Оптические поисково-досмотровые методы и средства

К простейшим и наиболее распространенным оптическим поисково-досмотровым средствам (ОПДС) относятся различные типы досмотровых зеркал (ДЗ), отличающиеся конструктивным исполнением, размерами, масштабированием изображения и т.п. Досмотровые зеркала являются простейшим инструментом контроля недоступных (скрытых) полостей или поверхностей, наклоненных более чем на 30° к зрительной оси глаза.

Досмотровое зеркало представляет собой оптический модуль с плоской или сферической поверхностью, закрепленной на телескопической штанге или оснащенное ручкой-держателем. Зеркальная поверхность наносится на внешнюю сторону подложки, что обеспечивает хорошую чёткость изображения.

Для зеркальных покрытий, наносимых на стекло, используют в основном серебро, алюминий или хром. Поверхность зеркала защищается специальным покрытием, не вносящим ухудшения в характеристики зеркала.

Отражательная способность зеркал лежит в пределах от 95 % в начале срока службы до 70 % - в его конце.

Эндоскопические поисковые системы (ЭПС) представляют собой досмотровые устройства, построенные на базе волоконной и линзовой оптики, малогабаритных телевизионных камер и механических узлов, укомплектованные источником света или осветительным блоком. Современные эндоскопы, являющиеся основной частью ЭПС, - это универсальные оптико-механические устройства, обеспечивающие любой вид визуальной диагностики и контроля внутри закрытого пространства на значительную глубину (до нескольких десятков метров). Отличительной особенностью эндоскопов является большое отношение длины рабочей части эндоскопа к ее диаметру. Типичные значения этого отношения составляют 100... 300. В числе основных технических параметров любого эндоскопа можно назвать длину рабочей части, ее диаметр, угол направления наблюдения от оси рабочей части, угол обзора.

Существуют следующие основные группы эндоскопов:

• жесткие или линзовые;

• гибкие или волоконно-оптические;

• комбинированные;

• видеоскопы (на основе малогабаритных ТВ- камер).

Свет от осветительного блока подается в зону контроля ЭВС по оптоволокну, что позволяет осуществлять контроль полостей, содержащих взрыво- и пожароопасные материалы, жидкости или газы.

Жесткие эндоскопы предназначены для осмотра внутренних полостей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах, к которым возможен прямолинейный доступ.

Корпус прибора конструктивно выполнен в виде цилиндрической трубки, внутри которой расположены оптический канал наблюдения и канал подсветки.

Длина рабочей части таких эндоскопов обычно составляет 100... 500 мм, диаметр рабочей части 2... до 10 мм, угол направления наблюдения 0... 90°, угол обзора 60°... 90°. При выборе угла обзора необходимо помнить, что при меньших углах возможно обнаружение более мелких дефектов, но при этом контролируется меньшая площадь.

Для повышения удобства работы с эндоскопами они комплектуются фототелевизионным трактом, состоящим из цифрового фотоаппарата или видеокамеры, подсоединяемых к окуляру прибора через специальный оптический переходник.

Фототелевизионный тракт дает возможность сохранять изображения в электронном виде для дальнейшей обработки и документирования.

Гибкие волоконно-оптические эндоскопы предназначены для осмотра внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах различных объектов деталей, изделий или оборудования, имеющего сложную пространственную конфигурацию и которое невозможно контролировать с помощью жестких эндоскопов.

Главное отличие гибкого эндоскопа от жесткого - рабочая часть, которая может изгибаться с радиусом 100... 150 мм. Рабочая часть гибкого эндоскопа имеет изгибающееся под углом 90... 180° окончание, так называемый дистальный конец. Изгиб производится в одной или в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Главным недостатком этих приборов является низкое разрешение оптического волокна и наблюдаемая вследствие этого мозаичная структура на изображении.

Длина рабочей части гибких эндоскопов обычно составляет 500... 2500 мм, диаметр рабочей части 4... 12 мм, угол направления наблюдения обычно составляет 0°, угол обзора 60°.

Гибкие эндоскопы также могут комплектоваться фототелевизионным трактом.

