Торокин А. А. Основы инженерно-технической защиты информации. Факультет защиты информации кафедра инжернернотехнической защиты информации
 Скачать 1.98 Mb.
|
 Рис. 3.4. Схема средств телевизионного наблюдения. При телевизионном наблюдении изображение объективом проецируется не на светочувствительный слой фото или кинопленки, как при фото или киносъемке, а на фотокатод вакуумной передающей трубки или твердотельного преобразователя. Фотокатод содержит вещества, из атомов которого кванты световой энергии выбивают электроны, количество которых пропорционально энергии света (яркости элемента изображения). На фотокатоде образуется изображение Q(x,y,t) в виде электрических зарядов, эквивалентное оптическому В(x,y,t) изображению, где Q и B - значения соответственно величины зарядов и яркости в точками с координатами x, y в момент времени t. В вакуумных телевизионных передающих трубках производится считывание величины заряда с помощью электронного луча трубки, перемещающегося по горизонтали и вертикали под воздействием магнитного поля. Это поле создается отклоняющими катушками, надеваемыми на горловину телевизионной трубки. За время развития телевидения разработано много типов передающих телевизионных трубок, отличающихся чувствительностью фотокатода и разрешающейся способностью. Появление достаточно простых ТВ-трубок типа “видикон” позволило создать компактные телекамеры. Миниатюрные видиконы с диаметром до 15 мм обеспечивают четкость 400-600 линий. На основе видикона разработаны различные варианты телевизионных передающих трубок: плюмбикон, кремникон, суперкремникон, секон, обеспечивающих качественное светоэлектрическое преобразование в широком диапазоне длин волн света и освещенности. В начале 70‑х годов был открыт и реализован новый принцип построения безвакуумных, твердотельных преобразователей ”свет-электрический сигнал”, т. н. приборов с зарядовой связью (ПЗС). В основу таких приборов положены свойства структуры металл-окисел-полупроводник, называемой МОП-структурой (рис. 3.5).  Рис. 3.5. Схема фрагмента ПЗС. Фотокатод или мишень ПЗС представляет матрицу из ячеек с МОП-структурами. Размеры каждой ячейки соответствуют размерам элементам изображения. Разрешающая способность ПЗС определяется количеством ячеек, размещающихся в поле изображения фотокатода. Считывание зарядов, образующихся в каждой ячейке ПЗС под действием света изображения, попадающего на светочувствительную поверхность ячейки, производится путем последовательного перекачивания зарядов с ячейки на ячейку. В результате этого на выходе ПЗС образуется последовательность электрических дискретных сигналов, амплитуда которых соответствует величине заряда на ячейках мишени ПЗС. Максимум чувствительности ПЗС находится в ближней ИК-области, что позволяет их эффективно применять в ИК-диапазоне. Электрический сигнал на выходе вакуумной передающей трубки или ПЗС усиливается и передается по проводам или в виде радиосигналов распространяется в атмосфере к телевизионному приемнику. Последний выполняет обратные функции, преобразуя электрический сигнал в изображение, яркость каждого элемента которого эквивалентна амплитуде соответствующего сигнала. Формирование изображения производится на экране приемной вакуумной трубки или экрана на жидких кристаллах. В вакуумной приемной телевизионной трубке (кинескопе) изображение создается на ее экране электронным лучом, модулируемым электрическим сигналом и перемещающимся с помощью магнитного поля катушек отклонения по горизонтали (строке) и вертикали (по кадру) синхронно с лучом передающей трубки. Синхронность обеспечивается путем передачи синхронизирующих сигналов в виде групп импульсов, моменты времени формирования которых соответствуют границам строк и кадров. Синхроимпульсы совместно с сигналом изображения образуют полный телевизионный сигнал. При приеме из телевизионного сигнала выделяются синхроимпульсы, которые синхронизируют работу устройств кадровой и строчной развертки. Эти устройства формируют сигналы, при прохождении которых по катушкам отклонения создается растр изображения. Основными характеристиками телевизионных средств наблюдения являются чувствительность передающих трубок (ПЗС) и разрешающая способность. Чувствительность