оптико-электронное устройство для дистанционного обнаружения систем скрытого видеонаблюдения

Формула изобретения

1. Оптико-электронное устройство для дистанционного обнаружения систем скрытого видеонаблюдения, содержащее передающий канал, включающий источник излучения подсвета и оптическую систему формирования излучения подсвета, электронный блок питания источника излучения подсвета, приемный канал, включающий светофильтр, приемный объектив и матричный фотоприемник, а также мультиплексор, устройство кадровой памяти, вычитатель изображений, пороговое устройство, систему синхронизации и монитор, причем оптические оси передающего и приемного канала параллельны, первый выход мультиплексора соединен со входом устройства кадровой памяти, второй выход мультиплексора соединен с первым входом вычитателя изображений, второй вход которого соединен с выходом устройства кадровой памяти, выход системы синхронизации соединен с первым входом мультиплексора, являющимся переключателем выходов мультиплексора, входом электронного блока питания источника излучения подсвета передающего канала, а также с регистром накопления матричного фотоприемника, отличающееся тем, что введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), пространственный селектор, выполненный с возможностью приравнивать к нулю уровень сигнала от протяженных объектов, размеры которых больше заданных, а уровень сигнала от объектов, размеры которых не превышают заданные, приравнивать к максимально возможному уровню сигнала, и 3-х канальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), при этом матричный фотоприемник, установленный в плоскости изображения приемного объектива, выполнен в виде ПЗС-матрицы, видеовыход которой соединен со входом АЦП, выход которого соединен со вторым входом мультиплексора, вход пространственного селектора соединен с выходом вычитателя изображений, а выход - со входом порогового устройства, три входа 3-х канального ЦАП соединены с выходом устройства кадровой памяти, а один из входов ЦАП дополнительно соединен с выходом порогового устройства, причем каждый из трех выходов 3-х канального ЦАП соединен с одним из RGB входов монитора.

2. Оптико-электронное устройство по п.1, отличающееся тем, что в приемном канале светофильтр, приемный объектив и матричный фотоприемник расположены последовательно по ходу излучения, при этом введена прямоугольная призма, установленная на выходе оптической системы формирования излучения подсвета передающего канала таким образом, что выходная грань призмы расположена в одной плоскости с входной поверхностью светофильтра, но не виньетирует объектив приемного канала, при этом расстояние между оптическими осями приемного и передающего канала

p 0,5(D+L),

где D - диаметр объектива приемного канала;

L - размер выходной грани призмы в плоскости, проходящей через оптические оси приемного и передающего каналов, L d, где d - диаметр сечения потока излучения подсвета в плоскости выходной грани призмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее - к лазерным локационным системам дистанционного обнаружения оптических и оптико-электронных систем скрытого наблюдения.

Известно оптико-электронное устройство для дистанционного обнаружения систем скрытого видеонаблюдения (RU 2191417 С1, опубл. 20.10.2002), содержащее передающий канал, включающий источник излучения подсвета и оптическую систему формирования излучения подсвета, установленный параллельно передающему каналу приемный канал, включающий приемный объектив и матричный фотоприемник, установленный в плоскости изображения приемного объектива, глухое зеркало и светоделитель, сопрягающие приемный и передающий каналы и защитное стекло, установленное под углом к оптической оси, причем светоделитель выполнен в виде полупрозрачной пластины, установленной по ходу излучения передающего канала после оптической системы формирования излучения подсвета, а глухое зеркало установлено по ходу излучения приемного канала после полупрозрачной пластины. Выход фотоприемника соединен со входом монитора, а сам матричный фотоприемник выполнен в виде ПЗС-матрицы.

Принцип действия известного устройства основывается на использовании явления световозвращения. Это явление заключается в том, что при подсвете инспектируемой оптической системы узконаправленным пучком излучение отражается от ее поверхностей в направлениях, точно совпадающих с направлением на источник подсвета. Сама инспектируемая оптическая система рассматривается в этом случае как световозвращатель. Отраженное излучение формирует на матричном фотоприемнике изображение поля обзора. Это изображение формируется, во-первых, диффузно отраженным от предметов излучением, а во-вторых, - световозвращенным излучением, обратноотраженным инспектируемой оптической системой скрытого видения. При этом в плоскости изображений положению световозвращателя будет соответствовать яркий блик. Устройство выполнено по совмещенной оптической схеме. Благодаря этому оно позволяет обнаруживать оптические системы скрытого видеонаблюдения. Однако ему присущи некоторые недостатки.

