Активно-импульсные телевизионные измерительные системы для обеспечения навигации транспортных средств в сложных метеоусловиях

Полный текст

В настоящие время в науке и технике все шире распространяются системы технического видения, способные эффективно решать задачи поиска, обнаружения и распознавания объектов наблюдения в плохих метеорологических условиях видимости (при тумане, дымке, пыли, снегопаде).

Дальность действия и вероятность распознавания объектов традиционными телевизионными системами наблюдения значительно ограничивается в условиях пониженной прозрачности среды распространения. Основной причиной ограничения дальности обнаружения и идентификации объектов наблюдения в сложных условиях видимости является воздействие помехи обратного рассеяния [1].

Помеха обратного рассеяния возникает из-за рассеяния фотонов света на аэрозолях атмосферы в направлении наблюдателя, что приводит к значительному снижению контраста изображения и как следствие – к невозможности обнаружения и распознавания объектов наблюдения [2].

Есть широкий спектр систем наблюдения для работы в сложных условиях видимости:

• пассивные и пассивно-активные низкоуровневые телевизионные системы;
• активно-импульсные телевизионные измерительные системы (АИ ТИС);
• тепловизионные системы.

АИ ТИС эффективно устраняют помеху обратного рассеяния и не чувствительны к низким температурным контрастам в отличие от тепловизионных систем. Принцип работы АИ ТИС основан на импульсном подсвете пространства и стробировании по времени фотоприемного устройства, оснащенного быстродействующим затвором.

Сущность метода сводится к следующему. Объект наблюдения освещается световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. Когда временнáя задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна удвоенному времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства непосредственно вокруг него. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса [3].

В качестве фотоприемного устройства в АИ ТИС, как правило, применятся электронно-оптический преобразователь (ЭОП), работающий в импульсном режиме. ЭОП в АИ ТИС выполняет роль быстродействующего электронного затвора и усилителя яркости изображения. Для получения видеосигнала ЭОП согласуется с телевизионной камерой. Согласование возможно путем стыковки через волоконно-оптический прибор (фокон), прямой стыковкой ЭОП со светочувствительным элементом ТВ камеры или с использованием линзового согласующего объектива.

Применение линзового согласующего объектива обусловлено возникновением сильных потерь в энергетике переносимого оптического изображения. Согласование путем стыковки через фокон или прямой стыковкой ЭОП со светочувствительным элементом ТВ-камеры не позволяет быстро заменять компоненты устройства (так как это немодульная конструкция) и повышает его стоимость [4, 5].

В качестве устройства подсвета для АИ ТИС в основном применяются осветители на базе лазеров или светодиодов, работающих в импульсном режиме. Длительность импульсов подсвета может составлять десятки или единицы наносекунд, что позволяет добиться высокой импульсной мощности, а малое время экспозиции фотоприемника значительно снижает чувствительность системы к фоновому излучению [6].

В зависимости от назначения АИ ТИС могут использоваться в воздушных, наземных, подземных, надводных и подводных условиях их применения.

Повысить дальность видения АИ ТИС можно путем как повышения мощности подсвета, так и уменьшения углов излучения подсвета и приема отраженного излучения.

Наиболее целесообразным решением при значительных мощностях излучения подсвета является схема группового модуля устройства осветителя. Осветитель, выполненный по этой схеме, состоит из ряда стандартных модулей с взаимно параллельными оптическими осями.

Каждый модуль имеет объектив и излучатель, содержащий решетку лазерных диодов с интегратором или без него. Излучение всех модулей суммируется в едином угле подсвета, равном углу подсвета одного модуля. Такая схема осветителя обеспечивает его минимальные продольные габариты, простую схему объектива формирования излучения. Схема удобна также высокой ремонтопригодностью, так как при выходе из строя одного модуля его легко можно заменить на другой [7].

В зависимости от изменения условий окружающей среды применяются различные режимы работы АИ ТИС: непрерывный, активно-непрерывный или активно-импульсный с временной селекцией импульсов излучения, отраженных от объектов.