Видеоэндоскопы конструктивно аналогичны гибким оптоволоконным эндоскопам, однако вместо оптоволоконного канала, передающего изображение в видеоэндоскопах, применяется телевизионный канал на основе малогабаритной ПЗС-матрицы.

В настоящее время освоен серийный выпуск цветных видеокамер с диагональю 1/4 и менее дюйма при разрешении 752 х 582 элементов. Диагональный размер такой камеры составляет не более 6,5 мм, что позволяет вынести ее на конец рабочей части эндоскопа и построить на ее основе прибор с диаметром рабочей части всего 7... 8 мм. В результате исключения оптического волокна из канала наблюдения исчезают связанные с ним ограничения на длину, а разрешение определяется только возможностями используемой видеокамеры с объективом и составляет более 460 твл по горизонтали и более 420 твл по вертикали.

В настоящее время производятся видеоэндоскопы с длиной рабочей части 2... 30 м, диаметром рабочей части 7... 17 мм. Угол направления наблюдения без применения оптических насадок составляет 0°, угол обзора 42°, артикуляция дистального конца ±180°. 

Таким образом, избавившись от недостатков гибких волоконно-оптических эндоскопов, в видеоэндоскопах сохранены все их достоинства и удобство эксплуатации.Неотъемлемой частью ЭПС является осветительный блок.
В осветительных блоках используются галогенные, металлогалоидные и ксеноновые лампы. Для наиболее полного использования светового потока от лампы он фокусируется на световой жгут с помощью собирающей линзы. Для предотвращения теплового повреждения жгута устанавливается тепловой фильтр и обеспечивается принудительная вентиляция корпуса осветительного блока. На переднюю панель выводится оптический разъем, к которому подключается система подсветки эндоскопа. Питание источника освещения возможно от сети -220 В/50 Гц, от бортовой сети автомобиля и встроенного аккумулятора 12 В. При работе от сети используются галогенные лампы мощностью 100 или 150 Вт, при работе от аккумулятора - 20 или 40 Вт. Изменение яркости осуществляется встроенным регулятором плавно от нуля до максимума.

Широкие функциональные возможности ЭПС обуславливают весьма значительную сферу их применения. Применение конкретного типа ЭПС определяется сложностью решаемой задачи, требуемым разрешением, условиями работы, способом получения, записи получаемой информации и т.п.

На рис. 10 приведены изображения двух объектов, полученных с помощью бороскопа (жесткого эндоскопа) с фотоаппаратом (рис. 10.1 а, б), гибкого эндоскопа с телевизионным трактом (рис. 10.2 а, б) и видеоэндоскопа (рис. 10.3 а, б).

Как видно на представленных изображениях, из трех приборов самое низкое разрешение имеет гибкий эндоскоп с телевизионным трактом. Такой результат объясняется наличием в канале наблюдения оптоволоконного жгута, который имеет низкое пространственное разрешение. Результаты, полученные бороскопом с фотоаппаратом и видеоэндоскопом, показывают возможность выявления дефектов, размеры которых составляют десятые доли миллиметра.

Приборы ночного видения (ПНВ), обеспечивающие решение поисковых задач в сумерках и ночью, а также в ряде случаев и при пониженной прозрачность атмосферы, получили в настоящее время широкое распространение.

Функциональная блок-схема оптического тракта современного ПНВ представлена на рис. 11.

В современных конструкциях ЭОП для усиления изображения используются вторично-эмиссионный усилитель или микроканальная пластина (МКП), устанавливаемая между фотокатодом и экраном. МКП позволяет получить усиление в десятки тысяч раз, а в некоторых ЭОП специального назначения - до 107 раз, что достаточно для регистрации единичных фотонов.

Очевидно, что наиболее сложным и ответственным узлам ПНВ, определяющим как его предельные параметры, так и цену, является ЭОП. В настоящее время производится широкий спектр ПНВ, основанных на ЭОПах от нулевого до III-го поколения.

ЭОП с электронным переносом изображения и мультищелочным фотокатодом (S-20) сегодня относится к нулевому поколению, на сленге специалистов - «нулевка». Наиболее распространенные представители этого семейства в России - В-8, знаменитая «восьмерка», К-4, представляющая интерес как простой преобразователь.