1. Приемный канал подвержен засветке паразитным излучением передающего канала. Это излучение может быть образовано в результате отражения зондирующего излучения передающего канала, от светоделительных поверхностей, а также при рассеянии этого излучения на микронеровностях этих поверхностей или случайно занесенных на них пылинках и т.д.

2. Особенностью работы устройства является то, что оно работает при минимальных отношениях сигнал/шум. Рассматриваемые СВ типа pin-holle являются очень слабоотражающими СВ, с показателем световозвращения 1-10 см²/с·рад, что на несколько порядков меньше других известных СВ (биноклей, приборов ночного видения и т.д.). Поэтому уровень отраженного им локационного сигнала сравним с уровнем фоновой засветки окружающих объектов. Кроме того, такой СВ для приемного канала является близким к точечным излучателям, т.к. размеры его входного зрачка составляют очень малые величины, порядка 1 мм и менее. Поэтому размер его изображения на ПЗС матрице приемного канала соответствует размеру одного пиксела. Таким образом, можно констатировать, что наблюдатель - оператор - ведет поиск малоконтрастных объектов с размерами, близкими к точечному, с помощью телевизионной системы. При этом дополнительно отметим, что отношение сигнал/шум зарегистрированного изображения окружающих предметов - высокое, т.к. наблюдение ведется при достаточно высоких уровнях освещенности в пространстве предметов.

Обнаружение блика от камеры скрытого видения в таких условиях осуществляется по разрешаемому оператором контрасту его изображения на экране монитора. С увеличением дальности контраст в изображении блика падает. Минимально разрешаемый контраст будет определять дальность его обнаружения. Известно, что значение минимально разрешаемого контраста при наблюдении оператором объектов с высоким отношением сигнал/шум определяется внутренними свойствами зрительного анализатора и составляет K_min=0,02. Оно и будет ограничивать дальность действия устройства.

Известно устройство обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения (RU 2278399 С2, опубл. 20.06.2006), являющееся ближайшим аналогом и содержащее передающий канал, включающий источник излучения подсвета и оптическую систему формирования излучения подсвета, электронный блок питания излучателя, приемный канал, включающий светофильтр, приемный объектив ОЭП и видеокамеру с матричным фотоприемником, выход которого соединен с входом мультиплексора, первый выход которого соединен с входом устройства кадровой памяти, а второй выход соединен с первым входом вычитателя изображений, второй вход которого соединен с выходом устройства кадровой памяти, при этом выход вычитателя изображений соединен со входом порогового устройства. Устройство также содержит вторую видеокамеру, выход которой соединен с первым входом формирователя композитного сигнала, второй вход которого соединен через блок коррекции параллакса с выходом порогового устройства, а выход формирователя композитного сигнала соединен с монитором. Система синхронизации соединена с переключателем выходов мультиплексора и входом электронного блока питания передающего канала.

Однако такое устройство обладает рядом недостатков при обнаружении систем скрытого видеонаблюдения, например видеокамер скрытого видения. Сам сигнал отраженного от камеры скрытого видения лазерного излучения подсвета по своей интенсивности сравним с сигналом диффузно отраженного лазерного излучения подсвета от окружающих камеру предметов. Эта особенность обусловлена специфическими характеристиками оптической системы камеры скрытого видения. К этим особенностям относятся малый диаметр входного зрачка ее оптической системы - 1 мм и менее. Поэтому отражательная характеристика такой камеры - световозвращателя - показатель световозвращения (ПСВ) R составляет порядка 10 ^-4 м²/с·рад, как было отмечено выше. Для сравнения отметим, что показатель световозвращения для обычных оптических и оптико-электронных приборов - прицелов, биноклей, приборов дневного и ночного видения (о которых идет речь в устройстве-аналоге) составляют 1...10² м²/с·рад. Поэтому, используя такое устройство-аналог для обнаружения камер скрытого видения, мы получим на мониторе в лучшем случае изображение пятна подсвета, промодулированное коэффициентом отражения окружающих камеру предметов. Обнаружить на этом фоне точечный излучатель (систему скрытого видеонаблюдения) крайне проблематично, а при увеличении дальности - невозможно.

