Министерство науки и высшего образования Российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего образования
“ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Кафедра “Многопрофильный колледж”
Эссе по дисциплине:
“Основы информационной безопасности”
На тему:
“Наблюдение в оптическом диапазоне и применяемые для этого средства.
Характеристики таких средств.”
Направление подготовки (специальность) 09.02.03-09.02.07
Информационные системы и программирование
Автор доклада И.А.Топорков Группа КСП-223
Тамбов 2023
В оптическом видимом диапазоне света информация разведкой добывается путем визуального, визуально-оптического и телевизионного наблюдения, фото- и киносъемки, а в инфракрасном диапазоне — с использованием приборов ночного видения и тепловизоров.
Наибольшее количество признаков добывается в видимом диапазоне. Но видимый свет как носитель информации имеет малую проникающую способность, дальность его распространения в атмосфере сильно зависит от ее состояния, климатических и погодных условий. ИК-лучи как носители информации обладают большей проникающей способностью и позволяют наблюдать объекты при малой освещенности и даже в темноте. Но при их преобразовании в видимый свет для обеспечения возможности наблюдения объекта человеком происходит значительная потеря информации об объекте.
Так как физическая природа носителя информации в видимом и инфракрасном диапазонах одинакова, то различные средства наблюдения, применяемые для добывания информации в этом диапазоне, имеют достаточно общую структуру
Большинство средств наблюдения представляют собой оптический приемник, содержащий оптическую систему, светоэлектрический элемент, усилитель и индикатор. В зависимости от вида светочувствительного элемента оптические приборы делятся на визуально-оптические, фотографические и оптико-электронные. В визуально-оптических средствах наблюдения светочувствительным элементом является сетчатка глаза человека, в традиционных фото- и киноаппаратах — фотопленка, а в оптико-электронных приборах — мишень светоэлектрического преобразователя (СЭП).
Оптическая система или объектив проецирует световой поток от объекта наблюдения на поверхность светочувствительного элемента (сетчатку глаза, фотопленку, фотодиод, фототранзистор, мишень СЭП). Светочувствительный элемент преобразует оптическое изображение в эквивалентное распределение плотности химического вещества или электронное изображение, количество «свободных» электронов каждой точки которого пропорционально яркости соответствующей точки оптического изображения. Способы визуализации изображения для разных типов оптического приемника могут существенно отличаться. Изображение в виде зрительного образа формируется в мозгу человека, на фотопленке — в результате химической обработки светочувствительного слоя, на экране технического средства— путем параллельного или последовательного съема электронов со светоэлектрического элемента, усиления электрических сигналов и формирования под их действием видимого изображения на экране оптического приемника.
1
Характеристики средств наблюдения определяются, прежде всего, параметрами оптической системы и светоэлектрического элемента, а также зависят от способов обработки электрических сигналов и формирования изображения при индикации. Основными характеристиками являются:
•диапазон длин волн световых лучей, воспринимаемых средством наблюдения;
•чувствительность;
•разрешающая способность;
•поле (угол) зрения и изображения;
•динамический диапазон интенсивности света на входе оптического приемника, не вызывающий искажение изображения на его выходе.
Средства наблюдения в зависимости от назначения создаются для видимого диапазона длин волн или его отдельных участков (зон), а также для различных участков инфракрасного диапазона.
Чувствительность средства наблюдения оценивается минимальным уровнем световой энергии, при которой обеспечивается требуемое качество изображения объекта наблюдения. Качество изображения зависит как от яркости и контрастности проецируемого изображения, так и от помех. Помехи создают лучи света, попадающие на вход приемника от других источников света, и тепловые Шумы светоэлектрического преобразователя. На экране светочувствительного элемента при посторонней внешней засветке ухудшается контраст изображения аналогично варианту прямого попадания на экран телевизионного приемника или монитора компьютера яркого солнечного света.
Разрешающая способность характеризуется минимальными линейными или угловыми размерами между двумя соседними точками изображения, которые наблюдаются как отдельные. Так как изображение формируется из точек (пикселей), размеры которых определяются разрешающей способностью средства наблюдения, то вероятность обнаружения и распознавания объекта возрастает с повышением разрешающей способности средства наблюдения (увеличением количества пикселей изображения объекта).
Размеры наблюдаемой части пространства характеризуются полем и углом зрения. Поле зрения — часть пространства, изображение которого проецируется на экран оптического приемника. Угол, под которым средство «видит» предметное пространство, называется углом поля зрения. Часть поля зрения, удовлетворяющего требованиям к качеству изображения по резкости, называется полем или, соответственно, углом поля изображения.
