Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система

 

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно, к тепловизионным оптико-электронным системам и может быть использована для наблюдения в сумерках и ночью в системах охраны, в армии, правоохранительной деятельности..

Техническим результатом полезной модели является улучшение качества тепловизионного изображения.

Технический результат достигается тем, что в двухканальной тепловизионной оптико-электронной системе, каждый из оптико-электронных каналов установлен в едином корпусе системы и включает объектив и установленную на оптической оси в его фокальной плоскости матрицу фотоприемников. Оптические оси оптико-электронных каналов параллельны. Один из каналов выполнен как канал узкого поля зрения, а другой канал выполнен как канал широкого поля зрения.

Для достижения технического результата матрица фотоприемников канала узкого поля зрения выполнена охлаждаемой, при этом объектив канала узкого поля зрения выполнен линзовым.

Матрица фотоприемников канала узкого поля зрения может быть выполнена чувствительной в области 3-5 мкм или 8-10 мкм ИК-диапазона, а матрица фотоприемников канала широкого поля зрения может быть выполнена чувствительной в области 7-14 мкм ИК-диапазона.

Формула полезной модели имеет пять пунктов. Полезная модель поясняется одной фигурой чертежа.

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно, к тепловизионным оптико-электронным системам и может быть использована для наблюдения в сумерках и ночью в системах охраны объектов и границы, в армии, правоохранительной деятельности.

Известна двухканальная оптико-электронная система, каждый из каналов которой содержит объектив и установленную в его фокальной плоскости на оптической оси матрицу фотоприемников. При этом объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием, а второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось [Патент России на изобретение №2091834].

Известная оптико-электронная система позволяет осуществлять одновременное наблюдение одного и того же объекта в разных спектральных диапазонах с помощью различных приемников с различным масштабом изображения.

Однако известная двухканальная оптико-электронная система обладает большим коэффициентом центрального экранирования. Это приводит не только к существенному уменьшению светового потока проходящего через эту оптико-электронную систему, но и связано с существенным

перераспределением энергии в плоскости фокусировки описываемом функцией Эри. Распределение Эри изменяется таким образом, что значительная часть энергии из центрального максимума «перекачивается» в побочные максимумы. Это в конечном итоге снижает контрастность, а, следовательно, и качество изображения.

Наиболее близкой по техническому результату и выбранной за прототип является двухканальная оптико-электронная система, каждый из оптико-электронных каналов которой установлен в едином корпусе системы и включает объектив и установленную на оптической оси в его фокальной плоскости матрицу фотоприемников, один из каналов выполнен как канал узкого поля зрения, а другой канал выполнен как канал широкого поля зрения. В известной оптико-электронной системе объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием, а второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось, при этом диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышают диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала [Патент России на полезную модель №4483б].

Недостатком прототипа является недостаточная дальность распознавания объектов узкопольным каналом. Это обусловлено ухудшением качества изображения из-за центрального экранирования. Кроме того, фоновое излучение, создаваемое центральным экранированием, снижает чувствительность охлаждаемых тепловизионных матриц, работающих в режиме ограничения обнаружительной способности флюктуациями фона (режим ОФ).

Техническим результатом полезной модели является улучшение качества тепловизионного изображения и увеличение дальности распознавания.

Технический результат достигается тем, что в двухканальной тепловизионной оптико-электронной системе каждый из оптико-электронных каналов установлен в едином корпусе системы и включает объектив и установленную на оптической оси в его фокальной плоскости матрицу фотоприемников, оптические оси оптико-электронных каналов параллельны. Один из каналов выполнен как канал узкого поля зрения, а другой канал выполнен как канал широкого поля зрения.

Для достижения технического результата матрица фотоприемников канала узкого поля зрения выполнена охлаждаемой, а объектив канала узкого поля зрения выполнен линзовым.

Матрица фотоприемников канала широкого поля зрения может быть выполнена неохлаждаемой.

Матрица фотоприемников канала узкого поля зрения может быть выполнена чувствительной в области 3-5 мкм или 8-10 мкм ИК диапазона, а матрица фотоприемников канала широкого поля зрения выполнена чувствительной области 7-14 мкм ИК-диапазона.

Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система может иметь переключатель оптико-электронных каналов и общий монитор.

