Сроки проведения: 2012 – 2015гг.

Технико-экономическое обоснование

Целесообразности (необходимости) проведения НИР

Шифр «Обзор»

Наименование НИР: «Поисковые исследования по созданию всесуточной многоканальной комплексной спектро-зональной оптико-электронной системы кругового обзора»

Цель НИР: повышение эффективности систем кругового обзора за счет построения (создания) всесуточных панорамных ОЭС реального времени, обеспечивающих мгновенный круговой обзор (без сканирования) пространства при повышенной дальности и высоком пространственном разрешении по всему полю обзора, на основе (путем) использования новейших достижений в области неохлаждаемых твердотельных матричных фотоприемников видимого и дальнего ИК диапазонов, разработки панорамных объективов, а также на основе достижений в области процессорных технологий и алгоритмов обработки сигналов изображений в реальном масштабе времени, обеспечивающих минимальное время реакции.

Основные задачи НИР:

- нахождение оптимальных оптических схем, обеспечивающих высокое пространственное разрешение по всему полю обзора и создание макетных образцов оптического звена (панорамного блока) спектрозональной ОЭС;

- разработка метода корректного совмещения системы многоканальных изображений элементарных полей зрения при сведении их в единое безаберрационное изображение пространства, адекватно отображающее окружающее пространство и удобное для восприятия оператором,

- поиск путей создания всесуточных ОЭС кругового обзора, стойких к оптическому противодействию, компактных, относительно недорогих, обладающих минимальным временем реакции и обеспечивающих обзор при любых значениях освещенности на местности;

- создание демонстрационных макетных образцов всесуточной многоканальной комплексной спектрозональной оптико-электронной системы кругового обзора для областей длин волн 0, 4 – 1, 1мкм и 8 – 14 мкм.

Сроки проведения: 2012 – 2015гг.

Предполагаемые головные исполнители: Учреждение Российской академии наук Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН (МЦАИ РАН), ГОУВПО Московский энергетический институт (Технический университет), ГОУВПО Московский институт рдиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).

Постановка НИР согласована: Всероссийский НИИ по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России.

Актуальность НИР:

В настоящее время потенциальные возможности и резервы традиционных оптико-электронных систем, построенных на базе одиночных объективов, практически исчерпаны.

Существующие панорамные сканирующие ОЭС, хотя и обладают широким результирующим полем зрения, однако в условиях низкой естественной освещенности имеют недостаточную скорость реакции (обзора) и низкую эффективную чувствительность (обнаружительную способность).

Зрительные многоканальные системы фасеточного типа или системы секторного обзора лишены указанных выше недостатков. Типичными представителями таких систем являются зрительные системы стрекоз, крабов и некоторых других представителей животного мира. Эти зрительные системы обеспечивают им выживание за счет наивысшей скорости реакции и возможности держать под постоянным контролем значительные области пространства, близкие к полусфере. Важной особенностью фасеточных (секторных) зрительных систем является возможность реализовать (без сканирования) важное для ОЭС сочетание параметров: требуемое поле зрения, высокое пространственное разрешение, минимально возможное время реакции и максимальную чувствительность, присущую «смотрящим» системам.

Использование новейших многоэлементных высокочувствительных приемников оптического излучения позволяет уже сегодня создавать панорамные ОЭС фасеточного типа для обзора и глобального контроля больших областей пространства при минимальном времени реакции. А включение в состав таких ОЭС детекторов движения и трекинга целей, способных автоматически обнаруживать движущиеся объекты и отображать их траектории по всему полю обзора, позволят существенно упростить решение задач обнаружения.

Использование при создании многоканальных ОЭС сверхвысокочувствительных ПЗС телевизионных камер с внутренним электронным умножением позволит осуществлять работу в условиях предельно низких значений естественной освещенности на местности порядка 10^-4 – 10^-5 люкса без применения ЭОПов.

Хотя тепловизионные устройства позволяют работать при указанных уровнях естественной освещенности, это не снижает актуальности создания сверхвысокочувствительных устройств для видимого и ближнего ИК участков спектра. Это обусловлено тем, что узнаваемость полученных в отраженном излучении объектов, существенно выше, чем узнаваемость изображений тех же объектов, полученных с помощью тепловизоров, т.е. при помощи собственного теплового излучения. Важно отметить, что в отличие от ЭОПов ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением весьма стойки к оптическому противодействию и позволяют работать в условиях интенсивных световых помех и оптического противодействия. Например, наблюдать при чрезвычайно низкой естественной освещенности цели, находящиеся в непосредственной близости от автомобиля с включенными (навстречу наблюдателю) фарами.