Динамический диапазон оптического приемника определяет в дБ интервал силы света на входе оптического приемника, при котором обеспечивается заданное качество изображения на выходе. Чем шире динамический диапазон оптического приемника, тем больше оперативные возможности его применения. Несоответствие динамического диапазона приемника диапазону силы света от объектов наблюдения приводит не только к искажению добываемой информации, но и может вызвать нарушение в работе приемника вплоть до разрушения светочувствительного элемента. Например, если человек посмотрит открытыми глазами на Солнце, то он в течение некоторого времени «слепнет».
2
Наиболее совершенным средством наблюдения в видимом диапазоне является зрительная система человека, включающая глаза и области мозга, осуществляющие обработку сигналов, поступающих с сетчатки глаз. Возможности зрения человека характеризуются следующими показателями:
•глаз воспринимает световые лучи в диапазоне 0,4-0,76 мкм, причем максимум его спектральной чувствительности в светлое время суток приходится на голубой цвет (0,51 мкм), в темноте — на зеленый (0,55 мкм);
•порог угловых размеров, которые глаз различает как две раздельные точки на объекте наблюдения, составляет днем 0,5-1 угл. мин, ночью — 30 угл. мин;
• порог контрастности различимого объекта по отношению к фону составляет днем 0,01-0,03, ночью — 0,6;
• диапазон освещенности объектов наблюдения, к которым адаптируется глаз, достигает 60-70 дБ;
•при освещенности менее 0,1 лк (в безоблачную лунную ночь) глаз перестает различать цвет;
•угловое поле зрения:
—в горизонтальной плоскости 65-95°;
—в вертикальной плоскости 60-90°;
— резкого изображения 30°;
•расстояние наилучшего зрения — 250 мм;
•время удержания взглядом изображения — 0,06 С;
Уникальные возможности зрительной системы человека обеспечиваются, прежде всего, оптической системой глаза, выполняющего функции объектива. Ее возможности и достигаются в результате того, что его кривизна с помощью специальных глазных мышц изменяется таким образом, чтобы обеспечить на сетчатке глаза максимально четкое изображение объектов, расположенных на различных расстояниях от наблюдателя. Хотя ведутся исследования по созданию подобных искусственных объективов, но приблизиться к возможностям глаза пока не удается.
3
Оптические системы
Основу оптических систем средств наблюдения составляют объективы, которые в силу постоянства сферической кривизны поверхностей линз и оптической плотности стекла проецируют изображения с различного рода погрешностями. Наиболее заметны следующие из них:
•сферическая аберрация, проявляющаяся в отсутствии резкости изображения на всем поле зрения (оно резко в центре или по краям);
•астигматизм— отсутствие одновременной резкости на краях поля изображения для вертикальных и горизонтальных линий;
•дисторсия — искривление прямых линий на изображении;
•хроматическая аберрация — появление цветных окантовок на границах световых переходов изображения, вызванных различными коэффициентами преломления линзами объектива спектральных составляющих световых лучей.
С целью уменьшения погрешностей объективы выполняются из большого (до 10 и более) количества сферических линз с различной кривизной поверхностей. Все или отдельные группы линз склеиваются между собой. Аберрации линз существенно уменьшаются у асферических линз со сложной кривизной поверхности. Технология полировки асферических линз сложна и дорога. Выпускаются для недорогих объективов литые асферические линзы, уступающие по качеству стекла шлифованным сферическим линзам.
Возможности объективов описываются совокупностью характеристик, основными из которых являются:
•фокусное расстояние;
•угол поля зрения и изображения;
•светосила;
•разрешающая способность;
•частотно-контрастная характеристика.
Фокусное расстояние объектива представляет собой расстояние от оптической плоскости объектива до плоскости, где фокусируются входящие в объектив параллельные лучи света. По соотношению величины фокусного расстояния f объектива и длины диагонали кадра поля создаваемого им изображения d объективы делятся на короткофокусные, у которых f < d, нормальные или среднефокусные (fd), длиннофокусные и телеобъективы с f > d, а также с переменным фокусным расстоянием. Фокусное расстояние глаза человека составляет около 17 мм. Значения фокусного расстояния объективов унифицированы и принимают дискретные значения: 2,6, 3,5,4,8, 6, 8, 12, 16, 25, 50, 75 мм и т. д.