Кроме того, устройство-аналог обладает параллаксом между передающим и приемными каналами. При обнаружении оптических систем, удаленных на значительные расстояния (сотни и тысячи метров, как в случае использование устройства-аналога), это обстоятельство никак не сказывается на обнаружительной способности. Однако камеры скрытого видения необходимо обнаруживать с расстояний несколько метров. В этом случае, при наличии параллакса между приемной и передающей системами, все световозвращенное камерой излучение попадает строго обратно в направлении на источник подсвета, т.е. в передающий канал. А в приемный канал либо ничего не попадает (при большом параллаксе), либо попадает незначительная часть световозвращенного излучения, снижая дальность действия системы.

Применение совмещенной схемы (как в случае первого аналога) возможно, однако этой схеме присущи указанные выше недостатки. Она подвержена влиянию паразитных засветок от поверхностей, случайных пылинок и т.д. на светоделительных оптических элементах.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого устройства, заключается в обеспечении увеличения диапазона дальности обнаружения систем скрытого видеонаблюдения, в том числе имеющих коэффициент световозвращения порядка 10^-4 м²/с·рад.

Технический результат достигается за счет того, что в известном оптико-электронном устройстве для дистанционного обнаружения систем скрытого видеонаблюдения, содержащем передающий канал, включающий источник излучения подсвета и оптическую систему формирования излучения подсвета, электронный блок питания источника излучения подсвета, приемный канал, включающий светофильтр, приемный объектив и матричный фотоприемник, а также мультиплексор, устройство кадровой памяти, вычитатель изображений, пороговое устройство, систему синхронизации и монитор, причем оптические оси передающего и приемного канала параллельны, первый выход мультиплексора соединен со входом устройства кадровой памяти, второй выход мультиплексора соединен с первым входом вычитателя изображений, второй вход которого соединен с выходом устройства кадровой памяти, выход системы синхронизации соединен с первым входом мультиплексора, являющимся переключателем выходов мультиплексора, входом электронного блока питания источника излучения подсвета передающего канала, а также с регистром накопления матричного фотоприемника, введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), пространственный селектор, выполненный с возможностью приравнивать к нулю уровень (амплитуду) сигнала от протяженных объектов, размеры которых больше заданных, а уровень (амплитуду) сигнала от объектов, размеры которых не превышают заданные, т.е. с заданными размерами или меньшими, например точечных объектов, размеры которых на экране монитора соответствуют одному или нескольким пикселям, приравнивать к максимально возможному уровню (амплитуде) сигнала, т.е. к уровню (амплитуде) сигнала, обеспечивающему яркость изображения таких объектов, которая значительно превышает яркость изображения окружающих объектов и/или фона, и трехканальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), при этом матричный фотоприемник, установленный в плоскости изображения приемного объектива, выполнен в виде ПЗС-матрицы, видеовыход которой соединен со входом АЦП, выход которого соединен со вторым входом мультиплексора, вход пространственного селектора соединен с выходом вычитателя изображений, а выход - со входом порогового устройства, три входа трехканального ЦАП соединены с выходом устройства кадровой памяти, а один из входов ЦАП дополнительно соединен с выходом порогового устройства, причем каждый из трех выходов трехканального ЦАП соединен с одним из RGB-входов монитора.

Кроме того, в приемном канале светофильтр, приемный объектив и матричный фотоприемник могут быть расположены последовательно по ходу излучения, при этом может быть введена прямоугольная призма, установленная на выходе оптической системы формирования излучения подсвета передающего канала таким образом, что выходная грань призмы расположена в одной плоскости со входной поверхностью светофильтра, но не виньетирует объектив приемного канала, при этом расстояние между оптическими осями приемного и передающего канала р 0,5(D+L), где D - диаметр объектива приемного канала; L - размер выходной грани призмы в плоскости, проходящей через оптические оси приемного и передающего каналов, L d, где d - диаметр сечения потока излучения подсвета в плоскости выходной грани призмы.

