсистема выполнена на микроконтроллерах, причем управляющая часть работает в квантованном времени с дискретом 0,2 мс, а часть, осуществляющая первичную обработку информации, работает с частотой видеосигнала пикселей МФПУ (10 МГц). Структура АПК представлена на рис.3.

Высокоскоростная синхронная шина реального времени EtherCat связывает исполнительные и информационные устройства АПК, обеспечивая кольцевой обмен данными и командами в кванте времени 0,2 мс. Задание рабочего режима, текущий контроль состояния элементов АПК, а также отображение окружающей обстановки в заданной зоне обзора осуществляются с помощью пульта управления и индикации (ПУИ).

Окружающая обстановка отображается в виде контрастных точек или контуров, выделенных блоком первичной обработки сигналов (БУПОС). Указанная информация с помощью интерфейса Ethernet 1 поступает в ПУИ с частотой до 90 кадров в секунду.

Рис.3 Структура аппаратно-программного комплекса ОЭСКО

Интерфейс Ethernet 2 обеспечивает аналогичную передачу в ПУИ сжатых тепловизионных кадров, которые также могут использоваться для отображения круговой зоны. Реализован также режим «Лупа», в котором выбранный фрагмент можно детально рассмотреть в виде контрастного или тепловизионного изображения с нормированным контрастом. С более подробным описанием АПК, реализованного в созданном образце ОЭСКО можно ознакомиться в статье [2].

Созданный образец ОЭСКО показал свою работоспособность в ходе экспериментов, проведенных на натурной оптической трассе института. Целью экспериментов являлась отработка одного из основных режимов работы прибора - кругового обзора методом покадровой съемки с отображением на мониторе ПУИ окружающей обстановки.

Также ставилась задача по оценке возможности выделения из окружающего фона малоразмерного «горячего» объекта на максимально доступной дистанции, которая в условиях проведенных экспериментов ограничивалась длиной оптической трассы, равной 2600 м. ОЭСКО размещался на верхней площадке вагона-лаборатории, передвинутого в начало оптической трассы (см. рис.4).

Рис.4 Отработка режимов работы ОЭСКО в натурных условиях

В качестве имитатора малоразмерного «горячего» объекта служил электрический нагревательный элемент (ТЭН) с излучающей поверхностью диаметром 25см, закрепленный на конце стрелы крана на мотовозе (подводимое электропитания ~ 1,5 кВт). Мотовоз имел возможность перемещения по железнодорожному полотну по всей длине оптической трассы. инфракрасный оптический фотоприемный

На рис.5 приведен пример отображения на экране ПУИ окружающей обстановки в виде сжатых тепловизионных кадров. Время накопления сигнала, при котором получены изображения, 0,5 мс. Отображаемая круговая зона представляет собой два расположенные на рисунке слева один над другим фрагмента: верхний - с зоной по азимутальному углу от 0° до 180°, нижний - с зоной от 180° до 360°.

По углу места наблюдение ограничивалось зоной от 0° до 45°, хотя для прибора доступен обзор до 75°.

Рис.5 Отображение окружающей обстановки на мониторе ПУИ ОЭСКО

Яркое пятно слева на верхнем фрагменте (координаты центра примерно 25° по азимуту и 27° по углу места) обусловлено прямой засветкой солнцем. На этом же фрагменте маленьким квадратом выделено примерное местонахождение (координаты примерно 160° по азимуту и 10° по углу места) мотовоза с имитатором малоразмерного «горячего» объекта, который в тот момент времени находился в конце трассы на расстоянии 2500 м. Два фрагмента на рис.5, расположенные справа, представляют собой отображение в режиме «Лупа» выделенного участка в виде тепловизионного (вверху) и контрастного (внизу) изображений (внизу). Яркая точка, которая проявляется на этих изображениях, является наблюдаемым имитатором «горячего» объекта.

Литература

1. Борисов М.Ф., Лебедев О.А., Павлов Н.И., Прилипко А.Я. Оптико-электронная система кругового обзора. 1. Схемы построения и вариант практической реализации. - Оптический журнал, 2014, т.81, №9, с.15-21.

2. Ефименко Б.О., Павлов Н.И., Полещук В.Е., Прилипко А.Я., Тулинов А.А. Оптико-электронная система кругового обзора. 2. Аппаратно-программный комплекс управления и обработки информации. - Оптический журнал, 2014, т.81, №9, с.22-27.

Аннотация

Инфракрасная сканирующая система кругового обзора с матричным фотоприемным устройством: результаты практической реализации. М.Ф Борисов, Б.О. Ефименко, Н.И. Павлов, В.Е. Полещук, А.Я. Прилипко, А.А. Тулинов. НИИ оптико-электронного приборостроения, Ленинградская область, г. Сосновый Бор, ОАО НИИ ОЭП; тел.: (81369)-47923; e-mail: contact@niioep.ru

Представлены первые результаты практической реализации малогабаритной многофункциональной оптико-электронной сканирующей системы кругового обзора на матричном фотоприемном устройстве (МФПУ) среднего ИК диапазона с форматом 640Ч512 пикселей и кадровой частотой до 90 Гц.

Размещено на Allbest.ru