Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Оптическая электроника
Издательство:
Университетская книга
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 192
Дополнительно
Вид издания:
Практическое пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-98704-198-8
Артикул: 619987.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Излагаются принципы построения оптико-электронных систем с матричными приемниками излучения, работающих в двух и более спектральных диапазонах. Описываются основные узлы таких систем: оптические системы выделения рабочих спектральных диапазонов; матричные двух- и много-диапазонные (многоспектральные) приемники излучения; системы объединения изображений, получаемых в различных спектральных диапазонах. Приводятся примеры использования двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем в различных областях науки, техники, народного хозяйства, в военном деле.
Для разработчиков и потребителей оптико-электронных средств и методов. Может использоваться в учебном процессе высших и средних специальных учебных заведений по направлениям в области оптотехники, фотоиики и оптоииформатики.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 04.03.02: Химия, физика и механика материалов
- ВО - Магистратура
- 03.04.01: Прикладные математика и физика
- 03.04.02: Физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения
В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения Москва 2020
УДК 621.384.3 ББК 32.86-5-01 Т19 Тарасов В.В., Яêóшенêов Ю.Г. Т-19 Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. – М.: Университетская книга; Логос, 2020. – 192 с. ISBN 5-98704-198-8 Излаãаются принципы построения оптиêо-элеêтронных систем с матричными приемниêами излучения, работающих в двух и более спеêтральных диапазонах. Описываются основные узлы таêих систем: оптичесêие системы выделения рабочих спеêтральных диапазонов; матричные двух- и мноãодиапазонные (мноãоспеêтральные) приемниêи излучения; системы объединения изображений, получаемых в различных спеêтральных диапазонах. Приводятся примеры использования двух- и мноãодиапазонных оптиêо-элеêтронных систем в различных областях науêи, техниêи, народноãо хозяйства, в военном деле. Для разработчиêов и потребителей оптиêо-элеêтронных средств и методов. Может использоваться в учебном процессе высших и средних специальных учебных заведений по направлениям в области оптотехниêи, фотониêи и оптоинформатиêи. ББК 32.86-5-01 ISBN 5-98704-198-8 © Тарасов В.В., Яêушенêов Ю.Г., 2020 © Университетсêая êниãа, 2020 © Лоãос, 2020
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................... 7 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ........................................... 9 2. СПЕКТРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ В МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ .................... 17 2.1. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ .................................. 17 2.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ....................... 27 2.3. ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ ОБЪЕКТА ИЛИ ЕГО ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ................... 34 2.4. СПЕКТРАЛЬНО-ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ....... 38 2.5. ВЫБОР ЧИСЛА СПЕКТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ И ИХ РАСПОЛОЖЕНИЯ ............................................ 41 3. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С МАТРИЧНЫМИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ................................. 53 3.1. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНОВ ..................... 53 3.2. ТРЕБОВАНИЯ К ОПТИЧЕСКИМ СХЕМАМ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ И ПУТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ ......................................... 66 3.3. ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРЫ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА (ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРЫ С МАТРИЧНЫМИ МПИ) ........... 77 3.4. ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРЫ ............... 82
Оглавление 6 3.5. СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЕ МНОГОДИАПАЗОННЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ (ВИДЕОСПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРЫ) ............................... 85 3.6. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ И КОРРЕКТИРОВКИ СПЕКТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ .............................. 90 4. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ......................... 97 4.1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ................................... 97 4.2. ДВУХДИАПАЗОННЫЕ МАТРИЧНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ........................................ 98 4.3. МНОГОДИАПАЗОННЫЕ МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ ... 122 5. ОБЪЕДИНЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА .............. 129 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ .................... 144 6.1. ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ ........... 144 6.2. ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ ...... 158 6.3. СИСТЕМЫ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ................ 162 6.4. СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ И БОРЬБЫ С ТЕРРОРИЗМОМ ................................... 169 7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С МАТРИЧНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ............................... 171 БИБЛИОГРАФИЯ .............................................................184
