Локационные лазерные системы видения

 
 
 
В.Е. Карасик, В.М. Орлов  
 
 
 
 
ЛОКАЦИОННЫЕ  
ЛАЗЕРНЫЕ 
СИСТЕМЫ ВИДЕНИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
Москва 2013 

УДК 621.375 
ББК  32.85 
          К21 
Рецензенты: 
ведущий научный сотрудник ОАО «НПО «Альфа»,  
д-р техн. наук, акад. РАЕН В.Г. Волков; 
зав. кафедрой светотехники  
Национального исследовательского университета «МЭИ», 
д-р. техн. наук, проф. А.А. Григорьев;  
д-р техн. наук, проф. В.П. Будак 

   Карасик В. Е. 
Локационные лазерные системы видения / В. Е. Карасик, 
В. М. Орлов. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013.  
— 478, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3667-5  

Изложены общая теория и технические пути построения изображающих оптико-электронных систем нового типа – локационных лазерных 
систем видения, предназначенных для наблюдения дистанционных объектов при недостаточной естественной освещенности или в ночное время. 
Представлены современные методы анализа процесса формирования 
изображения в рассеивающих и случайно-неоднородных средах, основанные на синтезе теорий линейных систем и переноса излучения. Приведены оригинальные методики расчета основных параметров систем активного видения и характеристик воспроизводимого на экране монитора 
изображения, учитывающие специфические свойства зрительного анализатора оператора. Рассмотрен специальный класс локационных лазерных 
систем, предназначенных для обнаружения световозвращателей. Исследована возможность формирования изображений активными системами 
видения в сильно рассеивающих средах. Описаны экспериментальные 
образцы систем видения, обсуждены результаты экспериментальных исследований и выработаны рекомендации на проведение проектирования. 
Часть материалов монографии соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в областях лазерной локации и оптико-электронных изображающих систем, а также для студентов технических университетов, обучающихся по направлению «Оптотехника». 

    
УДК 621.375 
           ББК 32.85  

 
 
 
 
 
 
 © Карасик В.Е., Орлов В.М., 2013  
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-3667-5                                                         МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

К21 

Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Локационные лазерные системы видения (ЛСВ) относятся к 
классу активных изображающих оптико-электронных систем и 
предназначены для дистанционного наблюдения объектов в условиях недостаточной естественной освещенности. За счет подсвета 
объекта лазерным излучением они могут работать как в атмосфере 
в ночное время, так и в море на достаточно больших глубинах, куда не доходит солнечное излучение. 
В общем случае функциональные возможности ЛСВ позволяют не только формировать изображения наблюдаемых объектов 
требуемого качества, но и осуществлять высокоточное определение их координат. Именно поэтому они рассматриваются авторами 
как локационные лазерные системы, причем обнаружение и селекция объектов выполняются как автоматически (что особенно важно при наблюдении точечных световозвращающих объектов), так 
и человеком-оператором.  
Монография написана по результатам исследований, проведенных на кафедре «Лазерные и оптико-электронные системы» 
МГТУ им. Н.Э.Баумана, бóльшая часть которых изложена в книге 
«Лазерные системы видения», изданной в 2001 г. В настоящее издание включены новые главы и параграфы: 
локационные лазерные системы видения для обнаружения световозвращающих объектов; 
ЛСВ для наблюдения подводных объектов через взволнованную поверхность моря; 
инструментальное видение в сильно рассеивающих биологических средах, обладающих малым удельным поглощением и анизотропией рассеяния. 
Современный подход к анализу систем видения основан на использовании методов теории переноса изображения, которая, в свою 
очередь, базируется на теории переноса оптического излучения и 
теории линейных систем. Теория переноса оптического излучения 
позволяет с единых позиций рассмотреть процесс переноса излучения от наблюдаемых объектов до плоскости регистрации изображе
 

Предисловие 

4 

ния. Теория линейных систем дает возможность выделить рассеивающую и случайно-неоднородную среды в виде отдельного звена 
всей системы передачи изображения и определить их передаточные 
характеристики, которые влияют на качество формируемого изображения. Однако эта возможность  реализуется только при выполнении в рассеивающей среде определенных условий, анализ которых 
особенно принципиален для активных систем видения. Действительно, при исследовании изображающих систем с искусственной 
подсветкой, функционирующих в рассеивающих средах, возникают 
сложности, связанные с корректностью или принципиальной возможностью использования аппарата линейных инвариантных систем. Тем не менее в рамках определенных допущений указанный 
подход, основанный на синтезе теории переноса оптического излучения и теории линейных систем, позволил последовательно и с 
единых позиций рассмотреть передаточные характеристики всех 
звеньев ЛСВ, включая зрительный анализатор, и оценить качество 
формируемого изображения. 
В главе 1 приведены общие сведения о локационных лазерных 
системах видения. Рассмотрены основные технические характеристики и обобщенная структурная схема ЛСВ. Даны классификация 
основных типов ЛСВ и анализ состояния элементной базы для их 
технической реализации. 
В главе 2 ЛСВ рассмотрена как линейная изображающая оптико-электронная система. Проанализированы передаточные функции 
и в первую очередь модуляционные передаточные функции (МПФ) 
всех звеньев ЛСВ с импульсным подсветом за исключением канала 
распространения, который является предметом исследования последующих глав. Приведенные расчетные соотношения позволяют 
определить результирующую системную МПФ. 
В главах 3, 4 рассмотрены основы теории переноса оптического излучения в рассеивающих и случайно-неоднородных средах. 
Приведены основные сведения из теории фотометрии и теории 
когерентности. С использованием оптической теоремы взаимности 
выведены уравнения переноса изображения в рассеивающей и 
случайно-неоднородной средах, связывающие мощность сигнала, 
образующего изображение, с распределением коэффициента отражения на поверхности наблюдаемого объекта. 
Глава 5 содержит сведения об оптических характеристиках атмосферы и морской среды. 