Термин «охлаждаемая», используемый в данной заявке для характеристики матрицы, означает, что используется матрица с глубоким (криогенным) охлаждением. В прототипе второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось, т.е. оптические оси каналов полностью совмещены. В предлагаемом техническом решении оптические оси параллельны друг другу, вследствие чего в ограничительную часть формулы был включен признак «параллельны» как более общий.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображена принципиальная схема двухканальной тепловизионной оптико-электронной системы.

Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система содержит (фиг.1) установленные в общем корпусе (на чертеже не показан) канал узкого поля зрения 1, канал широкого поля зрения 2, переключатель каналов 3 и монитор 4, который может быть выполнен в виде микродисплея. Канал узкого поля зрения 1 включает линзовый объектив 5, охлаждаемую тепловизионную матрицу фотоприемников 6 и блок обработки сигнала 7 канала узкого поля зрения 1. Канал широкого поля зрения 2 включает объектив 8, неохлаждаемую тепловизионную матрицу фотоприемников 9 и блок обработки сигнала 10 канала широкого поля зрения 2.

Оптические оси оптико-электронных каналов 1 и 2 параллельны.

Охлаждаемая тепловизионная матрица фотоприемников 6 канала узкого поля зрения 1 выполнена чувствительной в области 8-10 мкм ИК диапазона. Матрица на основе структуры GaAs-AlGaAs с квантовыми ямами имеет 640х480 пикселей с шагом 25 мкм. Для глубокого (криогенного) охлаждения матрицы (Т=70-80 К) используется газовая холодильная машина, работающая по замкнутому циклу Стирлинга.

Неохлаждаемая тепловизионная матрица фотоприемников 9 канала широкого поля зрения 2 выполнена микроболометрической и чувствительной в области 7-14 мкм ИК-диапазона. Матрица имеет 384×288 пикселей с шагом 35 мкм. Матрица 9 является неохлаждаемой, поскольку имеющаяся в ее конструкции система термоэлектрического охлаждения используется для термостабилизации работы матрицы 9. Канал широкого поля зрения 2 диапазоне 7-14 мкм на неохлаждаемой микроболометрической матрице 9 имеет преимущество в габаритах, массе, стоимости, быстром выходе на рабочий режим, бесшумности.

Полезная модель работает следующим образом.

После включения электропитания двухканальной тепловизионной оптико-электронной системы оба из ее оптико-электронных каналов 1 и 2 выходят на рабочий режим. Переключатель каналов 3 устанавливается в

положение, при котором на экране монитора 4 воспроизводится видеосигнал с канала широкого поля зрения 2.

Инфракрасное излучение от наблюдаемого пространства через объектив 8 канала широкого поля зрения 2 попадает на фотоприемную поверхность неохлаждаемой тепловизионной микроболометрической матрицы 9. Неохлаждаемая тепловизионная микроболометрическая матрица 9 преобразует ИК-изображение наблюдаемого пространства в систему электрических сигналов микроболометров, которая в блоке обработки сигнала 10 преобразуется в стандартный видеосигнал. Стандартный видеосигнал через переключатель каналов 3 поступает на монитор 4, преобразуясь на его экране в видеоизображение.

Канал широкого поля зрения 2 с неохлаждаемой тепловизионной матрицей 9 дает панорамное изображение наблюдаемой области. Однако по сравнению с каналом узкого поля зрения 1 канал широкого поля зрения 2 имеет слабую детализацию изображения. При обнаружении оператором объекта заслуживающего более детального рассмотрения он устанавливает переключатель каналов 3 в положение, при котором на экране монитора 4. воспроизводится видеосигнал с канала узкого поля зрения 1.

Инфракрасное излучение от наблюдаемого объекта через линзовый объектив 5 канала узкого поля зрения 1 попадает на фотоприемную поверхность охлаждаемой тепловизионной матрицы 6. Охлаждаемая тепловизионная матрица 6 преобразует ИК-изображение объекта в систему электрических сигналов, которая в блоке обработки сигнала 7 преобразуется в стандартный видеосигнал, который передается на монитор 4 для воспроизведения видеоизображения. Канал узкого поля зрения 1 с охлаждаемой тепловизионной матрицей 6 на основе InSb размером 640×480 пикселей и шагом 25 мкм дает более детальное изображение наблюдаемой области.

