способ регистрации диффузно отраженного или диффузно рассеянного лазерного излучения

Формула изобретения

Способ регистрации диффузно отраженного или диффузно рассеянного лазерного излучения, включающий пропускание отраженного от поверхности или рассеянного оптического излучения через оптическую систему и направление его с выхода оптической системы на фотоэлектрический приемник, находящийся вне фокальной плоскости оптической системы, при этом пучок отраженного или рассеянного оптического излучения сканируют относительно фотоэлектрического приемника, сигнал от фотоэлектрического приемника передают на блок его обработки и по наличию минимальных или максимальных сигналов от отдельных элементов фотоэлектрического приемника судят о наличии когерентного излучения в анализируемом пучке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано для обеспечения информационной безопасности служебных помещений, офисов фирм, банковских учреждений и т.п.

Известен способ обнаружения объекта в среде, в которой происходит рассеяние когерентного светового излучения на крупных неоднородностях (RU 2207591 [1]). Способ включает подсветку объекта когерентным световым излучением, формирование изображения объекта по отраженному от него упомянутому излучению посредством приемного объектива и запись изображения объекта посредством матрицы приборов с зарядовой связью. При этом фотоэлементы матрицы приборов с зарядовой связью разделяют в линейные или матричные группы, на каждую из выделенных групп фотоэлементов проецируют систему интерференционных полос стоячей световой волны когерентного светового излучения путем размещения между приемным объективом и выделенными группами фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью отражающего зеркала, частично пропускающего световое излучение. Между приемным объективом и отражающим зеркалом размещают периодическую структуру, образованную тонкослойными элементами, толщиной не более /2, рассеивающими энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенными в одной плоскости с периодом s. Периодическая структура расположена под углом , определяемым из соотношения sin = /2d, где - угол между периодической структурой и волновым фронтом когерентного светового излучения, - длина световой волны, d - период интерференционных полос, при этом период s периодической структуры выбирают из соотношения s<d, а регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в линейной или матричной группе матрицы приборов с зарядовой связью и анализируют, затем получают изображение объекта на мониторе.

При этом период фотоэлементов р в ряду группы задают относительно размера входного окна b этих фотоэлементов в том же ряду в пределах р=(2-100)b.

Кроме того, матрицу приборов с зарядовой связью устанавливают с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с направлением распространения упомянутого светового излучения.

Недостатком известного способа является то, что он ориентирован на использование подсветки во вполне определенном спектральном диапазоне, что не позволяет при его использовании фиксировать облучение контролируемого объекта источниками когерентного излучения, работающими в иных спектральных областях. Кроме того, для реализации способа требуется достаточно сложное оборудование и сложная процедура обработки полученных сигналов.

Известен способ обнаружения средств оптического и оптоэлектронного типа (RU 2133485[2]), который основан на зондировании контролируемого объема пространства сканируемым импульсным лазерным излучением, приеме оптических сигналов изображения в спектральном диапазоне отраженного лазерного излучения с заданной дальности и прилегающего к ней участка пространства, определяемого глубиной наблюдения. Способ предусматривает преобразование принятых сигналов изображения в видеосигнал, пороговую селекцию совокупности принятых видеосигналов для устранения мешающего фонового изображения. При этом зондирование контролируемого объема пространства осуществляют с частотой повторения импульсов лазерного излучения, равной f_c/n, где f _c - частота строк используемого телевизионного метода преобразования сигналов, n - натуральное

число, удовлетворяющее условию n f_c/f_k, a f_k - частота кадров используемого телевизионного метода преобразования сигналов. Излучаемую последовательность лазерных импульсов кодируют путем амплитудной манипуляции с частотой f_k/m,

где m - натуральное число, удовлетворяющее условию 2 m f_k/2, выявляют из числа принятых видеосигналов, превысивших порог, видеосигналы, коррелированные с кодом амплитудной манипуляции излученной последовательности импульсов, и при их наличии автоматически формируют сигнал тревоги. После преобразования видеосигналов, коррелированных с кодом амплитудной манипуляции излученной последовательности импульсов в оптическое изображение, фиксируют с помощью оператора утомляющее мерцание яркости телевизионного экрана с частотой амплитудной манипуляции.