определяется чувствительностью материала фотокатода, а разрешение - количеством строк разложения изображения. Современные передающие телевизионные трубки имеют чувствительность, обеспечивающую телевизионное наблюдение в сумерках. Разрешение современных телевизионных систем наблюдения стандартизировано и составляет 625 строк. Чем выше разрешение, тем меньше длительность сигнала элемента изображения и тем шире спектр телевизионного сигнала. Минимальный спектр телевизионного сигнала, передаваемого с частотой кадра 25 Гц и разрешением в 625 строк, составляет 6.5 МГц, полного телевизионного сигнала (со звуковым сопровождением) - 8 МГц. Для передачи таких сигналов на значительные расстояния (сотни км) необходима большая мощность передатчика. Проблемы, возникающие из-за широкой полосы телевизионного сигнала, существует при его записи на магнитную ленту. В аудимагнитофоне максимальная частота сигнала достигает 20 кГц, что составляет менее 1/300 части верхней частоты видеосигнала. Поэтому для записи видеосигнала на принципах аудиозаписи необходимо увеличить скорость перемещения ленты в 300 раз, что неприемлемо. В видеомагнитофоне реализован комплекс мер, обеспечивающих качество изображения, близкое к телевизионному, при приемлемых потребительских показателях видеомагнитофона и видеокассеты (габаритах, весе, времени записи на кассете). С этой целью при видеозаписи уменьшают полосу частот до 4-6 МГц, а для уменьшения линейной скорости перемещения магнитной ленты производится поперечно-строчная (поперек ленты) и наклонно-строчная (под острым углом к направлению движению ленты) запись видосигналов на магнитную ленту с помошью вращающихся одной или нескольких (до 4-х) головок. Сигналы звукового сопровождения и управления записываются на боковых краях магнитной ленты. Такие методы записи видеосигналов позволяют при сохранении высокой скорости движения ленты относительно головки значительно (порядка 100 раз) уменьшить продольную ее скорость и обеспечить приемлемое время записи на одной кассете. Для уменьшения влияния паразитной амплитудной модуляции из-за переменного контакта головки с лентой применяют частотную модуляцию с переменным индексом модуляции для разных частот и записывают на ленту частотно-модулированный сигнал. Кроме того, сохранение требуемых временных соотношений достигается применением высокоточных лентопротяжных механизмов, систем автоматического регулирования электродвигателями и цифровых корректоров временных искажений. Видеомагнитофоны с поперечно-строчной записью обеспечивают высокое качество изображения и звукового сопровождения, но громоздки и сложны в эксплуатации. Конструктивно более простыми являются профессиональные и бытовые видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью. В зависимости от требований к качеству записи и соответствующей скорости “лента-головка” применяют ленты шириной 50.8, 25.4, 19, 12.65 и менее. Широкая лента используется в профессиональных видеомагнитофонах, 12.65 мм и менее - в бытовых. Разнообразие значений ширины ленты в сочетании с разными способами записи обусловили множество форматов записи: для ленты шириной 50.6 мм - Q, 25.4 мм - B, C , 19.05 мм - U, 12.65мм - L, M11, VHS, Beta и др. В бытовой видеозаписи наибольшее распространение получили форматы VHS и Beta. Видеофонограммы формата VHS для отечественной бытовой аппаратуры имеют следующие параметры [77]: - скорость головки относительно ленты - 4.85 м/с; - продольная скорость ленты - 23.39 мм/с; - ширина видеострочки - 0.04 мм; - ширина дорожки звука - 0.3 мм; - ширина дорожки управления - 0.75 мм; - угол наклона строчки относительно края ленты - около 6 град. Малая продольная скорость ленты позволяет на стандартной кассете с размерами 188х104х25 мм производить непрырывную запись изображения в течение 3-5 часов (в зависимости от толщины ленты и других мер. В целях повышения качества изображения развивается цифровая видеозапись в форматах D1-D5, а в интересах сокращения габаритов и веса, что важно для решения задач по добыванию информации, - переход на малогабаритные кассеты. На базе широко применяемого формата VHS предложены форматы VHS-C для кассеты с габаритами 92х59х22.5 мм), Video 8 (95х62.5х15 мм, ширина ленты 8 мм) и