В активно-импульсном режиме управление дальностью наблюдения АИ ТИС происходит путем изменения задержки открытия затвора фотоприемника относительно импульса подсвета (задержки стробирования). Регулировка задержки стробирования ЭОП позволяет получить информацию о дальности до объекта наблюдения с погрешностью, которая будет зависеть от глубины и формы активной зоны видения системы.

Управление задержкой стробирования ЭОП в АИ ТИС может быть реализовано в ручном и полуавтоматическом режимах с использованием программируемой логики.

В ручном режиме управления задержка импульсов стробирования, предварительно установленная на выбранной величине, вручную плавно и непрерывно или дискретно и ступенчато увеличивается или уменьшается до величины, соответствующей максимальной или минимальной дальности действия АИ ТИС. При изменении задержки зона наблюдения непрерывно или дискретно смещается по дальности и совмещается оператором с выбранным объектом интереса. Данный режим работы системы предполагает постоянное участие оператора и неэффективен при высокой скорости движения объекта.

В полуавтоматическом режиме управления периодически изменяется задержка импульсов стробирования, сканируется зона наблюдения от минимальной до максимальной дальности действия системы и обнаруживается объект по глубине дальности видимости. Данный режим не требует постоянного участия оператора и может быть использован при высокой скорости движения объекта.

Активная зона видения АИ ТИС

Форма активной зоны видения в общем случае будет представлять собой результат свертки импульса подсвета S_L с импульсом стробирования ЭОП S_g. Если импульсы имеют прямоугольную форму и одинаковую длительность, то активная зона видения будет иметь форму треугольника (рис. 1).

 

Рис. 1. Активная зона видения для прямоугольных импульсов подсвета и стробирования при τL = τg без учета ослабления световой энергии

 

Поскольку импульс излучения подсвета, отраженный от объекта, расположенного на расстоянии, соответствующем задержке стробирования ЭОП, будет приниматься в течение всего времени открытого состояния ЭОП, когда длительности импульсов равны, центр активной зоны видения будет обладать максимальной энергией в одной точке и соответствовать задержке стробирования ЭОП [8].

Глубина активной зоны видения  будет зависеть от суммарной длительности импульсов подсвета и стробирования ЭОП

$d_z=\frac{({\tau }_L+{\tau }_g)\cdot c}{2},$ (1)

где → ${\tau }_L$  – длительность импульса подсвета;

${\tau }_g$– длительность импульса стробирования ЭОП;

$c$ – скорость света.

Если длительность импульса подсвета меньше длительности импульса стробирования ЭОП, активная зона видения приобретает форму трапеции. Область максимальной энергии будет обладать некоторой протяженностью, а точка, соответствующая задержке стробирования ЭОП, будет расположена в начале области максимальной энергии (рис. 2) [9].

 

Рис. 2. Активная зона видения для прямоугольных импульсов подсвета и стробирования при τL < τg

 

Начальная точка активной зоны видения d_Zstart при любых соотношениях длительностей зависит от длительности импульса подсвета и определяется выражением

$d_{zstart}=\frac{(t_D-{\tau }_L)\cdot c}{2},$(2)

где  →  t_D – задержка стробирования ЭОП;

τ_L – длительность импульса подсвета;

c – скорость света.

На рис. 3 приведены выражения, при помощи которых можно вычислить основные точки активной зоны видения при τ_L < τ_g  для сигналов прямоугольной формы.

 

Рис. 3. Расчет основных точек зоны для τL < τg

 

На практике при распространении излучения в атмосфере ослабление его интенсивности определяется двумя сомножителями, один из которых обратно пропорционален квадрату расстояния до объекта, а второй содержит экспоненту с отрицательным показателем. Поэтому с уменьшением прозрачности атмосферы искажение формы активной зоны видения будет усиливаться [10].

Кроме того, прямоугольные импульсы малой длительности с высокой амплитудой технически трудно реализовать, поэтому при расчете активной зоны видения необходимо учитывать длительность фронтов импульсов, которые будут влиять на форму активной зоны видения.