Для реализации потенциальных и, в частности, интеллектуальных возможностей многоканальных ОЭС необходимы мощные видеопроцессорные средства реального времени, высокочувствительные (и сверхвысокочувствительные) мегапиксельные матричные фотоприемники, а также дисплеи высокого и сверхвысокого разрешений. Эти средства до недавнего времени были либо уникальны, либо имели неприемлемые массогабаритные параметры. В настоящее время реализация таких средств становится реальностью. В этой связи актуальным становится поиск новых путей повышения эффективности ОЭС за счет построения многоканальных систем автоматического обзора на основе использования новейших процессорных технологий.

Анализ состояния дел в исследуемой предметной области

В настоящее время осмотр пространства в широком поле обзора в реальном масштабе времени осуществляется панорамными оптико - электронными системами, которые можно разбить на три основных группы.

Первая группа включает ОЭС с механическим и оптико-механическим сканированием, которые осуществляют последовательный просмотр всего поля обзора по заданной траектории и закону сканирования. Недостатки этой группы ОЭС известны.

Вторая группа основана на использовании специальной панорамной оптической системы - панорамного объектива. Такие объективы позволяют одновременно наблюдать картину по азимуту в угловом поле 360^О и по углу места, доходящему до 60^О - 100^О. (Нижняя граница угла места может иметь отрицательные значения, т.е. обзор «ниже» горизонтальной плоскости). Основными недостатками панорамных объективов до недавнего времени являлись: сложность их оптической схемы; наличие асферических преломляющих поверхностей оптических элементов и технологические трудности, не позволявшие обеспечить высокую разрешающую способность по всему полю обзора. Хотя в литературе схемы панорамных объективов описаны достаточно давно масштабные разработки таких устройств, практически, не велись.

Необходимость получения панорамных изображений в различных спектральных диапазонах (в том числе и дальнем ИК) и успехи в технологии современного оптического производства позволили вновь обратиться к панорамным объективам. За последние несколько лет появился ряд американских и отечественных разработок. В схеме панорамного объектива, предложенной в МГУГиК (Московский госуниверситет геодезии и картографии), используются сферические рабочие поверхности, выполненные на моноблоке, что, несомненно, является более технологичным. Однако нижняя граница углового поля такой системы не опускается за плоскость горизонта, т.е. не охватывает линию горизонта. Кроме того, действительное изображение формируется в толще материала оптического блока, что не позволяет использовать его без дополнительной оптики переноса. Варианты панорамного объектива были разработаны в МЭИ(ТУ) (Московском энергетическом институте). Эти объективы выполнены в виде зеркально-линзового моноблока со сферическими преломляющими и отражающими поверхностями и плоской рабочей поверхностью. Они отличаются простотой и технологичностью. Их принцип построения позволяет использовать любой современный оптический материал, выбор которого определяется рабочим спектральным диапазоном.

Использования новых оптических схем панорамных объективов хотя и позволяют решать многие частные задачи кругового обзора, однако, значительные аберрации таких устройств не позволяют получить необходимое качество изображения и не обеспечивают постоянство информационного содержания получаемых изображений при изменении угла места.

Третья группа включает в себя смотрящие ОЭС с составными угловыми полями, т.е. секторами зрения (фасеточный тип зрительной системы). Каждый из секторов формирует свое поле, используя свой собственный оптический канал и фотоприёмник. Полное поле обзора обеспечивается стыковкой изображений смежных секторов обзора. При таком принципе организации ОЭС каждый сектор зрения представляет собой независимый информационный канал. Многоканальный принцип построения ОЭС имеет явные преимущества по пространственным и временным характеристикам. До недавнего времени многоканальные системы находили лишь ограниченное применение из-за своих неприемлемых габаритов и сложности системы корректного совмещения изображений элементарных полей зрения при сведении их в единое изображение.

Для реализации потенциальных и, в частности, интеллектуальных возможностей многоканальных ОЭС необходимы мощные видеопроцессорные средства реального времени, высокочувствительные (и сверхвысокочувствительные) мегапиксельные матричные фотоприемники, а также дисплеи высокого и сверхвысокого разрешений. Эти средства до недавнего времени были либо уникальны, либо имели неприемлемые массогабаритные параметры.

