Электронное зрение подводных управляемых аппаратов, типы зрения, требования, предъявляемые к световым приборам и ТВ камерам устанавливаемых на ПТА

Попытка использования лазерных систем видения (ЛСВ) на подводных аппаратах оказалась неудачной. Причины:

- длительность импульса стробирования значительно превышала длительность импульса подсвета, поэтому экспозиция, создаваемая помехой обратного рассеяния, была практически соизмерима с полезным сигналом, отношение S/N стремилось к 1, что приводило к отсутствию изображения;

- не была предусмотрена возможность изменения длительности импульса стробирования, т.е. его временного регулирования;

- угол поля зрения приемной ТВ-камеры формировался широким, что значительно уменьшало разрешение ЛСВ и, соответственно, уменьшало дальность подводного видения.

Информация о местонахождении объекта до начала поиска и в процессе его выполнения носит, как правило, неопределенный характер. Этой неопределенностью обусловлены поисковые действия, суть которых состоит в получении информации о координатах объекта. Как результат, процесс поиска должен быть непрерывным. Это предполагает первичное применение активных высокочастотных гидроакустических средств при обследовании района подводными аппаратами в режиме придонного плавания с последующим выходом на визуальное наблюдение с использованием в качестве источников подсветки лазерных осветителей. Ориентирование лазерных осветителей и видеокамер осуществляется по целеуказанию гидролокаторов. Таким образом, происходит непрерывный процесс передачи энергетического контакта объектов поиска от средств дальнего (гидроакустического) обнаружения к средствам ближнего (телевизионного) наблюдения.

Необходимым промежуточным звеном сформированной системы сбора информации о внешней подводной обстановке выступает лазерный осветитель. Только с его помощью можно обеспечивать эффективную подсветку за границами зоны в 7-15 м. Это обеспечивается тем, что лазерное излучение характеризуется высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К данным свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет

очень важную роль, и вот по каким причинам.

При прохождении светового пучка через водную толщу некоторая (сравнительно небольшая) часть его энергии рассеивается на большие углы и образует сигнал объемного рассеяния,который воспринимается ТВ-приемником как свечение самой среды (ПОР – помеха обратного рассеивания). Световая дымка, вызванная обратным рассеянием света, приводит к снижению контраста изображения, что не удивительно: приемное устройство любой системы видения регистрирует дифференциальный сигнал — разность мощностей (энергий) оптического излучения, отраженного объектом и фоном. Такая ситуация соответствует использованию ТВ-камеры с осветителями в виде прожектора.

Даже применение камерных установок на ПЗС-матрицах с чувствительностью не позволяет заглянуть за порог дальности, превышающий 7-15 м. Преодолеть вуалирующую дымку увеличением мощности светильников прожекторного типа нельзя. Есть данные, в соответствии с которыми увеличение мощности осветительной установки в 10 раз приводит к увеличению дальности видимости под водой лишь на 15%, так как с ростом мощности светильников прожекторного типа растет вуалирующая яркость дымки.

Улучшить отношение «сигнал/помеха» позволяет использование импульсного осветителя и приемника с оптическим затвором, препятствующим прохождению излучения на вход приемника в течение некоторого времени после излучения короткого импульса подсветки. В такой системе отсекается рассеянное назад излучение близлежащим к приемнику объемом среды, дающее основной вклад в ПОР. При этом длительность импульса 10-20 нс, а энергия импульса должна быть достаточной для достижения необходимого отношения «сигнал/помеха» на всех элементах приемника. Разрешающая способность по дальности такой системы определяется длительностью импульса осветителя t и равна С·t, где С — скорость света в воде, t— длительность импульса подсветки.

В лазерных осветителях, работающих в импульсном режиме с реализацией метода пространственной селекции, рассеивающий излучение объем среды имеет малую длину (С·t ~ 2 м) и перемещается вдоль направления зондирования со скоростью распространения света в воде. Это обстоятельство приводит к тому, что отношение «сигнал/помеха» для составляющей шума, вызванной фоновой засветкой (ПОР) в лазерных ТВ-системах (ЛТС), уменьшается с ростом дальности значительно медленнее, чем для систем, использующих излучатель с непрерывным излучением. Поэтому в ЛТС предельная дальность действия существенно превышает таковую для систем с осветителями непрерывного излучения прожекторного типа при равной средней мощности излучения, разрешающей способности и времени получения изображения. Кроме того, импульсный режим подсветки позволяет определять дальность до каждого элемента изображения, что дает возможность получать объемное изображение объекта и селектировать объекты по дальности, а использование лазера с перестраиваемой длиной волны — получить приращение дальности за счет использования окна прозрачности среды.

В связи с изложенным, требования, предъявляемые к лазерным осветителям для реализации комплексирования радиоэлектронных средств подводного поиска, должны быть следующими:

- сине-зелено-желтый рабочий диапазон видимой части спектра;

- возможность работы на разных длинах волн;

- импульсный режим излучения с высокой частотой повторения импульсов (десятки кГц);

- малая длительность излучения импульсов (не более 50 нс) и их передних фронтов (не более 10 нс);

- достаточно высокая энергия импульса излучения (1-10 мДж) и соответствующая ей высокая средняя мощность излучения;

- достаточно высокий практический к.п.д. лазера (~ 1% и выше);

- хорошая стабильность энергии импульса излучения (не хуже 20%);

- малая угловая расходимость пучка выходного излучения.