малогабаритная кассета МК (102х63х12) с шириной ленты 3.8 мм. В современных видеомагнитофонах удается также снизить скорость до 1 см/с и менее с соответствующим увеличением времени записи. Например, в цифровом видеомагнитофоне EV-A80 (Sony) достигнута скорость ленты 0.6/0.3 см/с, время записи в формате V-8 - 540/1120 мин. с разрешением 250 строк. При существующих стандартах на параметры телевизионных средств наблюдения их разрешение на порядок хуже разрешения фотоснимков. Для повышения четкости изображения разрабатываются средства с повышенными в 2 раза разрешением и частотой кадров. Но при этом соответственно увеличивается ширина спектра телевизионного сигнала со всеми вытекающими из этого недостатками. Поэтому для широкого внедрения качественного телевидения необходимо решить проблему сокращения ширины спектра его телевизионного сигнала. Для телевизионного наблюдения в ИК-диапазоне применяют телевизионные приборы с ЭОП, устанавливаемые перед вакуумными передающими трубками и ПЗС. Для наблюдения в оптическом диапазоне применяют также лазеры, лучи которых в видимом или ИК-диапазонах подсвечивают объекты в условиях низкой освещенности. Для этой цели луч лазера с помощью качающихся зеркал сканирует пространство с наблюдаемыми объектами, а отраженные от них сигналы принимаются фотоприемником так же как при естественном освещении. С целью обеспечения скрытого наблюдения средства наблюдения камуфлируются под бытовые приборы и личные вещи. Некоторые средства приведены в табл. 3.5. Таблица 3.5.
Примечание. ПЗС - приборы с зарядовой связью. д). Приборы ночного видения. Для визуально-оптического наблюдения в инфракрасном диапазоне необходимо невидимое для глаз изображение в инфракрасном диапазоне (более 0.76 мкм) переместить в видимый диапазон. Для визуально-оптического наблюдения в ИК-диапазоне применяются приборы ночного видения (ПНВ). Основу приборов ночного видения составляет электронно-оптический преобразователь (ЭОП), преобразующий невидимый глазом свет в видимый. Самый простой ЭОП, так называемый стакан Холста, состоит из двух параллельных пластин, помещенных в стеклянный стакан, из которого выкачан воздух (рис. 3.2).  Рис. 3.2. Схема стакана Холста. Внешняя сторона первой пластины - фотокатода покрыта светочувствительным материалом (слоем из окиси серебра с цезием), второй представляет металлизированный экран с люминофором. Между пластинами создается сильное электрическое поле величиной 4-5 кВ. На фотокатод объективом проецируется изображение в ИК-диапазоне. В каждой точке фотокатода под действием фотонов света возникают свободные электроны, количество которых пропорционально яркости соответствующей точки изображения. Электрическое поле между пластинами вырывает свободные электроны из фотокатода и, разгоняя, устремляет их к экрану с люминофором. В моменты столкновения электронов с люминофором возникают вспышки света, яркость которых пропорциональна количеству электронов. Таким образом, на экране с люминофором формируется изображение в видимом диапазоне, повторяющее исходное в ИК-диапазоне. Однако параметры (чувствительность, разрешение) рассмотренного ЭОП невысокие и не обеспечивают наблюдение при низкой освещенности и, следовательно, добывание демаскирующих признаков об объекте с мелкими деталями. С момента создания первого ЭОП в виде стакана Холста разработано несколько поколений этих приборов (от нулевого до 3‑го). ЭОП 2 и 3‑го поколений, которые используются в настоящее время, имеют чувствительный фотокатод, а между пластинами камеры размещается так называемая микроканальная пластина. Пластина содержит приблизительно 5000 микроканалов на 1 мм (диаметр канала достигает 12 мкм), внутри которых движутся электроны фотокатода. В результате устранения взаимного влияния электронов от соседних точек фотокатода, движущихся по разным микроканалам, достигается повышение разрешающей способности прибора ночного видения с микроканальной пластиной. Кроме того, в процессе движения электронов внутри каналов происходит “размножение” электронов в результате выбивания их из стенки канала при столкновении с нею движущихся электронов. Основные показатели приборов ночного видения различных поколений приведены в табл. 3.1 [9]. Таблица 3.1.