Имеющийся в МЦАИ РАН и в ГОУВПО МЭИ(ТУ) многолетний опыт разработки процессорных средств, построенных на базе программируемых логических матриц (ПЛМ) и специализированных мегафункций для их конфигурирования, показывает перспективность этого направления исследований и возможность создания в достаточно короткие сроки нового поколения микропроцессорных аппаратных средств реального времени для панорамных ОЭС. Исследования методов обработки сигналов изображений, основанных на использовании алгоритмов быстрого двумерного прямого и обратного преобразований Фурье, показали реальность создания эффективных компактных вычислителей, способных выполнять функции специализированных миниатюрных встраиваемых процессоров реального времени для эффективного шумоподавления и обработки сигналов изображений низкоуровневых систем.

Примерно 6 лет назад английская фирма E2V заявила о создании и выпустила в продажу новое поколение кремниевых телевизионных ПЗС фотоприемников с внутренним электронным умножением, так называемые ЕМССD устройства. Эти устройства способны работать при экстремально низких уровнях освещенности на местности, порядка 10^-4 – 10^-5 люкса, что обеспечивает возможность всесуточного применения ОЭС.

ЕМССD устройства являются альтернативой гибридным фотоприемным устройствам, т.е. устройствам, построенным на базе ЭОПа и ПЗС матрицы, объединенных в одном корпусе, получившими название ICCCD устройства в тех случаях, когда требуется высокая помехозащищенность от паразитных источников оптического излучения и высокая стойкость к оптическому противодействию. ЕМССD устройства могут быть применены в ряде случаев для замены тепловизионного канала на сверхвысокочувствительный телевизионный, как средство, обеспечивающее более высокую степень узнаваемости окружающих предметов, объектов и целей.

В МЭИ впервые в мировой практике дистанционной термометрии была продемонстрирована, технически осуществлена и экспериментально подтверждена возможность быстрой регистрации спектрального состава собственного теплового излучения объектов и одновременного определения их температуры при отсутствии априорной информации об излучательной способности поверхности объекта

Кроме того, эти исследования показали, что существовавшие до недавнего времени устройства дистанционного определения температуры в принципе не позволяли решить проблему быстрого и точного определения температуры объектов, перемещающихся с высокой скоростью, изменяющих свой ракурс, форму, а также объектов c неизвестными или переменными значениями излучательной способности поверхности и т.д., что препятствовало постановке вопроса о внедрении средств, использующих спектрально-температурные сигнатуры в ОЭС.

Анализ публикаций (последних 5-7 лет) показал, что за рубежом исследования, посвященные этой проблеме, ведутся в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA Glenn Research Center, USA), FAR Associates (USA), Massachusetts Institute of Technology (USA), True temperature Technologies (Israel), Laboratoire Electronique, Informatique et Image, Universite de Bourgogne (France). Это свидетельствует о том, что в ближайшее время можно ожидать появления зарубежных образцов быстродействующих спектральных измерителей, позволяющих реализовать принцип температурных сигнатур в конкретных применениях..

Новизна работы

Использование новейших сверхвысокочувствительных мегапиксельных ПЗС фотоприемных матриц с внутренним электронным умножением, а также тепловизионных микроболометрических матриц в сочетании с новым поколением мощных микропроцессорных средств реального времени позволяет перевести в практическую плоскость вопрос о создании интеллектуальных панорамных ОЭС кругового обзора нового поколения, способных осуществлять круглосуточную работу при любых уровнях естественной освещенности, включая и условия сверхнизких освещенностей - порядка 10^{− 4} люкса.

Для создания таких панорамных ОЭС кругового обзора будут решены следующие принципиально новые задачи:

· разработка сверхвысокочувствительных телевизионных камер на базе ПЗС матриц с регистром внутреннего электронного умножения для панорамных ОЭС;

· разработка базового принципа построения многоканального оптического звена с высоким разрешением на базе высокочувствительных (и сверхвысокочувствительных) телевизионных ПЗС приемников излучения и тепловизионных микроболометрических матриц для спектральных диапазонов 0.3 – 1.1 мкм и 7 − 14 мкм;

· разработка многоканальных видеопроцессорных средств ввода и обработки оптической информации в реальном масштабе времени, построенных на базе новейших программируемых логических матриц;

· решение проблем совмещения - «сшивания» элементарных (отдельных) изображений без разрывов и наложений при однозначномотображении реального пространства по всем возможным направлениям;