Наибольшим недостатком ЭОП с электростатическим переносом изображения является резкий спад разрешающей способности от центра поля зрения к краям из-за несовпадения криволинейного электронного изображения с плоским фотокатодом и экраном.

Усовершенствование ЭОПов нулевого поколения за счет применения волоконно-оптических пластин (ВОП), обеспечивающих сопряжение плоских поверхностей фотокатода и экрана с криволинейным электрическим полем, позволило добиться практически постоянного разрешения по всему полю зрения. Такие ЭОПы относятся к I-му поколению.

В настоящее время ЭОПы первого поколения еще находят применение в ночных прицелах для охотничьих ружей и успешно используются там, где требуется только преобразование длин волн ближнего ИК-диапазона в видимый свет.

Разработка вторично-эмиссионного усилителя в виде микроволновой пластины (МКП) и применение его в совокупности с ВОП позволило создать малогабаритные и энергоэкономичные ЭОПы с оборотом изображения за счет электростатической фокусировки, которые относятся по II-му поколению.

Разработка ЭОПа с МКП бипланарной конструкции, т.е. без электростатической линзы, своего рода технологический возврат к прямому переносу изображения, явилась фундаментом создания миниатюрных ЭОПов, относимых уже к поколению II+. Эти ЭОПы позволяют создавать высокоэффективные малогабаритные ПНВ, оборот изображения в которых осуществляется в дополнительных миниобъективах.

Следующий шаг в развитии ЭОПов определился повышением чувствительности фотокатода. Как было установлено, оптимальным материалом для создания фотокатода является арсенид галлия, способный эффективно эмитировать электроны при начальном излучении с длиной волны 0,9 мкм и менее.

Применение «высоких технологий» позволило создать ЭОП на основе AsGa-ФК, высокая стоимость которого компенсировалась предельно высокой чувствительностью фотокатода. Такие ЭОПы относятся к III-му поколению.

Интегральная чувствительность некоторых образцов ЭОПов III-го поколения достигает 2000 мА/Вт, квантовый выход (отношение числа эмитированных электронов к числу падающих на фотокатод квантов с длиной волны в области максимальной чувствительности) превышает 30 %!

ЭОПы III-го поколения сегодня относятся к ключевым военным технологиям и обеспечивают создание высокоэффективных средств поиска и наблюдения. Необходимо отметить, что распространение такой высокотехнологичной продукции контролируется государством.

В табл. 9 приведены основные характеристики ЭОПов различного поколения.

Несмотря на то, что ПНВ с ЭОП III способны обеспечить выполнение поисковых задач в самые темные ночи, в настоящее время ведутся активные работы по разработке как ЭОП IV поколения, так и в направлении улучшения схемотехники самих ПНВ. Большинство работ связано с совершенствованием энергономических характеристик, конструкции и расширением функциональных возможностей приборов. Существенный интерес представляет и разработка фотокатодов с чувствительностью, продленной в длинноволновую область ИК-диапазона.

Аппаратура обнаружения оптических и оптоэлектронных систем наблюдения. Системы видеонаблюдения, и в том числе ПНВ, являются эффективными поисковыми средствами. Однако существует и обратная задача, суть которой сводится к необходимости обнаружения систем видеонаблюдения.

Появление объективов типа «pinhol» и малогабаритных ТВ-камер обеспечило создание миниатюрных систем скрытого видеонаблюдения (СВИД), которые могут быть легко размещены в переносных устройствах (папки, кейсы, зонты и т.п.), очках, бижутерии, деталях одежды и т.п. Светосильная современная оптика и электронно-оптические преобразователи обусловили появление, длиннофокусных объективов, прицелов, приборов ночного видения и комбинированных систем, которые позволяют эффективно решать задачи наблюдения, контроля, прицеливания и получения информации на расстояниях от 500 м и более.

В ряде случаев цена информации, получаемой с помощью СВИД или длиннофокусной оптики (ДФОП) является чрезвычайно высокой, нередко сопряжена с личной безопасностью, и иногда затрагивает экономическую и государственную безопасность.