Для расчета формы активной зоны видения с учетом ослабления световой энергии подсвета пропорционально квадрату расстояния и затухания в замутненной среде распространения используем выражение

$S_Z\left(L\right)=\frac{1}{L^2\cdot {\sigma }^2\left(L\right)}\cdot \underset{0}{\overset{\tau }{\int }}{S}_g(t+\frac{2L}{{10}^{-9}c})\cdot S_L\left(t\right)dt,$ (3)

где  →  τ – время интегрирования;

L – расстояние;

S_L(t) – сигнал подсвета;

S_g(t) – сигнал стробирования ЭОП;

σ(L) – коэффициент оптического ослабления среды распространения.

На рис. 4 приведен результат расчета активных зон видения для расстояний 15 м (зона 1) и 30 м (зона 2) при равной длительности импульсов подсвета и стробирования ЭОП (60 нс) с учетом ослабления излучения пропорционально квадрату расстояния и с учетом оптического ослабления в среде распространения (в легком тумане), равного 20 дБ/км.

 

Рис. 4. Модель формы активной зоны видения для дистанций 15 м и 30 м (точками отмечено расстояние, соответствующее задержке стробирования ЭОП)

 

Таким образом, показано, что на малых дистанциях наблюдения активная зона видения значительно искажается в условиях пониженной прозрачности среды распространения. Область максимальной энергии зоны видения смещается от центра зоны в ее начальную часть, что приводит к усилению остаточной помехи обратного рассеяния, к засветке от ближних объектов, к снижению контраста изображения и к погрешностям в определении расстояния до объектов наблюдения.

Для минимизации последствий искажения активной зоны видения длительность импульсов источника подсвета должна быть уменьшена. Уменьшение длительности импульсов источника подсвета относительно длительности импульсов стробирования ЭОП приведет к увеличению крутизны переднего фронта активной зоны видения и к смещению точки, соответствующей задержке стробирования ЭОП в начальную область активной зоны видения.

На рис. 5 приведен результат расчета активных зон видения для расстояний 15 м (зона 1) и 30 м (зона 2) в параметрах среды распространения. Длительность импульса подсвета уменьшена вдвое – до 30 нс, длительность импульса стробирования ЭОП увеличена до 90 нс.

 

Рис. 5. Модель формы активной зоны видения (искажения скомпенсированы крутизной переднего фронта активной зоны видения)

 

Экспериментальные исследования макета АИ ТИС

Для апробации результатов моделирования проведены эксперименты в условиях пониженной прозрачности среды распространения при помощи макета АИ ТИС, разработанного на кафедре телевидения и управления ТУСУР при участии авторов.

В составе системы входной объектив, ЭОП, согласующий объектив, ТВ-датчик (монохромный КМОП сенсор 800 ТВЛ) с повышенной чувствительностью, устройство подсвета, источник питания, блоки управления и ЭВМ со специализированным программным обеспечением (рис. 6). Устройством подсвета является импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (ИЛПИ), работающий в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне.

 

Рис. 6. Структурная схема АИ ТИС

 

Внешний вид макета АИ ТИС представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. Внешний вид макета АИ ТИС

 

Основные технические характеристики макета АИ ТИС:

• дальность видения системы до 200 м;
• угол поля зрения системы 6–12°;
• оптическая мощность подсвета в импульсе 320 Вт;
• длина волны излучения подсвета 842 нм;
• частота повторения импульсов подсвета 50–4950 Гц;
• длительность импульса подсвета 30–120 нс;
• длительность импульсов стробирования ЭОП 30–120 нс;
• глубина активной зоны видения 9–36 м.

Экспериментальные исследования активно-импульсной телевизионной системы проводили в большой аэрозольной камере (БАК) Института оптики и атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Туман в БАК имитировался при помощи генератора тумана путем испарения водно-глицериновой смеси. БАК заполнялся дымом за счет сжигания сосновых брусков в специальной печи. Как правило, замутнение среды распространения туманом или дымом продолжалось до момента, когда в активно-непрерывном режиме работы макета АИ ТИС (без стробирования ЭОП, с активным подсветом) визуально невозможно было обнаружить измерительные миры и объекты наблюдения, расположенные в поле зрения системы. После чего в течение 30 мин взвесь аэрозолей равномерно распределялась по всему объему БАК при помощи вентиляторов.