ПРЕДИСЛОВИЕ Оптико-электронные системы (ОЭС) находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Современный этап их развития характеризуется быстрым совершенствованием элементной базы, в частности, развитием оптико-электронных нано- и микротехнологий, созданием матричных многоэлементных приемников излучения (МПИ), позволяющих осуществить «смотрящий» режим работы ОЭС – аналог работы зрительного аппарата живых существ. Создаются интегрированные конструкции, в которых МПИ объединен с системой обработки электронных изображений. Это, в частности, позволяет перейти к решению важнейших практических задач по выделению полезных оптических сигналов и образов на фоне посторонних, мешающих излучающих и отражающих полей путем приема излучения в двух и более диапазонах оптического спектра, т.е. к созданию двух- и многодиапазонных ОЭС. Сочетание возможности работать в нескольких диапазонах с высокой разрешающей способностью МПИ открывает большие перспективы для нового поколения ОЭС. Первые образцы двух- и многодиапазонных ОЭС уже созданы. Им, особенно двухдиапазонным, посвящено большое число публикаций в научно-технической периодике, трудах представительных международных сообществ и конференций. Вместе с тем отсутствуют издания, обобщающие накопленный опыт в этой области и содержащие сравнительный анализ основных технических решений, применяемых при создании таких систем. Авторы стремились заполнить этот пробел, правда, не рассматривая двух- и многодиапазонные ОЭС на МПИ, работающие только в видимом диапазоне, например цветные видеокамеры. Широко используемая в книге аббре
Предисловие 8 виатура МОЭС относится, строго говоря, к многодиапа- зонным ОЭС. Однако для упрощения обозначений авторы во многих случаях используют ее и по отношению к двухдиапазонным ОЭС. Математические аспекты обработки сигналов, получаемых в МОЭС, (прежде всего, многочисленные методы распознавания – структурный и стохастический подходы, метод потенциалов, метод обобщенного портрета, непрерывно-групповой метод и др.) в настоящей книге практически не рассматриваются. Им посвящена обширная специальная литература [1, 2, 5, 8 и др.]. Основное внимание уделено элементной базе и техническому облику современных МОЭС с матричными МПИ. В первых разделах рассматриваются общие принципы работы и построения МОЭС. Затем описывается их основная элементная база, включающая оптические системы выделения спектральных рабочих диапазонов, матричные двух- и многодиапазонные МПИ, системы объединения обработанных первичных изображений, получаемых в различных спектральных диапазонах. Быстрое совершенствование элементной базы МОЭС расширяет возможности технической реализации методов распознавания и круг их практического применения. В заключительной части книги приводятся примеры использования МОЭС в различных областях науки и техники, в военном деле, а также перспективы их развития, т.е. наиболее интересные научные и технические решения, которые способствуют дальнейшему развитию и совершенствованию МОЭС. Авторы с благодарностью восприняли замечания и пожелания многих своих коллег, а также рецензентов книги – сотрудников кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, особенно профессора, докт. техн. наук Г.М. Мосягина, и заведующего кафедрой оптикоэлектронных приборов и систем СПб. ГУИТМО, профессора, докт. техн. наук Э.Д. Панкова.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ДВУХ- И МНОГОДИАПАЗОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ Многомерность оптических сигналов, возможность принимать и обрабатывать в реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают оптико-электронные системы (ОЭС) на первое место среди сложных систем автоматического обнаружения и распознавания сигналов на фоне естественных и организованных помех. Часто эти задачи могут успешно решаться путем создания ОЭС, работающих одновременно в нескольких спектральных диапазонах (многодиапазонных ОЭС – МОЭС). Как известно, использование двух и более спектральных диапазонов при спектральной оптической фильтрации заметно повышает эффективность работы ОЭС. При этом дополнительным преимуществом является то, что оптимальным диапазоном для обнаружения того или иного объекта может быть один, а для его идентификации – другой (другие). Такие системы, также называемые многоспектральными или многоканальными, развиваются уже более трех десятилетий. Они находят применение в медицине, при дистанционном зондировании Земли и других планет, в экологическом мониторинге и других областях науки и техники. В ряде важных применений, например в военной технике или на транспорте, они обеспечивают круглосуточную работу комплексов, в составе которых работают, а также их функционирование в условиях плохой видимости изза наличия дымов, туманов и других факторов. Общепризнано, что в ближайшем будущем большинство ОЭС военного назначе