На основе ЭОП 2 и 3‑го поколений созданы различные приборы ночного видения, включающие ночные бинокли и очки, артиллерийские приборы и прицелы для различных образцов военной техники. Самые малые по размерам ПНВ - очки на базе ЭОП 3‑го поколения имеют угол зрения 40 град., дальность наблюдения (обнаружения) 500м при естественном освещении около 10-3 лк, массу 700 г. Приборы ночного видения эффективно работают в условиях естественного ночного освещения, но не позволяют проводить наблюдения в полной темноте (при отсутствии внешнего источника света). Их чувствительности недостаточно для приема световых лучей в ИК-диапазоне, излучаемых телами. Приборы ночного видения (ПНВ) разделяют на 3 группы: - приборы малой дальности действия (ночные очки), позволяющие видеть фигуру человека на расстоянии 100-200 м. Вес и габариты этих приборов позволяют носить их в карманах, сумках, портфелях; - приборы (ночные бинокли, трубы) средней дальности (человек виден до 300-400 м), наблюдение ведется с помощью с рук; - приборы большой дальности действия (до 1000 м), устанавливаемые для наблюдения на треноге или подвижном носителе. Например, прибор ночного видения - бинокль фирмы Noctron (США) имеет фокусное расстояние 135 мм, угол поля зрения - 10.60, масса 1.98 кг, габариты 320х80х210 мм, дальность наблюдения человеком 300-400 м. По способу подсветки приборы ночного видения условно разделяют на три типа: - объект наблюдения подсвечивается с помощью искусственного источника ИК-излучения, размещенного на приборе ночного видения; - с подсветкой от естественного освещения; - принимающего собственное тепловое излучение объекта наблюдения. Приборы ночного видения первого типа содержит ИК-фару в виде обычного источника света мощностью 25-100 Вт, закрытой спереди специальным фильтром. Например, прибор ночного видения с подсветкой «Аргус» позволяет вести наблюдение в полной темноте объектов на удалении до 120 м [14]. На этом удалении можно различить силуэт человека и определить тип транспортного средства. Опознать человека по признакам внешности и лица можно на значительно меньшем расстоянии 35-50 м. Приборы ночного видения без подсветки при освещенности ночью в летнее время (приблизительно 0.005 лк) позволяют видеть фигуру человека на расстоянии до 300-400 м. ПНВ без подсветки отечественного производства «Ворон» имеет пороговый уровень освещенности для визуального обнаружения объектов 0.001 лк, для регистрации - 0.01 лк. Его разрешающая способность не менее 28 лин/мм, диапазон автоматической регулировки 100000, напряжение питания 5-9 В, масса - не более 1.2 кг. Приборы третьего типа называются тепловизоры. е). Тепловизоры Преграду для создания прибора наблюдения в полной темноте на рассмотренных принципах создают тепловые шумы фотокатодов. Снижение уровня этих шумов достигается снижением температуры фотоприемника. Для достоверного выделения энергии теплового излучения на фоне собственных шумов фотоприемника последний нуждается в охлаждении до весьма низких температур в интервале -70о - (‑200)о C. Способы охлаждения фотоприемника реализуются в тепловизорах, типовая схема которого приведена на рис. 3.3. |