На рис. 8, 9 для сравнения представлена последовательность видимости АИ ТИС в зависимости от режимов работы и прозрачности среды распространения.

 

Рис. 8. Активно-непрерывный режим АИ ТИС :а) нормальная прозрачность среды распространения

 

Рис. 8. Активно-непрерывный режим АИ ТИС : б) плотный туман

 

В ходе эксперимента макета АИ ТИС в БАК для апробации результатов моделирования активной зоны видения регулировалась длительность импульсов подсвета и стробирования ЭОП при постоянной задержке стробирования.

На рис. 10 представлены кадры АИ ТИС в условиях плотного тумана. Объектом наблюдения выступала измерительная мира (помечена прямоугольником), расположенная на дистанции 21 м (задержка стробирования ЭОП 140 нс), длительность импульса стробирования ЭОП 120 нс.

 

Рис. 9. Активно-импульсный режим АИ ТИС, плотный туман

 

Как можно заметить на рис. 10, контраст изображения объекта наблюдения, полученного при равной длительности импульсов подсвета и стробирования ЭОП, значительно снижен из-за остаточной помехи обратного рассеивания, а объекты, обладающие максимальной яркостью в кадре, расположены на дистанции 15 м. Изображение объекта наблюдения, полученное при длительности импульса подсвета 30 нс, напротив, обладает максимальной яркостью в кадре и заметно более контрастно, что в целом подтверждает результаты моделирования активной зоны видения АИ ТИС.

 

Рис. 10. Изображение объекта наблюдения при длительности импульса подсвета 120 нс (а), 30 нс (б)

 

Представим результаты измерения цифрового контраста объекта наблюдения в зависимости от длительности импульса подсвета при постоянной длительности импульса стробирования ЭОП (120 нс) и при задержке стробирования (140 нс). При длительности импульса подсвета 120 нс уровень контраста объекта наблюдения составил 97, при 60 нс – 193, при 30 нс – 230.

Выводы

В результате исследования получены модели активных зон видения с учетом ослабления оптического излучения пропорционально квадрату расстояния и его затухания в среде распространения. Установлено, что если длительность импульса подсвета и импульса стробирования ЭОП равны, то в условиях низкой прозрачности среды распространения форма активной зоны видимости значительно искажается. Область максимальной энергии зоны видения смещается от центра зоны в ее начальную часть, что приводит к усилению остаточной помехи обратного рассеяния и, соответственно, к снижению контраста изображения объекта наблюдения. Уменьшение длительности импульса подсвета относительно длительности импульса стробирования ЭОП приводит к увеличению крутизны переднего фронта активной зоны видения и к концентрации максимума энергии в точке, соответствующей временной задержке стробирования ЭОП. Высокая крутизна переднего фронта активной зоны видения позволяет более эффективно устранять помеху обратного рассеяния, а максимальная энергия в точке, соответствующей временной задержке стробирования ЭОП, повышает точность определения расстояния до объектов наблюдения. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями макета АИ ТИС, что позволяет сделать вывод о возможности построения эффективных систем навигации транспортных средств в сложных метеоусловиях с использованием АИ ТИС.

Об авторах

Вячеслав Валериевич Капустин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Автор, ответственный за переписку.
Email: peregnun@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2293-0511
SPIN-код: 7584-3518

младший научный сотрудник

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д.40

Андрей Кириллович Мовчан

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: mr.movchann@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0020-6354
SPIN-код: 7690-0947

аспирант

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д.40

Екатерина Викторовна Зайцева

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: katerinka_zev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7944-0468
SPIN-код: 4751-6200

кандидат технических наук, старший преподаватель

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д.40

Михаил Иванович Курячий

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: kur@tu.tusur.ru
ORCID iD: 0000-0002-3970-5644
SPIN-код: 1827-7872

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д.40

Список литературы

Дополнительные файлы