Однако данный способ малоэффективен при обнаружении сигналов оптических средств на фоне сложной подстилающей поверхности, например, когда отраженный сигнал наблюдается на фоне темного окна или пещеры, причем дом или склон хорошо подсвечен солнцем под углом. В этом случае полезный сигнал может не превысить порог и сигнал тревоги не сформируется. Другим недостатком известного способа является сложность, а в некоторых случаях невозможность идентификации положения сигнала, обнаруженного оптического средства на наблюдаемой местности. Этот факт связан с низким отношением сигнал/шум в видеосигнале фона, так как сигнал фона подавляется специальными мерами: уменьшением ширины принимаемого спектра естественного фонового излучения за счет выделения только отраженного лазерного излучения, уменьшением времени экспозиции для естественного фонового излучения с целью повышения эффективности временной селекции принимаемого импульсного лазерного сигнала. Недостатком известного способа является и то, что он ориентирован на использование подсветки во вполне определенном спектральном диапазоне, что не позволяет при его использовании фиксировать облучение контролируемого объекта источниками когерентного излучения, работающими в иных спектральных областях. Кроме того, для реализации способа требуется достаточно сложное оборудование и сложная процедура обработки полученных сигналов.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ обнаружения оптических и оптоэлектронных средств наблюдения, который основан на зондировании контролируемого объема пространства сканируемым импульсным лазерным излучением с частотой повторения лазерного излучения в диапазоне частот от f_k до f_c, где f_k и f_с - частоты кадров и строк используемого телевизионного метода преобразования сигналов (RU 2278399 [3]). Способ предусматривает прием импульсных лазерных сигналов изображения в спектральном диапазоне отраженного лазерного излучения с заданной дальностью и прилегающего к ней участка пространства, определяемого глубиной наблюдения, преобразовании принятых сигналов в видеосигнал, пороговую селекцию видеосигналов и формировании сигнала тревоги. При этом излучаемую последовательность лазерных импульсов модулируют с частотой не выше от f_k /2 и производят ее кодоимпульсную модуляцию с частотой не выше f_k/4.

Одновременно с приемом импульсных лазерных сигналов изображения в спектральном диапазоне импульсного лазерного излучения производят прием оптических сигналов естественного фонового излучения в спектральном диапазоне лазерного излучения и производят прием непрерывных оптических сигналов в спектральном диапазоне естественного фонового излучения из наблюдаемого объема пространства. После преобразования принятых оптических сигналов в видеосигнал из первого видеосигнала, соответствующего отраженному лазерному излучению, поэлементно вычитают видеосигнал, соответствующий оптическому сигналу естественного фонового излучения в спектральном диапазоне отраженного лазерного излучения, производят пороговую селекцию разностного видеосигнала и из числа видеосигналов, превышающих порог, выделяют видеосигналы, соответствующие кодоимпульсной модуляции лазерного излучения, и при их наличии формируют сигнал тревоги. Одновременно из разностного видеосигнала, превысившего порог, и видеосигнала, соответствующего непрерывному оптическому сигналу в спектральном диапазоне естественного фонового излучения с учетом параллакса, соответствующего заданной дальности, формируют композитный видеосигнал, а после преобразования композитного видеосигнала в оптическое изображение с помощью оператора фиксируют положение обнаруженных оптических средств относительно характерных объектов на местности.

Недостатком известного способа является то, что он ориентирован на использование подсветки во вполне определенном спектральном диапазоне, что не позволяет при его использовании фиксировать облучение контролируемого объекта источниками когерентного излучения, работающими в иных спектральных областях. Для реализации способа требуется достаточно сложное оборудование и сложная процедура обработки полученных сигналов. Кроме того, известный способ позволяет обнаруживать оптические и оптоэлектронные средства наблюдения на местности и только визуально, по бликам, и не позволяет устанавливать факт скрытого видеонаблюдения для обеспечения информационной безопасности служебных помещений или факт подсветки объекта приборами стрельбы и наблюдения противником (при ведении боевых действий).

Заявляемый способ регистрации диффузно отраженного или диффузно рассеянного когерентного излучения направлен на выявление скрытых засветок поверхностей контролируемых объектов когерентным излучением.

Указанный результат достигается тем, что способ регистрации диффузно отраженного или диффузно рассеянного когерентного излучения включает пропускание отраженного от поверхности или рассеянного когерентного излучения через оптическую систему и направление его с выхода оптической системы на фотоэлектрический приемник, находящийся вне фокальной плоскости оптической системы, при этом пучок отраженного или рассеянного оптического излучения сканируют относительно фотоэлектрического приемника, сигнал от фотоэлектрического приемника передают на блок его обработки и по наличию минимальных или максимальных сигналов от отдельных элементов фотоэлектрического приемника (пикселей) судят о наличии когерентного излучения в анализируемом пучке.

