Э.А. Демьянов, канд. физ.-мат.
наук, П.П. Добровольский, канд.
физ.-мат. наук,
П.В. Журавлев, канд. техн.
наук, Л.К. Попов, канд.
физ.-мат. наук,
В.А. Моисеев, С.М. Чурилов, К.П. Шатунов,
Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН
(г. Новосибирск)
МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЕ ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ С
ДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
|
Рассмотрены пути одновременного обеспечения возможности получения
многоспектральной информации многоканальными широкополъными
оптико-электронными датчиками высокого пространственного разрешения при
использовании линейчатых и матричных фотоприемных устройств с ограниченным
числом элементов. Описана схема построения двух вариантов двухспектрального
многоканального оптико-электронного датчика |
В настоящее время для одновременного исследования оптических свойств, пространственно-временных характеристик микро- и макрообъектов окружающего пространства интенсивное развитие получили многоспектральные методы обработки информации, формируемой многоспектральными оптико-электронными датчиками [1].
Для реализации указанных методов в датчиках используются оптико-электронные системы, построенные по принципу сканирующих спектрорадиометров, спектральных приборов на основе матричных фотоприемных устройств (ФПУ) и т.д. [2].
Однако при решении комплексных задач одновременного определения координат движущихся объектов с их идентификацией по спектроэнергетическим признакам необходимо иметь датчики, обладающие противоречивыми характеристиками:
· широким полем обзора (50-60°);
· высоким пространственным разрешением (1-2');
· минимальными массогабаритными характеристиками;
· возможностью формирования изображения в двух и более далеко отстоящих друг от друга спектральных областях (например, 0,2-0,3; 3-5; 8-14 мкм).
Прямое решение таких комплексных задач приводит к
необходимости поиска новых схем и конструкций датчиков, обеспечивающих
построение и анализ двух- и трехспектральных изображений размерностью до 3600
3600 пространственных элементов, поскольку использование
широко распространенных для этих целей датчиков приводит к значительному
усложнению их конструкции.
Перспективным способом решения задачи идентификации и точного определения координат движущихся объектов является использование оптико-электронных датчиков с динамическим способом формирования поля изображения.
|
|
|
Рис. 1. Оптическая схема датчика с динамическим способом формирования поля изображения |
Оптическая схема одного из вариантов датчика приведена на рис. 1. Она состоит из двух соосных каналов: центрального и периферийного. Центральный канал построен на основе объектива 1, который строит изображение объектов исследования в плоскости 4. Периферийный канал имеет более сложную схему. Он включает в себя восемь клиньев 2, различающихся углами при вершине, объектив 3 с отверстием для прохождения пучков лучей центрального канала и плоскость изображения 5. Схема расположения клиньев показана на рис. 2, а вид поля изображения обоих каналов – на рис. 3.
Узлы клиньев 2 (рис. 2) подобраны так, что пучки лучей, прошедшие через каждый клин, строят изображение в прилежащих друг к другу зонах 1-4 (рис. 3.). Если с плоскостями изображения 4 и 5 (см. рис. 1) совместить линейчатое фотоприемное устройство (ЛФПУ) с восемью фотоприемными линейками, совмещенными с изображениями в зонах периферийного канала, и двумя фотоприемными линейками, совмещенными с изображением центрального канала, и вращать его синхронно с оптической системой датчика вокруг оптической оси, то за один оборот вращения можно записать два кадра его поля изображения. Если для записи информации в каждой зоне периферийного канала и в центральном канале использовать фотоприемные линейки, работающие в различных спектральных диапазонах, то это позволит реализовать двухспектральный, многоканальный оптико-электронный датчик. Применение фотоприемных линеек, каждая из которых обладает спектральной чувствительностью в неперекрывающейся области спектра, дает возможность создать высокоинформативный многозональный, многоканальный оптико-электронный датчик, который особенно эффективен для движущихся объектов.
|
|
|
|
Рис. 2. Схема расположения клиньев периферийного канала |
Рис. 3. Вид поля изображения |
Возможен вариант построения датчика с использованием в центральном канале одно- или двухспектрального матричного фотоприемного устройства. В этом случае запись его информации выполняется или без вращения, или с использованием высокоскоростных микропроцессорных устройств компенсации вращения изображения.
Применение оптической системы, построенной по схеме “объектив в объективе” с клиньями, позволяет создать датчик с различным независимым пространственным разрешением в зонах периферийного и центрального каналов.
Изложенный выше динамический способ формирования поля изображения реализован нами в двух вариантах исполнения спектральных многоканальных датчиков. Периферийный канал в обоих вариантах исполнения работает в спектральном диапазоне 2,8-3,1 мкм, центральный канал первого варианта – в диапазоне 0,25-0,4 мкм, а второго – 3-5 мкм.
ФПУ в первом варианте исполнения построено на основе
четырех фотоприемных линеек размерностью 2128 элементов в периферийном канале и высокочувствительного
телевизионного блока, включающего в себя электронно-оптический преобразователь
ультрафиолетового диапазона спектра (УФ ЭОП), микропроекционную систему и
ПЗС-камеру в центральном канале (рис. 4).
|
|
|
Рис. 4. Вариант исполнения двухспектрального |
Во втором варианте исполнения ФПУ для периферийного
канала построено на основе четырех фотоприемных линеек размерностью 2256, а в центральном канале установлена фотоприемная матрица
размерностью 256256 элементов (рис. 5). Оптическая система периферийного
канала имеет четыре клина, разбивающих поле изображения на четыре примыкающие
друг к другу зоны с угловыми размерами соответственно: 0-7,5°; 7,5-15°;
15-22,5°; 22,5-30°. Это обеспечивает при вращении формирование поля изображения
с угловым размером 60° и пространственным разрешением 2'.
|
|
|
Рис. 5. Вариант исполнения двухспектрального датчика с ИК матрицей в центральном канале |
Для повышения точности определения координат и информативности в первой зоне (0-7,5°) она перекрывается центральным каналом с угловым размером поля изображения 1,5° и пространственным разрешением 20°. Таким образом, в центральной области изображения с угловым размером 1,5° обеспечивается высокое пространственное разрешение и имеется возможность применения двухспектрального метода обработки информации.
В периферийном канале в зависимости от решаемой задачи, быстродействия применяемой микропроцессорной техники, ЛФПУ и алгоритмов обработки информации имеется возможность варьирования пространственным разрешением датчика путем варьирования скорости его вращения (угловой скорости сканирования).
Список литературы
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.: ООО “Недра Бизнесцентр”, 1999.
2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография: Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.
| Наверх |