Предисловие 

5 

Главы 6, 7 посвящены получению из уравнения переноса изображения в рассеивающей среде основных характеристик, определяющих качество изображения: модуляционной передаточной 
функции (глава 6) и коэффициента передачи энергии «излуча- 
тель — объект — приемник» (глава 7). 
Глава 8 посвящена разработке методики расчета важнейшей 
характеристики ЛСВ — предельной дальности видения. В методике используется понятие минимального разрешаемого контраста 
(МРК) и учитываются особенности восприятия изображений зрительным анализатором. Оценка воспринимаемого отношения сигнал/шум приведена с привлечением модели трехмерного шума 
многоэлементных фотоприемных устройств, что существенно 
упрощает определение среднеквадратического значения шума. 
Глава 9 содержит три примера расчета выходных характеристик конкретных ЛСВ, применяемых для работы в атмосфере, под 
водой и через взволнованную границу раздела «воздух — вода», и 
предназначена для практического освоения изучаемого материала. 
Иллюстрации получаемых возможных решений в каждом примере 
способствуют усвоению расчетных методик. 
В главе 10 приведены примеры практической реализации конкретных типов ЛСВ. Анализ обнаружительных характеристик, полученных при их натурных испытаниях, используется для оценки 
расчетных соотношений, предложенных в предшествующих главах. 
В главе 11 рассмотрен новый класс активных изображающих 
систем — ЛСВ для обнаружения световозвращающих устройств 
(ЛСВ СВ), дан анализ различных типов световозвращателей (СВ) и 
исследована их отражательная способность. Разработаны методики расчета обнаружительных характеристик и дальности видения 
таких систем, приведены сведения о некоторых экспериментальных образцах ЛСВ СВ, созданных в МГТУ им. Н.Э. Баумана при 
участии авторов. 
В главе 12 проанализированы ЛСВ, применяемые в сильно 
рассеивающих биологических средах и обладающие малым удельным поглощением и сильно выраженной анизотропией рассеяния. 
Использование таких ЛСВ особенно перспективно в интроскопии 
и в медицине, в частности для получения изображений внутренних 
стенок кровеносных сосудов. 
При подготовке книги использованы результаты теоретических  
и экспериментальных исследований в области передачи оптиче

Предисловие 

6 

ских сигналов и формирования изображений в рассеивающих средах [1—3], а также методики анализа линейных оптикоэлектронных систем [4 — 6]. Книга предназначена для изучения 
основных принципов и технических путей построения ЛСВ и является, по существу, общим введением в предмет. Ее содержание 
соответствует уровню знаний студентов технических университетов, обучающихся по направлению «Оптотехника». 
В подготовке издания принимали участие сотрудники кафедры 
«Лазерные и оптико-электронные системы». Авторы выражают 
глубокую признательность коллегам за оказанную помощь. 
 
 
 
 

Предисловие 

7 

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

АФЗ  
—  аберрационная функция зрачка 
ИЛПИ  —  импульсный лазерный полупроводниковый  
                      излучатель 
КПК  
—  коэффициент передачи контраста 
КПМ  
—  коэффициент передачи модуляции 
КПФ  
—  контрастная передаточная функция 
ЛПУ  
—  лазерное передающее устройство 
ЛСВ  
—  лазерная система видения 
ЛСВ СВ  —  лазерная система видения для обнаружения  
                      световозвращателей 
МДВ  
—  метеорологическая дальность видимости 
МКИ  
—  модуляционный контраст изображения 
МКО  
—  модуляционный контраст объекта 
МКП  
—  микроканальная пластина 
МЛПИ 
—  многоэлементный лазерный полупроводниковый  
                      излучатель 
МОД  
—  метеорологическая оптическая дальность 
МПИ  
—  матричный приемник излучения 
МПФ 
—  модуляционная передаточная функция 
МРК 
—  минимальный разрешаемый контраст 
ОПУ 
—  оптическое приемное устройство 
ОПФ  
—  оптическая передаточная функция  
ОСФИ 
—  оптическая система формирования излучения 
ОЭС  
—  оптико-электронная система 
ПВО  
—  полное внутреннее отражение 
ПЗС 
—  прибор с зарядовой связью 
ПОР 
—  помеха обратного рассеяния 
ПСВ  
—  показатель световозвращения 
ПФ  
—  передаточная функция 
ПЧС  
—  пространственно-частотный спектр 
СВ  
—  световозвращатель 
СВХ  
—  световозвращательная характеристика 
СФМ  
—  синхронная фазовая манипуляция 
ТМИ  
—  точечный мононаправленный источник 

