(по материалам докладов ФГУП «СПМБМ Малахит» на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение»)
3.1. В телевизионных системах видения, устанавливаемых на подводных аппаратах, приоритетен вопрос увеличения дальности видимости, т. к. от него зависит повышение поисковой производительности. Решение задачи увеличения дальности видимости, в свою очередь, находится в прямой зависимости от того, насколько успешно удастся снизить помеху обратного рассеяния (ПОР). Она образуется, когда 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 (световая дымка). Световая дымка, вызванная обратным рассеянием света, приводит к снижению контраста изображения: приемное устройство любой системы видения регистрирует дифференциальный сигнал — разность мощностей (энергий) оптического излучения, отраженного объектом и фоном. Такая ситуация соответствует использованию ТВ камер с осветителями в виде прожектора. Сама водная среда при наличии в ней неоднородностей и взвесей отражает свет, препятствуя визуальному наблюдению на большие дальности. Самым распространенным методом снижения ПОР на подводных аппаратах является метод снижения помехи обратного рассеяния за счет увеличения базы между оптическими осями осветителя и ТВ камеры. По результатам исследований, системы дальнего наблюдения требуют снижения ПОР на входе ТВ камеры в 1000 раз. Это вызывает необходимость резкого повышения качества формирования пучка света. Однако формирование качественных световых потоков ведет к большим потерям энергии и снижает эффективность осветительной установки. Подводные светильники можно разделить на два типа:
со сплошным спектром освещения;
с ограниченным спектром освещения.
Первый тип необходим для работы цветных ТВ камер, второй — черно белых. Существует ряд факторов, влияющих как на качество получаемого подводного изображения, так и на дальность видимости в водной среде. К ним относятся: прозрачность и рассеяние воды, поглощение и упомянутая выше ПОР. Качество изображения зависит от разрешающей способности преобразователя «свет сигнал», т. е. от количества элементов в строке и от количества строк в изображении, а также от угла поля зрения, т. е. от объектива. Как правило, подводные ТВ системы, работающие в вещательном стандарте разложения, имеют разрешение 400-500 твл и 600-800 элементов в строке. Углы поля зрения выбираются от 10 до 80°. Чем меньше угол поля зрения, тем выше разрешение и больше дальность видимости. Но при малом угле поля зрения в поисковых подводных ТВ системах при движении подводного аппарата и непрерывном просмотре зоны, особенно малой дальности, может наблюдаться «смаз» изображения. Оптимальной, с точки зрения работы подводных систем видения и получения качества изображения, по мнению авторов, является система, в которой углы поля зрения камерной установки и осветителя одинаковы или же угол поля зрения осветителя может быть на 10 -5° больше. Для большей дальности видимости угол поля зрения камерной установки, как показали эксперименты, должен быть порядка 20-30° . Поэтому лучшим вариантом может быть ТВ система видения, при которой в камерной установке используется объектив с изменяющимся углом поля зрения, например, 10-40° по диагонали и таким же или на 10° большим углом освещения светильника.
Далее рассмотрены требования к стационарным подводным световым приборам на основе традиционных источников света, предназначенным для освещения объектов наблюдения, расположенных на морских глубинах. Световой прибор для освещения объектов, наблюдаемых с помощью ТВ камеры с расстояний до 7 м, будем называть световым прибором ближнего действия (СПБД), а световой прибор для освещения объектов, удаленных на расстояния до 15 м, — световым прибором дальнего действия (СПДД).
Среди общих требований, предъявляемых к световым приборам ближнего и дальнего действий, можно выделить следующие:
световой прибор должен обладать максимальной светоэнергетической эффективностью — световым потоком, формируемым в заданном телесном угле, приходящемся на единицу потребляемой мощности;
режим работы светового прибора — непрерывный;
спектральный состав излучения светового прибора должен обеспечивать возможность работы цветных камерных установок;
световой прибор должен обеспечивать максимально возможные равномерность освещенности по полю и резкие границы светового пучка, соответствующие углу поля зрения ТВ камеры и необходимые для уменьшения световой помехи обратного рассеяния;
световой прибор должен обеспечивать формирование светового пучка, освещающего любое направление в пределах нижней полусферы.