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ … 10 ния должны быть, как минимум, двухдиапазонными. Двух- и многодиапазонные ОЭС позволяют вести радиометрические измерения, т.е. измерять температуры наблюдаемых объектов и температурные градиенты просматриваемой сцены. Ожидается широкое применение МОЭС в аппаратуре для контроля за производством и распространением ядерного, биологического и химического оружия массового уничтожения; обнаружения стартовых позиций и запусков ракет дальнего действия; диагностики ряда заболеваний, например сахарного диабета; астрономических и астрофизических исследований и др. К большинству современных и перспективных МОЭС предъявляются следующие общие требования: − возможность работать в достаточно широком участке спектра (интервале) оптического диапазона, который иногда включает в себя ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области; − возможность иметь в этом интервале два и более сравнительно узких рабочих спектральных диапазонов. Вместе с тем число таких диапазонов (спектральных рабочих каналов) стремятся свести к допустимому по условиям работы и назначению системы минимуму для упрощения конструкции системы и снижения ее стоимости; − высокое пространственное, энергетическое и временно´е разрешение во всех рабочих спектральных диапазонах (каналах), в частности, высокое качество создаваемого системой изображения во всех рабочих спектральных диапазонах; − совместимость работы отдельных каналов МОЭС и, в то же время, отсутствие вредных перекрестных связей между ними. Кроме того, часто необходима возможность автономной работы этих каналов; − вывод изображений, получаемых на выходах отдельных каналов МОЭС, на единую систему отображения результирующей информации. В научно-технической литературе приняты различные наименования МОЭС. Например, многоспектральными (multispectral) называют ОЭС с небольшим числом спектральных каналов (обычно менее 10) и невысоким спектральным разрешением ∆λ на рабочих длинах волн λ (∆λ/λ > 2 ⋅ 10–3); гиперспектральными (hyperspectral) – с большим числом каналов (от 100 до 500) и умеренным разрешением (например, ∆λ/λ ≈ 10–3…2 ⋅ 10–3); ОЭС
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ … 11 высокого разрешения (ultraspectral) – с числом каналов более 500 и высоким разрешением (∆λ/λ < 2 ⋅ 10–3)*. Недостатками всех МОЭС с большим числом спектральных каналов являются: − трудность, а иногда и невозможность работать в реальном масштабе времени, так как необходимо регистрировать и обрабатывать очень большое число данных; − трудность одновременно получать высокое спектральное и пространственное разрешение и обеспечивать хорошую чувствительность; − большой объем вычислений, которые необходимо проводить для обработки получаемой информации; − сложность конструкций, в которых для разложения принимаемого излучения в спектр обычно используются призмы, дифракционные решетки, интерферометры; большие стоимость, размеры, масса и энергопотребление. Достаточно обобщенная структурная схема МОЭС приведена на рис. 1. Назначение приемной оптической системы в МОЭС принципиально ничем не отличается от назначения такой системы во всех ОЭС [14] и состоит в первую очередь в сборе необходимого для работы системы потока излучения и получения изображения пространства объектов требуемого качества. Система разделения всего спектрального диапазона работы МОЭС на n отдельных каналов (∆λ1, ∆λ2,…,∆λn – 1, ∆λn) может находиться в составе приемной оптической системы, представляя собой, например, совокупность спектроделительных (цветоделительных) фильтров, после которой излучение в отдельных каналах проходит через дополнительные оптические компоненты, например конденсоры или коллективы. Часто, особенно в двухдиапазонных ОЭС, разделение общего спектрального диапазона на отдельные рабочие каналы производится в приемнике излучения, что значительно упрощает конструкцию системы. В электронном блоке МОЭС происходит последовательная или параллельная обработка сигналов, получаемых в отдельных спектральных каналах системы. Эта обработка, обычно заключающаяся в накоплении зарядов, снимаемых с отдельных элементов приемника, их мультиплексировании, усилении, преобразовании в цифро- * Используемые названия этих систем (многоспектральные, гиперспектральные и т.п.), часто являющиеся прямым переводом англоязычных терминов, противоречат нормам русского языка и общепринятым терминам, в первую очередь понятию «спектр».
Доступ онлайн
В корзину