В предлагаемом устройстве обеспечивается увеличение дальности действия за счет использования автоматического обнаружителя световозвращающих точечных объектов или объектов, размеры которых близки к точечному объекту, в приемном канале и введения пространственной селекции объектов, а также яркостного и цветового кодирования их изображения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана структурно-функциональная схема устройства.

На фиг.2а-2е условно показаны формы сигналов на выходе соответствующих блоков устройства.

На фиг.3 приведен пример выполнения конструкции приемопередающего узла устройства.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Система синхронизации 1 управляет работой приемного и передающего каналов. Передающий канал включает блок питания 2, источник излучения 3, в качестве которого может использоваться лазер, и оптическую систему формирования излучения подсвета 4. Приемный канал включает приемный объектив 5, ПЗС-матрицу 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, мультиплексор 8, устройство кадровой памяти 9, вычитатель изображений 10, пространственный селектор 11, пороговое устройство 12, трехканальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13 и цветной монитор 14. При этом перед приемным объективом установлен светофильтр 15. В качестве приемного объектива 5 и ПЗС-матрицы 6 может использоваться ПЗС-камера.

Предлагаемое устройство поочередно работает в пассивном (без подсветки, т.е. при выключенном источнике излучения 3) и активном (с подсветкой, т.е. при включенном источнике излучения 3). При этом в каждом из режимов формируется кадр телевизионного изображения.

При работе в пассивном режиме система синхронизации 1 формирует управляющий сигнал:

- на запрет генерации блоком питания 2 и, соответственно, источником излучения 3 импульса излучения подсвета передающего канала;

- на начало периода накопления в черно-белой ПЗС-матрице 6;

- на включение первого выхода U_i мультиплексора 8, соединенного со входом устройства кадровой памяти 9.

После этого ПЗС-матрица 6 регистрирует пассивное изображение наблюдаемой области пространства. Сигнал с видеовыхода ПЗС-матрицы 6 поступает на вход АЦП 7, который оцифровывает зарегистрированное изображение и формирует цифровой массив M(i,j), который с выхода АЦП 7 поступает на второй вход мультиплексора 8 и через первый выход U_i мультиплексора 8 направляется на вход устройства кадровой памяти 9. С выхода устройства кадровой памяти 9 цифровой массив M(i,j) поступает на первый, второй и третий входы трехканального ЦАП 13, на первом, втором и третьем выходах которого формируются три одинаковых аналоговых сигнала, каждый из которых соединен с одним из RGB входов цветного монитора 14. При таких входным сигналах на мониторе формируется черно-белое изображение, зарегистрированное в пассивном (без подсветки) режиме (см. фиг.2а).

Через период времени Т_к , в соответствии с выбранной тактовой частотой устройство переключается на активный режим работы. При этом система синхронизации 1 формирует управляющий сигнал:

- на разрешение генерации импульса подсвета излучателя 3 передающего канала,

- на начало второго периода накопления в черно-белой ПЗС-матрице 6,

- на включение второго выхода U_i ^А мультиплексора 8, соединенного со входом вычитателя изображений 10.

ПЗС-матрица 6 регистрирует активное (подсвеченное излучением) изображение наблюдаемой области пространства (см. фиг.2б), которое содержит:

- обозначенное «сигнал от СВ» изображение блика от световозвращающего объекта малых размеров, например точечного или практически точечного, в качестве которого может быть, например, объектив камеры скрытого наблюдения;

- обозначенное на фиг.2б «диффузно отраженный сигнал» изображение зоны наблюдаемой области пространства, которая освещена излучением источника излучения 3 и размеры которой соответствуют размеру пятна подсветки на поверхности предметов, расположенных вблизи обнаруживаемого световозвращающего объекта (камеры скрытого наблюдения);

- а также обозначенное на фиг.2б «пассивный сигнал» изображение остального пространства, находящегося в поле зрения устройства, которое практически совпадает с изображением этого же пространства, полученным во время предыдущего пассивного режима.