Исходя из характеристик ТВ камер, используемых для наблюдения в ближней зоне (чувствительность, переменное угловое поле и т. д.), СПБД должен отвечать следующим требованиям:
• обеспечивать освещенность на объекте наблюдения, удаленном от светового прибора на расстояние до 7 м, — не менее 30 лк в воде с показателем ослабления ε = 0,2 1;
• диаграмма направленности светового потока, формируемого СПБД, должна изменяться в воде в пределах углов 11°<2α <40°, соответствующих диагонали растра передающей ТВ камеры;
• должна быть обеспечена возможность сканирования светового пучка, формируемого СПБД, в пределах его максимального углового размера: 20αmax = 40°.
Из аналогичных соображений СПДД должен отвечать следующим специфическим требованиям:
освещать предметы, расположенные в угловом поле 36° x 10° и отстоящие от светового прибора на расстоянии 15 м;
обеспечивать освещенность объекта в воде с показателем ослабления ε = 0,2 1, — не менее 2000 лк.
Перечисленные требования к световым приборам, обеспечивающим работу ТВ подводных систем, позволят обеспечить максимальную дальность видения при заданных характеристиках изображения.
3.2. В настоящее время в подводном телевидении применяется оптическая аппаратура, которая либо сканирует пространство обзора постоянным углом поля зрения (применяется обычный объектив с постоянным фокусным расстоянием), либо имеет возможность менять угол поля зрения с помощью вариообъектива. ТВ камера с постоянным углом поля зрения малоэффективна вследствие ряда причин. Вот основные из них:
широкий угол поля зрения позволяет формировать видеосюжеты только в ближней зоне обзора из за большой помехи обратного рассеяния;
узкий угол поля зрения позволяет повысить дальность подводного наблюдения, однако неустойчивое положение подводных аппаратов при наличии воздействия подводных течений, спонтанные, пусть даже незначительные, изменения кренов и дифферентов вследствие малого водоизмещения не позволяют стабильно удерживать наблюдаемые объекты в поле зрения ТВ камеры.
Применение вариообъективов имеет недостаток, заключающийся в том, что в подводном положении «теряется» внешняя обстановка при их использовании. Для устранения возможных недостатков необходимо применять несколько камерных блоков, совмещенных в одной батисфере и имеющих узкие углы полей зрения. Создание такой камерной установки, состоящей из нескольких узкоугольных оптических систем, сопряженных с ПЗС матрицами, является наиболее эффективным методом борьбы со всеми видами оптических помех. Оптика камерного блока для обеспечения высокого коэффициента фильтрации фона от полезного изображения должна иметь поле зрения 5-10°. Уменьшение угла поля зрения ТВ камер значительно снижает влияние фоновой засветки, повышает модуляцию видеосигнала относительно черно белого перепада и, как следствие, улучшает качество изображения на экранах мониторов. Использование нескольких ТВ каналов для формирования суммарного ТВ кадра позволит передавать яркость мелких малоконтрастных деталей практически без потерь их контраста в ТВ аппаратуре (детали размером 0,025 м наблюдались на дальностях до объекта, равных 20 м).
Наиболее эффективное средство борьбы с ПОР — разнесение базы между телевизионными излучателем и приемником. Учитывая, что на больших дальностях (превышающих 0,7Zб) эффективность разнесения базы уменьшается, применение видеокамеры, состоящей из нескольких камерных блоков с перекрывающимися углами, для подводных аппаратов весьма актуально. «Многоглазая» (фасеточного типа) приемная ТВ система с узкими фиксированными полями зрения каждой матрицы, образующими единое поле зрения ТВ комплекса, позволит увеличить темп поступления видеоинформации при сохранении высокой разрешающей способности, увеличит полосу обзора пространства в направлении её ориентации. Сигнал от каждой фотоприёмной матрицы системы передается по параллельным трактам, где предварительно обрабатывается и формируется (например, контрастируется), затем записывается в единое ОЗУ в соответствии с адресом (координатами) данной матрицы в поле зрения комплекса. Возможно применение комбинированного варианта, когда центральная камера имеет вариообъектив, а крайние камеры — объективы с узкими фиксированными углами полей зрения. Такое построение видеокамеры позволит сформировать широкий угол обзора с любым задаваемым разрешением с помощью узкоугольных камер и обеспечит детальный просмотр любого видеосюжета с помощью вариообъектива. Для просмотра подводной обстановки может быть использован монитор с полиэкраном, одна часть которого реализует функции вариообьектива, а другая часть используется для воспроизведения всей обстановки в целом. Таким образом, ТВ камера фасеточного типа обеспечит увеличение полосы просмотра подводного пространства с разрешением не ниже заданного.
3.3. 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.