· разработка микропроцессорных средств реального времени, обеспечивающих трансформацию кольцевой (или полусферической) картины реального пространства в адекватное плоское изображение, удобное для восприятия и анализа оператором;

· решение проблемы отображения всего наблюдаемого пространства на единственном мониторе высокого пространственного разрешения и представление информации в виде, позволяющем осуществлять эффективную одновременную работу во всех секторах обзора;

· определение потенциальных возможностей панорамных ОЭС кругового обзора и предельных значений дальности действия и быстроты реакции при различных уровнях естественной освещенности на местности, включая и экстремально низкие рабочие освещенности – порядка 10^{− 4} люкса;

· создание демонстрационных макетных образцов всесуточной многоканальной комплексной спектрозональной оптико-электронной системы кругового обзора для области длин волн 0, 4 – 1, 1мкм и 8 – 14 мкм. и проведение их испытаний;

· выработка рекомендаций и предложений по реализации конкретных задач, решаемых с применением панорамных ОЭС кругового обзора.

Особенностью разрабатываемой многоканальной ОЭС кругового обзора являются сравнительно малые массогабаритные параметры оптического звена.. Так, 12–ти канальная ОЭС, осуществляющая высококачественный кольцевой обзор пространства в видимом и ближнем ИК диапазонах (по азимуту 360°, по углу места около 30°) будет иметь размеры оптического звена не более 250x250x100 мм. Спектрозональный вариант при тех же значениях углов обзора будет иметь габариты 250х250х250мм при весе не более 3-х кг.

Модульный принцип построения многоканальной ОЭС позволяет использовать отдельные модули для формирования оптического звена ОЭС, предназначенных для решения задач кругового обзора, но и для решения частных задач, таких как, например, обзор с углом зрения по азимуту 190, 120 или 90 градусов при заданном угле места. Такие устройства представляют собой упрощенный (усеченный) вариант системы кругового обзора, что позволяет существенно расширить области применения результатов НИР. Важно отметить, что электронная часть многоканальной ОЭС может быть пространственно удалена от оптического звена. Это позволяет говорить о реальности создания многоканальных выносных ОЭС.

Кроме телевизионных ОЭС, сегодня становится реальностью реализация тепловизионных панорамных ОЭС. Появление на рынке тепловизионных пироэлектрических и микроболометрических модулей, с массогабаритными и весовыми показателями близкими к телевизионным ПЗС камерам позволяет ставить вопрос о создании панорамных тепловизионных ОЭС, а также о возможности комплексирования ОЭС и построения двухзональных панорамных ОЭС кругового обзора высокого пространственного разрешения.

Поскольку микропроцессорные средства реального времени для тепловизионных и телевизионных ОЭС по своей архитектуре весьма схожи и, в известном смысле, идентичны, поэтому их исследования целесообразно проводить в рамках единой НИР.

Многоканальный принцип построения ОЭС ставит на повестку дня решение важной задачи - адекватного отображения окружающего пространства на современных компактных дисплеях высокого разрешения. Кроме того, сегодня имеется возможность использования сенсорного монитора высокого разрешения с изображением осматриваемого пространства и угловой сеткой

Использование спектра собственного теплового излучения цели, как неотъемлемого, характерного и трудно устранимого признака цели, позволяет осуществить новый вид (способ) обнаружения по спектру собственного теплового излучения объекта. Характерные особенности спектра собственного излучения и температура цели выступают как её самостоятельные признаки.

Ожидаемые результаты:

Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований по созданию нового поколения ОЭС кругового обзора.

Обоснование и экспериментальное подтверждение возможности создания перспективных панорамных ОЭС кругового обзора.

Оптические схемы построения ОЭС с высоким пространственным разрешением по всему полю обзора и макетные образцы оптического звена (панорамного блока) спектрозональной ОЭС для областей длин волн 0, 4 – 1, 1мкм и 8 – 14 мкм.

Метод корректного совмещения системы многоканальных изображений элементарных полей зрения при сведении их в единое безаберрационное изображение пространства, удобное для восприятия оператором.

Процессорные средства и алгоритмы одновременного автоматического определения угловых координат целей и их одновременного сопровождения;

Демонстрационные макетные образцы всесуточной многоканальной комплексной спектрозональной оптико-электронной системы кругового обзора, стойкие к оптическому противодействию, компактные, относительно недорогие, обладающие минимальным временем реакции и обеспечивающие работу при любых значениях освещенности на местности;

Рекомендации по построению и использованию нового поколения панорамных ОЭС кругового обзора всесуточного применения.