Пропускание отраженного от поверхности или рассеянного оптического излучения через оптическую систему и направление его с выхода оптической системы на фотоэлектрический приемник позволяет преобразовать оптические сигналы в электрические, что обеспечивает их дальнейшее преобразование и обработку с помощью известных аппаратных средств, например ЭВМ, снабженной соответствующим программным обеспечением.

Размещение фотоэлектрического приемника вне фокальной плоскости оптической системы необходимо для того, чтобы обеспечить помехоустойчивость метода и упростить распознавание спекл-структуры (от англ. Speckle - пятно) в анализируемом пучке оптического излучения, что, в свою очередь, будет свидетельствовать об облучении контролируемой поверхности когерентным излучением. Действительно, в процессе отражения или рассеяния лазерного излучения от диффузной поверхности или при прохождении через оптически неоднородную среду пучок становится неоднородным по фазе (Дж. Гудмен. Статистическая оптика // М.: Мир, 1988 г., 528 стр [4]; М. Франсон. Оптика спеклов // М.: Мир, 1980 г., 171 стр.[5]; J.W. Goodman. Laser Speckle an Related Phenomena, 2nd edition, Springer, Berlin,1984, pp.9 [6]).

При этом, если характерная величина шероховатости поверхности или масштаб

неоднородности оптической среды сравнимы с длиной волны излучения возникающая неоднородность по фазе пучка приводит к возникновению характерной пятнистой структуры, называемой спекл-структурой. Так как физические процессы, определяющие формирование спекл-структуры одинаковы при отражении и при рассеянии лазерного излучения, рассмотрим далее только пример формирования диффузно отраженного излучения.

Если принять, что коэффициент отражения R одинаков по всей площади блика на облучаемой диффузной поверхности, то отраженное поле можно представить в плоскости объекта в виде совокупности элементарных волн

здесь R - коэффициент отражения, (p)- фазовая добавка, возникающая при отражении от неоднородностей поверхности, таким образом, что

где k - волновое число, h(c) - функция, характеризующая неоднородность поверхности. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля (Борн М., Вольф Э. Основы оптики, изд-2. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. [7]) результирующее поле в плоскости приемника r можно записать как суперпозицию элементарных волн

где L - расстояние от поверхности до поверхности r, а интегрирование ведется в плоскости .

При освещении объекта некогерентным излучением отдельные элементы поверхности (в рамках которых она однородна) будут являться источниками некогерентных A(r) волн, а потому изображение объекта будет результатом суперпозиции их по интенсивности, что исключит появление спекл-структуры.

При освещении объекта излучением с высокой пространственной когерентностью отдельные элементы поверхности будут являться источниками когерентного излучения с дополнительной фазовой модуляцией. В результате интерференции большого количества рассеянных когерентных волн (3) результирующее изображение объекта будет промодулировано спекл-структурой.

Вариация размеров спеклов в общем случае может быть произвольной, но минимальный размер ограничен дифракционным пределом (см. Бадалян Н.П., Кийко В.В., Кислов В.И., Козлов А.Б. "Лазерная дистанционная спекл-интерферометрия. Модель формирования спекл-структуры", Квант, электроника, 2008, 38 (5), 477-481. [8,] и [4-6]. Если а - диаметр объектива формирующего изображение, L - расстояние от объектива до плоскости наблюдения, - длина волны излучения, то

Пример спеклов с различными линейными размерами приведен на фиг.1.

Как следует из соотношения (4), при увеличении расстояния между формирующей оптической системой (или между облучаемой поверхностью при ее отсутствии) и устройством наблюдения, размер спеклов увеличивается. Такого же эффекта можно достигнуть в случае уменьшения размера блика на шероховатой поверхности. Таким образом, изменяя параметры оптической системы, или дистанцию до облучаемой поверхности можно менять характерные размеры спеклов в плоскости наблюдения.

Важным свойством спекл-поля является то, что при преобразовании его оптическими формирующими системами высокая контрастность спекл-структуры сохраняется вне зависимости от расстояния от выходного зрачка (см. [8, 4-6]) оптической системы до экрана, на котором формируется изображение, меняется только ее масштаб (4).

Принципиально иная ситуация наблюдается при формировании оптическими системами изображения от некогерентного поля. В этом случае изображение будет иметь высокую контрастность только при формировании в фокальной плоскости оптической системы.