Учитывая то, что к настоящему времени во всем мире, по видимому, еще не начат этап промышленного освоения ЛСВ, сведения об экспериментальных разработках и созданных единичных образцах носят разрозненный характер. Приводимые характеристики ЛСВ иногда противоречивы и с трудом поддаются сравнительному анализу.
Приведенные причины неудачного использования ЛСВ явились следствием недостаточного понимания тех физических процессов, которые происходят в гидросфере при распространении света, а также некоторых ошибок при ее конструировании, проявившихся в процессе эксплуатации. Эти ошибки возникли, в первую очередь, в результате того, что ранее создаваемые образцы ЛСВ строились по схеме «широкий — узкий», т.е. содержали лазерный канал подсвета, который функционирует в импульсном режиме, обеспечивая одномоментную засветку всего заданного поля обзора, и приемный «узкопольный» канал. Т. н. приемный узкопольный канал на самом деле обеспечивал обзор пространства в довольно широком угле, равном 20-30° по диагонали растра.
В чем причина моделирования таких углов при проведении подводного поиска? В процессе проектирования радиоэлектронной аппаратуры, и, в частности, ЛСВ, сталкиваются интересы пользователей, стремящихся получить больше информации о подводной обстановке за счет расширения угла поля зрения, и здравый смысл разработчиков, хорошо представляющих, что увеличение угла поля зрения ведет к снижению разрешающей способности ЛСВ.
Решением задачи по обеспечению компромисса между увеличением области обзора подводного пространства при задаваемом разрешении является применение камерных установок, имеющих в своем составе несколько видеокамер. Каждая видеокамера обеспечивает просмотр пространства с узким углом поля зрения. Видеокамера, расположенная в центре, априори является неподвижной, а находящимся от нее справа и слева должно быть обеспечено движение по курсовому углу в зависимости от отстояния подводного аппарата от грунта. Чем ближе подводный аппарат к грунту, тем больше боковые видеокамеры, расположенные внутри корпуса камерной установки, разворачиваются к центральной. Это обеспечивает оптимальное перекрытие рабочей полосы поиска с высоким разрешением, равным разрешению одной узкоугольной видеокамеры. При увеличении отстояния подводного аппарата от грунта крайние видеокамеры разворачиваются в сторону от центральной для обеспечения оптимального режима поиска.
Помимо высокой разрешающей способности рассматриваемая камерная установка способна обеспечить стереоэффект, что значительно повысит точность работы оператора, управляющего исполнительными механизмами — манипуляторами. Вывод: представленная камерная установка, которую можно назвать камерной установкой фасеточного типа, позволяет улучшить возможности подводного поиска, расширить полосу просмотра с одновременным повышением точности работы оператора внешней обстановки.
3.4. Как показывает практика, увеличению дальности действия подводных систем видения препятствует три основных фактора:
ослабление светового потока;
расширение светового пучка, связанное с прямым рассеянием;
образование паразитной яркости помехой обратного рассеяния, снижающей контраст изображения.
Для преодоления негативного влияния данных неблагоприятных факторов на дальность подводного видения необходимо переходить к лазерной подсветке. При этом ослабление излучения компенсируется увеличением мощности пучка. Ослабить влияние внешних засветок и рассеянного назад излучения позволяет система стробирования, которая производит селекцию светового потока в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) с помощью электронного затвора, открывающего канал на заданное время.
При использовании лазерной подсветки обнаружено наличие нелинейного отклика водной среды на электромагнитное (лазерное) воздействие большой мощности. Оно приводит к увеличению показателя преломления воды в лучистом канале с n = 1,33 до величины n* = 3, что показали расчеты при проведении эксперимента с лазерной ТВ системой.
Причиной завышенного (по сравнению с табличной величиной в 2,269 раза) значения показателя преломления может быть переход системы в возбужденное состояние, соответствующее поляризации ионов под действием лазерного излучения. При этом происходит искривление оптического фронта волны за счет фазного отставания фотонов в центре пучка относительно граничных лучей. Следствием описанных явлений стало возникновение явления самоканалирования по ходу распространения лазерного пучка.