 

Список основных сокращений 

8 

ТСВ  —  тетраэдрический световозвращатель 
УПИ  —  уравнение переноса излучения 
ФКЧ  —  функция контрастной чувствительности 
ФПЗС —  фоточувствительный прибор с зарядовой связью 
ФПК  —  функция передачи контраста 
ФПМ  —  функция передачи модуляции 
ФПУ  —  фотоприемное устройство 
ФР  
—  функция рассеяния 
ФЧХ  —  фазочастотная характеристика 
ФЭУ  —  фотоэлектронный умножитель 
ЭОП  —  электронно-оптический преобразователь 
ЭЛТ  —  электронно-лучевая трубка  
 
 

Предисловие 

9 

Глава 1 

 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О ЛОКАЦИОННЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМАХ ВИДЕНИЯ 

К концу 80-х годов XX века лазерная локация сформировалась в 
самостоятельное научно-техническое направление. Стремительное 
развитие квантовой электроники позволило не только создать уникальные по своим характеристикам локационные лазерные системы, 
но и эффективно их использовать в различных областях техники и 
народного хозяйства. 
Использование лазеров для локации значительно повышает точность определения дальности и угловых координат объектов по сравнению с локационными системами радиодиапазона. Эти преимущества, обусловленные различием длин волн излучения оптического и 
радиодиапазонов, присущи также и системам лазерной локации, которые предназначены для получения некоординатной информации. 
Такие локационные лазерные изображающие системы, или локационные ЛСВ, предназначены главным образом для получения качественного изображения удаленного объекта в условиях недостаточной естественной освещенности, например, ночью или под водой. 
В этой главе приводятся общие сведения о видении в рассеивающих средах, рассматривается обобщенная структурная схема ЛСВ 
и анализируются различные варианты построения активных систем 
видения при использовании сканирования по элементам объекта 
или его изображения. 

1.1. Видение в рассеивающих средах 

Под видением в широком смысле понимают восприятие 
наблюдателем удаленных объектов. Если речь идет о возможности 
непосредственного зрительного восприятия объектов, то используют понятие «видимость». Например, видимость в атмосфере — 
это возможность различать с помощью зрения удаленные объекты, 
отделенные от наблюдателя слоем воздуха той или иной степени 

 

Глава 1. Общие сведения о локационных ЛСВ 

10 

мутности [7]. Если же для наблюдения используются технические 
средства, формирующие изображение объекта, которое затем анализируется оператором, то говорят о видении, а изображающие 
средства, включая оператора, называют системами видения. Системы видения могут работать не только в видимом, но и в других, не 
доступных для зрительного восприятия участках спектрального 
диапазона, в соответствии с которыми они получили название систем радиовидения, тепловидения, телевидения и др.  
Все системы видения можно подразделить на две большие 
группы: пассивные и активные. 
В пассивных системах видения изображение формируется при 
естественном освещении или за счет собственного (теплового) излучения объектов. К этим системам относятся, например, тепловизионные системы, системы низкоуровнего телевидения, большинство приборов ночного видения и др. 
В активных системах видения для работы используют искусственную подсветку, создаваемую специальными устройствами 
различных типов: прожекторами, лампами-фарами, лазерными источниками. Системы видения с лазерным подсветом получили 
название лазерных систем видения (ЛСВ). Именно такие системы 
рассматриваются в настоящей книге. 
Поскольку оба термина «видимость» и «видение» характеризуют 
один и тот же процесс восприятия удаленных объектов, но различными средствами, целесообразно определить характеристики ЛСВ, 
используя аналогичные сложившиеся понятия теории видимости. 
Пусть объект наблюдается в приземном слое атмосферы на некотором фоне и регистрируется за счет различия яркостей объекта 
Lоб и фона Lф, т. е. за счет наличия яркостного контраста. На предельной дальности видения в рассеивающей атмосфере влияние 
цветового контраста несущественно, так как под действием атмосферной дымки цвет объектов становится неразличимым и они 
выглядят бледно-серыми. Истинный (т. е. измеренный в плоскости 
объекта) модуляционный контраст объектов на данном фоне (при 
Lоб > Lф)  

 
об
ф
об
об
ф
к
.
L
L
L
L

−
=
+
 
(1.1) 

Модуляционный контраст может изменяться от 0 до 1, причем 
термин «модуляционный» употребляется в пространственном 
смысле. Если пространственная модуляция яркости объекта отсутствует, то его изображение представляется как равномерно осве