Сигнал с видеовыхода ПЗС-матрицы 6 поступает на вход АЦП 7, который оцифровывает зарегистрированное изображение и формирует цифровой массив M_a(i,j), который с выхода АЦП 7 поступает на второй вход мультиплексора 8 и через второй выход U_i ^A мультиплексора 8 направляется на первый вход вычитателя изображений 10. На второй вход вычитателя изображений 10 с выхода устройства кадровой памяти 9 подается цифровой массив M(i,j), полученный в результате осуществления предыдущего пассивного режима работы. На выходе вычитателя изображений 10 формируется цифровой массив разностного сигнала

M_p(i,j)=M _a(i,j)-M(i,j),

который представляет собой сигнал, соответствующий изображению, которое содержит изображение обнаруживаемого световозвращающего объекта малых размеров, например точечного или практически точечного, в качестве которого может быть, например, объектив камеры скрытого наблюдения, и изображение диффузно-отражающей зоны наблюдаемой области пространства, которая освещена излучением источника излучения 3 и размеры которой соответствуют размеру пятна подсветки на поверхности предметов, расположенных вблизи обнаруживаемого световозвращающего объекта (камеры скрытого наблюдения) и находящейся в поле зрения устройства (см. фиг.2в). При этом изображение диффузно-отражающей зоны наблюдаемой области пространства по существу представляет собой изображение протяженного объекта, размеры которого во много раз превосходят размеры световозвращающего объекта.

После вычитателя изображений 10 разностный сигнал M_p(i,j) направляется на вход пространственного селектора 11, который осуществляет фильтрацию протяженных объектов. После селектора сигнал представляет собой остаточные шумы (фон) и изображение блика обнаруживаемого световозвращающего объекта (камеры скрытого видения), как это показано на фиг.2г.

Такая фильтрация может быть осуществлена, например, по алгоритму медианной фильтрации, и заключается она в дополнительной обработке видеосигнала, при которой уровень (амплитуду) сигнала от протяженных объектов, размеры которого больше заданных, приравнивают к нулю, а уровень (амплитуду) сигнала от объектов, размеры которых не превышают заданные, т.е. с заданными размерами или меньшими, например точечных объектов, размеры которых на экране монитора соответствуют одному или нескольким пикселям, приравнивают к максимально возможному уровню (амплитуде) сигнала.

С выхода вычитателя изображений 10 сигнал поступает на вход порогового устройства 12. Пороговое устройство 12 после проведения пространственной селекции видеосигнала отрезает остаточные шумы сигнала в массиве M_p(i,j) (U_пор на фиг.2г) и формирует массив М_р'(i,j) содержащий только сигнал, соответствующий изображению блика обнаруживаемого световозвращающего объекта. Этому сигналу назначается максимальное значение А_{р max}, что обеспечивает яркостное кодирование изображения обнаруживаемого объекта (см. рис.2д).

В аналоге уровень сигнала от оптико-электронного средства (ОЭС) на мониторе соответствует уровню отраженного сигнала. При обнаружении традиционных ОЭС (прицелов, приборов наблюдения дневных и ночных и т.д.), обладающих высоким показателем световозвращения (ПСВ), такая аппаратура работает хорошо. Но если ее применить для обнаружения камер скрытого видения, ПСВ которых мало, то на итоговом видеоизображении они не будут обнаруживаться, т.к. уровень их сигнала сравним с уровнем сигнала от окружающего фона. Поэтому после селекции и обнаружения сигнала от систем скрытого видеонаблюдения, например камеры скрытого видения, предлагается использовать яркостное кодирование, для чего сигналу изображения блика от световозвращающего объекта присваивают максимально возможный уровень сигнала. Помимо этого дополнительно для увеличения контраста изображения на экране монитора предлагается использовать цветовое кодирование, для чего изображение блика от световозвращающего объекта окрашивают в какой-либо цвет. При этом наиболее целесообразным представляется окрашивать изображение в красный цвет, который обеспечивает максимальный цветовой контраст.