Был проведён эксперимент и сделаны замеры сечения пучка по всей длине бассейна. Они подтверждают явление самоканалирования светового излучения энергией, соизмеримой с энергией взаимодействия атомов кислорода и водорода в молекуле воды. Замеры проводились при эксперименте, цель которого была экспериментальная оценка степени расфокусировки лазерного луча и её ограничивающего воздействия на разрешающую способность лазерной ТВ системы. Излучатель: электроразрядный газовый лазер импульсно периодического действия с активной средой на основе смеси паров меди с неоном (далее — лазер на парах меди), имеющий характеристики:
импульсная мощность зондирующего импульса — не менее 20-30 кВт;
длительность импульса излучения на уровне половинной мощности — 10 нс;
частота повторения импульсов — не менее 10 кГц;
сканирующее устройство с поэлементным отклонением пучка;
просматриваемая площадь пучка — 4,8·10 4 м2 при L = 19 м;
длина волны — λ = 510,6 нм и λ = 578,2 нм (выделение одной из двух длин волн производилось с помощью калиброванных цветных светофильтров).
Замена плоскопараллельного резонатора на неустойчивый, образованный плоским глухим зеркалом и выпуклой поверхностью линзы с фокусом 70 см, позволила получить следующие характеристики:
угловая расходимость пучка — 0,2 мрад;
максимальная выходная средняя мощность излучения лазера — 1 3 Вт.
Фотоприёмное устройство: для эксперимента по оценке возможностей временного разрешения ЛТС использовался фотоприемник на основе ФЭУ 121, помещенный в погружной контейнер. Уменьшение угла поля зрения до величины порядка 2° обеспечивалось заменой плоскопараллельной пластины иллюминатора контейнера на плосковыпуклую линзу с фокусом около 140 мм и помещением в ее фокальную плоскость диафрагмы, за которой располагалась чувствительная площадка ФЭУ.
Таким образом, применение лазерных осветителей позволяет успешно бороться с фактором, уменьшающим дальность подводного видения, каковым является расширение светового пучка.
3.5. 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 0,7Zб. 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.
Как уже говорилось, 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 (световая дымка). В дальнейшем можно называть ее помехой обратного рассеяния. 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.
Сама водная среда при наличии в ней различных неоднородностей, взвесей отражает свет, препятствуя визуальному наблюдению на большие дальности. Даже применение камерных установок на ПЗС матрицах с чувствительностью 1·10 2 лк не позволяет заглянуть за порог дальности, превышающий 0,7Zб, что на практике соответствует 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. Или: для увеличения оптической глубины на 2 единицы нужно увеличить мощность источника излучения в 10 раз.
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 τ и равна С·τ, где С — скорость света в воде, τ — длительность импульса подсветки. В лазерных осветителях, работающих в импульсном режиме с реализацией метода пространственной селекции, рассеивающий излучение объем среды имеет малую длину (С·τ ~ 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 (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.
Сокращенный текст 2-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике"
РЕТРОСПЕКТИВА
PR новых разработок. Не счесть трудностей, с которыми сталкиваются изобретатели на пути пропаганды своих идей. Между тем, на выставке «Интермузей-99» в «Экспоцентре» обнаружился оригинальный вариант привлечения внимания общественности к разработкам в области экранных и звуковых технологий. Государственный центр современного искусства представил проект «Музей современного искусства в Москве», в числе задач которого — популяризация и распространение художественных идей, концепций, достижений современного искусства. Музей акцентирует процесс коммуникации: общение художника со зрителем, художника с художником, художника с критиком, зрителя со зрителем. По опыту схожих проектов известно, что для достижения подобных вышеозначенным целей все чаще используются технические аудиовидеосредства. Например, в описываемом случае на стенде ГЦСИ работала установка (с трудом, правда, поддающаяся словесному описанию), усиливающая восприятие некоего визуального продукта. Более предметно ознакомившись с сущностью музея, мы пришли к выводу, что для реализации упомянутого процесса коммуникации пригодились бы многие инженерные решения, встречающиеся на технических выставках, — на которых как раз эти решения никем не востребуются. А. Барсуков, журнал "ТКТ" № 6, 1999 г.

Серия сообщений "Водоёмы, полив и гидротехника":Обустройство и использование водной среды
Часть 1 - Технология подводных съёмок
Часть 2 - Всё для подводной видеосъёмки
...
Часть 9 - Плавсредства для каждого
Часть 10 - Производственное применение подводного телевидения
Часть 11 - Электронное зрение подводных роботов
Часть 12 - Особенности подводного зрения
Часть 13 - Трёхмерное цифровое телевидение в ультразвуковом диапазоне для подводных работ
...
Часть 48 - Подводный робот-экскаватор для прокладки трубопроводов
Часть 49 - Подводных роботов может понадобиться очень много
Часть 50 - Подводный робот-краб: способен ли он повредить трубопроводы и трансатлантический кабель?