Перспективным методом обнаружения систем СВИД и ДФОП является оптико-локационный метод, основанный на эффекте световозвращения, возникающем при лазерном зондировании инспектируемых систем.

Эффект световозвращения обусловлен автоколлимационным ходом лучей в типичной облучаемой оптико-электронной системе (ОЭС), в фокальной плоскости которой находится какой-либо отражающий элемент. Сама ОЭС выступает при этом как световозвращатель (СВ). После прохождения зондирующего излучения входного зрачка ОЭС формируется индикатриса ретроотраженного излучения, угловой размер которой не превышает несколько мрад, а форма определяется конструкцией оптической системы и ее аберрационными характеристиками. Эффективность световозвращения помимо конструктивных и оптических характеристик инспектируемой системы определяется длиной волны зондирующего излучения.

Эффект световозвращения присущ всем без исключения ОЭС, которые в общем виде могут быть представлены как объектив, в фокальной плоскости которого располагается плоский фотоприемник (ПЗС-матрица, фотокатод и т.п.). Такая оптическая система относится к зеркально-линзовому типу СВ. Интенсивность ретроотраженного излучения таких систем при равной освещенности входного зрачка может изменяться на 5... 6 порядков.

Преобразующие свойства СВ определяют характеристики ретроотраженного излучения, которое может быть описано энергетическими, пространственно-частотными, поляризационными и спектральными параметрами.

К основным энергетическим характеристикам СВ

относятся:

R - показатель световозвращения (ПСВ);

I-индикатриса отражения;

R(φ) - пеленгационная характеристика.

На рис. 12 показана типичная картина расположения источника подсвета 1 и инспектируемой ОЭС 2 с указанием осей и углов, с помощью которых описывается процесс световозвращения.

ПСВ R(p) в некотором направлении (р) (, распространения ретроотраженного излучения представляет собой отношение силы света I(p), отраженного в выбранном направлении, к облученности входного зрачка ОЭС Е: 

В этом случае интегральный ПСВ определяется как усредненная величина R(p) в данном направлении, в некотором телесном угле Ω

Совокупность ПСВ по всем направлениям составляет нормированную пространственную индикатрису отражения СВ 1(р).

Пеленгационной характеристикой СВ I (р) называют зависимость ПСВ от угла пеленга (φ между осью оптической системы N ОЭС и направлением на источник подсвета р.

К пространственно-частотным характеристикам относятся аберрационная функция зрачка (АФЗ), функция рассеяния (ФР) СВ и его оптическая передаточная функция (ОПФ), которые описывают преобразующие свойства оптической системы СВ соответственно в пространственных и частотных координатах для данной длины волны зондирующего излучения.

АФЗ описывает излучение пространственного распределения амплитуд и фаз световой волны при прохождении ее через оптическую систему. АФЗ в общем случае представляет собой двухмерную векторную функцию, которая определяется произведением геометрической и поляризационной аберрационной функции зрачка. Ее математическая запись достаточно громоздка и здесь не приводится. Следует подчеркнуть, что АФЗ СВ определенным образом определяет его ФР и ОПФ.

Функция рассеяния в физическом смысле является индикатрисой ретроотраженного излучения, а ОПФ, в свою очередь, представляет собой Фурье-образ ФР СВ. Если идеальный СВ имеет входной зрачок круглой формы, диаметром Д CB, то его нормированная ФР записывается следующим выражением:

описывающем распределение Эри.

Радиус первого темного кольца (кружка Эри) ФР:

Вид ФР идеального СВ и соответствующая ей ОПФ приведены на рис. 13.

Рис. 13. Пространственно-частотные характеристики идеального СВ

Максимальная пространственная частота пропускания оптической системы СВ составляет:

Под спектральными характеристиками излучения понимается пространственное распределение амплитуды полихроматического излучения. Полихроматические передаточные характеристики СВ являются комплексной характеристикой его спектральных преобразующих свойств в широком диапазоне длин волн и определяются прежде всего спектральными аберрационными характеристиками оптической системы СВ.