Такую схему обработки предлагается реализовать, используя трехканальный ПАП 13. Схема работает следующим образом. В предлагаемом устройстве используется черно-белая ПЗС матрица 6 и цветной монитор 14. На цветном мониторе 14 образуется черно-белое изображение окружающего фона и яркая цветная (красная) марка блика от камеры скрытого видения. Для этого черно-белый видеосигнал с выхода устройства кадровой памяти через трехканальный ЦАП 13 подается на все три входа (RGB) монитора 14, а сигнал с выхода порогового устройства 12 подается на один из входов трехканального ЦАП 13 таким образом, чтобы обеспечить его поступление на один из RGB входов монитора 14, например, на красный (R) вход. Таким образом, на экране монитора 14 в месте положения камеры скрытого видения формируется яркая красная точка.

Оператор наблюдает на экране монитора картину окружающих объектов (массив M(i,j)) и на этом фоне - яркую красную точку (массив М_р(i,j)) (см. фиг.2е).

После этого система синхронизации 1 формирует следующий управляющий сигнал и описанная выше процедура регистрации двух кадров - пассивного и активного - повторяется.

Для дополнительного увеличения дальности работы устройства предлагается использовать приемо-передающий канал с минимизированным параллаксом.

На фиг.3 изображена конструкция приемо-передающего узла устройства, выполненная по схеме с минимизированным параллаксом р между приемным и передающим каналами. Минимального параллакса удается достичь за счет расположения выходной прямоугольной призмы 16 в непосредственной близости от входного зрачка приемного объектива 5, насколько это позволяет конструкция, при этом не допуская виньетирования призмой 16 приемного канала. Эта призма 16 вклеена в светофильтр 15, который установлен перед приемным объективом 5 и одновременно выполняет функции защитного стекла оптической системы устройства. Такая конструкция сборки призма - светофильтр исключает попадание в приемный канал паразитного излучения передающего канала, рассеянного на его элементах.

При этом расстояние р (параллакс) между оптическими осями приемного и передающего каналов определяется из следующего соотношения:

р 0,5(D+L),

где D - диаметр приемного объектива 5 приемного канала;

L - размер выходной грани призмы 16 в плоскости, проходящей через оптические оси приемного и передающего каналов, L d, где d - диаметр сечения потока излучения подсвета в плоскости выходной грани призмы 16.

Важно отметить, что расстояние между оптическими осями приемного и передающего канала выбирается из условия, согласно которому при заданном диапазоне расстояний до обнаруживаемой системы наблюдения величина потока излучения, отраженного от обнаруживаемой системы наблюдения и попадающего в приемный объектив приемного канала, обеспечивает ее обнаружение с заданной степенью вероятности.

Призму 16 устанавливают таким образом, чтобы ее выходная грань и входная грань светофильтра 15 лежали в одной плоскости.

Если светофильтр 15 установить между призмой 16 и приемным объективом 5, то призму 16 надо будет отодвигать от приемного объектива 5, увеличивая расстояние между ними, тогда она начнет виньетировать объектив 5 и для исключения виньетирования необходимо будет увеличить параллакс, в результате чего характеристики системы будут ухудшаться.

Если призму 16 установить между светофильтром 15 и объективом 5, то часть расходящегося излучения подсвета после прохождения призмы 16 отразится на поверхностях светофильтра 15, попадет в приемный канал и создаст паразитную засветку в приемном канале.

Таким образом, оптимальным для получения минимизированного параллакса является установка призмы 16 на минимальном расстоянии от объектива 5, причем ее выходная грань и входная грань светофильтра 15 должны лежать в одной плоскости.

Предлагаемое оптико-электронное устройство для дистанционного обнаружения систем скрытого видеонаблюдения за счет использования пространственной селекции сигнала, а также использования яркостного и цветового кодирования сигнала изображения световозвращающих объектов обеспечивает увеличение диапазона дальности обнаружения систем скрытого видеонаблюдения, в том числе имеющих размеры световозвращающих поверхностей порядка 1 мм и коэффициент световозвращения порядка 10 ^-4 м²/с·рад.