Таким образом, формирование изображения вне фокальной плоскости объектива позволяет, сохраняя контрастность спекл структуры уменьшить контрастность фоновых объектов, попадающих в поле зрения объектива, тем самым принципиально увеличивая помехоустойчивость предлагаемого способа.

После преобразования оптического сигнала в электрический на фотоэлектрическом приемнике происходит его дальнейшая обработка, основой которой является анализ амплитудной модуляции интенсивности во времени и пространстве.

Пучок отраженного или рассеянного оптического излучения, подлежащего анализу, можно сканировать относительно фотоэлектрического приемника (см. фиг.2). Такое сканирование позволяет увеличить зону анализа оптического поля и, тем самым, увеличить достоверность регистрации отраженного или рассеянного когерентного излучения. Частота и амплитуда сканирования могут быть постоянными или изменяемыми во времени. С изменением частоты и изменением амплитуды сканирования величина сигнала на элементах фотоэлектрического приемника от каждого спекла будет соответственно изменяться. Таким образом, выбор частоты и амплитуды сканирования зависит от используемого фотоэлектрического приемника.

Вынесение суждения о наличии когерентного излучения в анализируемом пучке по наличию минимальных или максимальных сигналов от отдельных элементов (пикселей) фотоэлектрического приемника основано на том, что после отражения лазерного излучения от диффузной поверхности или при его диффузном рассеянии, анализируемое поле приобретает характерную амплитудную спекл-модуляцию. При этом контрастность спекл-структуры остается неизменной в случае преобразования оптическими устройствами. Принятие решения о наличие лазерного излучения на контролируемых объектах осуществляется исходя из анализа периодических фиксированных минимальных и максимальных сигналов от фотоэлектрического приемника, подтверждающих пространственную модуляцию уровня мощности принимаемого оптического сигнала.

Сущность заявляемого способа поясняется примером его реализации и чертежами. На фиг.1 представлены примеры спекл-структуры, полученной с поверхности неполированного металла, а) на большом расстоянии от поверхности, б) вблизи поверхности. На фиг.2 приведена схема сканирования отраженного или рассеянного оптического излучения по площадке фотоэлектрического приемника. На фиг.3 представлена принципиальная блок-схема устройства, с помощью которого заявляемый способ может быть реализован.

Пример. Способ регистрации диффузно отраженного или диффузно рассеянного когерентного излучения реализуется с помощью устройства, представленного на чертеже, на котором позициями обозначены:

1 - диффузно отражающая (контролируемая) поверхность;

2 - пучок когерентного излучения, которое необходимо обнаружить;

3 - диффузно отраженный пучок когерентного излучения;

4 - оптическая формирующая система;

5 - пространственный сканер;

6 - фотоэлектрический приемник;

7 - блок обработки и анализа.

Оптическая система может быть выбрана из числа известных и представлять собой объектив (особые требования к объективу не применяются). В качестве пространственного сканера может быть использовано любое средство из числа известных, например качающееся зеркало, снабженное соответствующим приводом, вращающаяся многогранная призма и т.д. В качестве фотоприемника могут быть использованы полупроводниковые фотодетекторы, электронно-оптические преобразователи, пироэлектрические приемники и т.д. Наиболее целесообразно использовать линейку или матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Как было показано выше, при отражении когерентного излучения от диффузно отражающей поверхности или при прохождении когерентного излучения через оптически неоднородную (диффузную) среду, в случае если масштаб неоднородности сравним с длиной волны излучения, формируемое излучение будет промодулировано спекл-структурой.

Часть диффузно отраженного или диффузно рассеянного излучения через оптическую формирующую систему 4 (фиг.3) и пространственный сканер 5 направляется на фотоэлектрический приемник 6. При этом фотоэлектрический приемник 6 находится вне фокальной плоскости оптической формирующей системы 4, как это показано на фиг.3. Там же показано, что F=F₁+F ₂ - заднее фокусное расстояние оптической системы 4, L - дистанция от выходного зрачка пространственного сканера до фоточувствительной поверхности фотоэлектрического приемника. Пространственный сканер 5 обеспечивает сканирование диффузно отраженного или диффузно рассеянного излучения по фоточувствительной поверхности фотоэлектрического приемника. Электрический сигнал с фотоприемника 6 предается на блок обработки и анализа 7, представляющее собой ЭВМ со специальным программным обеспечением. Исходя из анализа получаемого сигнала, алгоритм работы программы позволяет принять решение о наличии когерентного излучения и в случае обнаружения подать сигнал тревоги.