Поляризационные параметры излучения определяют амплитуду и фазу составляющих излучения, поляризованных в двух взаимноортогональных направлениях, ориентированных перпендикулярно направлению распространения излучения.

Приведенные выше характеристики СВ позволяют описать его преобразующие свойства при зондировании монохроматическим, полихроматическим источником, а также источником поляризованного излучения.

В табл. 10 приведены расчетные данные Rд для ОЭС с объективом типа «pinhol» на длине волны зондирующего излучения l = 1мкм и r = 0,3 (коэффициент отражения от приемника).

Здесь же приведены расчетные данные угловой ширины θд индикатрис для дифракционно-ограниченных оптических систем СВИД. Угловой размер такой индикатрисы определяется только длиной волны l и диаметром входного зрачка ДсВ.

Реальные оптические системы СВИД обладают остаточными аберрациями, что приводит к уширению индикатрисы отражения, которое связано с размером функции рассеяния. Обычно размер функции рассеяния не превышает размера а одного пиксела ПЗС-матрицы. В этом случае максимальный угловой размер индикатрисы, обусловленной аберрациями, составит:

Где f - фокусное расстояние объектива СВИД.

Значение θа для СВИД при f '/ в, а также соответствующие им значения ПСВ R, приведены в табл. 10. 

При проектировании систем поиска СВИД необходимо учитывать влияние паралакса между осями приемной и передающей систем, который прежде всего сказывается на малых расстояниях.

Для исключения паралакса наиболее надежным способом построения поисковой аппаратуры является реализация приемо-передаточного канала по коаксиальной схеме.

Основной задачей аппаратуры обнаружения систем видеонаблюдения (получившей название «Антисвид») является формирование на экране монитора изображения блика, обусловленного ретроотраженным от системы видеонаблюдения (цели) излучением на фоне окружающих объектов, а также при наличии шумов и помех. При этом качество изображения должно обеспечивать выявление цели с достоверностью не хуже 0,99.

Необходимо отметить, что к аппаратуре «Антисвид» предъявляются противоречивые требования. С одной стороны изображение цели должно легко обнаруживаться оператором на мешающем фоне других объектов, с другой - изображение окружающих предметов также должно быть отчетливым, что необходимо для определения местоположения цели. Добиться удовлетворения этих требований можно путем использования спектральных (интерференционных), амплитудных (повышение контраста и подавление шума), частотных и поляризационных методов селекции изображения цели на мешающем фоне.

Решающим (пороговым) устройством, определяющим наличие или отсутствие изображения цели на экране, является зрительный анализатор человека- оператора, представляющий собой оптимальный приемник Зигерта - Котельникова. Вероятность обнаружения блика от цели является однозначной функцией отношения сигнал/шум (µв), представляющей собой интегральную функцию распределения нормальной плотности вероятности, и отличается выбором порога (µв - µпор).

Вероятность Ро правильного обнаружения изображения блика от цели на фоне аддитивного нормального шума определяется согласно выражению:

Существуют два основных варианта построения системы «Антисвид», структурно-функциональная схема которых определяется типом используемого лазера (непрерывный или импульсный).

Система «Антисвид» на основе лазера непрерывного действия мощностью не более 10 мВт позволяет осуществлять обнаружение с вероятностью не хуже 0,9 скрытых малогабаритных ТВ-камер с диаметром оптического зрачка от одного до нескольких миллиметров на расстоянии до 12... 15 м.

Таким оптическим системам соответствуют значения ПСВ от 0,01 /стерадиан (диаметр вх. зрачка ~1 мм) до 3... 8 /стерадиан (диаметр вх. зрачка 4... 5 мм). Угловая ширина индикатрисы отражения составляет от 16 угл. мин до 1,5... 2 угл. мин соответственно. Угловая ширина пеленгационной характеристики указанных оптических систем СВИД составляет 40... 80 град.

Поисковая аппаратура на основе лазера непрерывного действия мощностью до 10 мВт позволяет обнаруживать с высокой достоверностью системы видеонаблюдения с ДФОП на расстоянии до 1000 м.

Дата добавления: 2015-09-06