Выполнение двухканальной тепловизионной оптико-электронной системы в двухполевом варианте позволяет как вести обзор наблюдаемого

пространства, так и осуществлять наблюдение отдельных объектов с высокой детализацией.

Для обнаружения и детального распознавания удаленных целей необходимо иметь малый элементарный угол зрения, что достигается увеличением фокусного расстояния. При большой светосиле это приводит к большим габаритам, массе и высокой стоимости объектива. По этой причине, в случаях, когда требуется обнаруживать и распознавать объекты на большом расстоянии или обеспечивать высокую детализацию наблюдаемого изображения приходится использовать фотоэлектрический приемник с криогенным охлаждением.

В современных фотоэлектрических приемниках с криогенным охлаждением реализуется режим, при котором отношение сигнала к шуму определяется флуктуациями числа носителей заряда, созданных фоновым излучением, попадающим на чувствительные элементы одновременно с излучением от цели (режим ОФ). Благодаря этому создается возможность без снижения чувствительности использовать оптику с небольшой светосилой и габаритами и создавать узкопольные тепловизионные системы с большим фокусным расстоянием и высоким угловым разрешением.

Выполнение тепловизионной матрицы фотоприемников 6 канала узкого поля зрения 1 охлаждаемой, т.е. имеющей глубокое (криогенное) охлаждение (Т=70-80 К), например, с использованием газовой холодильной машины, работающей по замкнутому циклу Стирлинга, позволяет получить детализированное тепловизионное изображение узкого поля зрения высокого качества.

Выполнение объектива канала узкого поля зрения 1 линзовым позволяет избежать типичных недостатков зеркально-линзовой оптической системы, оказывающих негативное влияние на получаемое детализированное тепловизионное изображение узкого поля зрения высокого качества.

Матрица фотоприемников канала узкого поля зрения может быть выполнена чувствительной в области 3-5 мкм ИК-диапазона. Такая

тепловизионная оптико-электронная система обладает повышенной помехоустойчивостью. В том случае, когда работает канал узкого поля зрения 1, в диапазоне 3-5 мкм обеспечиваются лучшие условия наблюдения объектов в чистой влажной атмосфере, однако этот канал недостаточно четко воспроизводит обстановку под влиянием тумана или дыма.

Канал широкого поля зрения 2 в диапазоне 7-14 мкм при умеренной влажности, наличии дымки и, в еще большей степени, тумана работает без особых затруднений. Дополнительное преимущество диапазона 7-14 мкм проявляется при наблюдении объектов с низкой температурой.

Таким образом, из вышеизложенного подтверждается возможность достижения заявленного в полезной модели технического результата, а именно, улучшение качества тепловизионного изображения и увеличение дальности распознавания объектов.

Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемая двухканальная тепловизионная оптико-электронная система может быть изготовлена в соответствии с предлагаемым описанием и чертежами на основе известных комплектующих изделий при использовании современного технологического оборудования и использована по прямому назначению.

1. Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система, каждый из оптико-электронных каналов которой установлен в едином корпусе системы и включает объектив и установленную на оптической оси в его фокальной плоскости матрицу фотоприемников, при этом оптические оси оптико-электронных каналов параллельны, один из каналов выполнен как канал узкого поля зрения, а другой канал выполнен как канал широкого поля зрения, отличающаяся тем, что матрица фотоприемников канала узкого поля зрения выполнена охлаждаемой, при этом объектив канала узкого поля зрения выполнен линзовым.

2. Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система по п.1, отличающаяся тем, что матрица фотоприемников канала широкого поля зрения выполнена неохлаждаемой.

3. Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что матрица фотоприемников канала узкого поля зрения выполнена чувствительной в области 8-10 мкм ИК-диапазона, а матрица фотоприемников канала широкого поля зрения выполнена чувствительной области 7-14 мкм ИК-диапазона.

4. Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что матрица фотоприемников канала узкого поля зрения выполнена чувствительной в области 3-5 мкм ИК-диапазона, а матрица фотоприемников канала широкого поля зрения выполнена чувствительной в области 7-14 мкм ИК-диапазона.

5. Двухканальная тепловизионная оптико-электронная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет переключатель оптико-электронных каналов и общий монитор.



 

Наверх