4
Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкреатический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрена возможность смещения оптических компонентов вдоль оптической оси объектива, за счет чего изменяется величина фокусного расстояния. Величину фокусного расстояния изменяют дискретно или плавно. Дискретное изменение фокусного расстояния достигается применением афокальных насадок, уменьшающих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное изменение величины фокусного расстояния осуществляется перемещением отдельных линз объектива вдоль оптической оси по линейному или нелинейному закону. В зависимости от способа изменения эти объективы подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы. Вариообъективы представляют собой единую оптическую схему, в которой изменение фокусного расстояния осуществляется непрерывным перемещением одной или нескольких линз вдоль оптической оси. Трансфокаторы состоят из насадки с переменным плавным увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием.
Сложность оптической конструкции объективов с переменным фокусным расстоянием вызвана, прежде всего, тем, что при изменении фокусного расстояния должно автоматически сохраняться положение плоскости резкого изображения наблюдаемого объекта. Добиваются этого путем оптической или механической компенсации. В первом случае кратность изменения фокусного расстояния не более 3, во втором — 6-7.
По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы, у которых величина этого угла не превышает 30°, среднеугольные (угол в пределах 30°-60°), широкоугольные с углом более 60° и, наконец, — с переменным углом поля изображения у объективов с переменным фокусным расстоянием.
Чем больше фокусное расстояние f объектива, тем больше масштаб изображения и больше деталей объекта можно рассмотреть на изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для обнаружения объекта используют короткофокусные объективы, а Для распознавания — длиннофокусные.
Светосила характеризует долю световой энергии, пропускаемой объективом к светочувствительному элементу. Очевидно, что чем выше светосила объектива, тем ярче изображение на светочувствительном элементе. На светосилу объектива влияют следующие факторы:
•относительное отверстие объектива;
•прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отражения) линз;
•масштаб изображения;
•коэффициент снижения яркости изображения к краю его поля.
Светосила без учета реальных потерь света в линзах вычисляется как квадрат относительного отверстия, равного d/f, где d — диаметр входного отверстия (апертуры). Эффективное относительное отверстие объектива меньше геометрического на величину потерь света в его линзах. По величине относительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные с d/f > 1/2, светосильные с d/f = 1/2,8-1/4) и малосветосильные с d/f < 1/5 [5]. В зарубежной литературе в качестве характеристики светосилы объектива используют такой показатель, как «фокальное число» F = f/d. У человека c f=17 мм и d = 6мм F = 2,8, т. е. хрусталик глаза относится к светосильным объективам. Чем больше светосила объектива, тем выше чувствительность средства наблюдения. Однако при этом растут искажения изображения и для их уменьшения усложняют конструкцию светосильных объективов, что естественно приводит к их удорожанию.
5
Для изменения относительного отверстия при чрезмерно большом диапазоне освещенности объекта наблюдения и повышения глубины резкости в объективе устанавливается механизм регулировки диаметра относительного отверстия — диафрагма. Величина диафрагмы изменяется вручную или автоматически.
Свет, падающий на линзу и проходящий через нее, отражается и поглощается. Количество поглощенного света зависит от толщины стекла (в среднем 1-2% на 1 см толщины). Линзы отражают 4-6% падающего на них света. Чем больше отражающих поверхностей имеет объектив, тем больше потери света. В объективах из 5-7 линз потери света на отражение могут составлять 40-50% [5]. Кроме того, свет, отраженный от внутренних поверхностей линз в сторону плоскости изображения, накладывается на изображение и создает помеху в виде засветки изображения. Засветка уменьшает контраст изображения. Эти неблагоприятные факторы, возникающие в многолинзовых объективах, уменьшают просветлением линз.
Просветлением называется способ уменьшения переотражения света от внутренних поверхностей линз путем нанесения на них тонкой пленки. Толщина просветляющей пленки должна составлять 1/4 длины волны падающего на линзу света. Пленка сдвигает фазу отраженной от внутренней поверхности линзы волны на 180°, вследствие чего она компенсируется падающей волной. Первоначально объективы просветляли для узких участков спектра. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине-фиолетовый оттенок и назывался «голубой» оптикой. Современные технологии просветления оптики позволяют наносить на поверхность линзы 12-14 слоев просветляющих пленок и перекрывать тем самым весь спектр видимого диапазона света. Такую оптику маркируют индексами МС — многослойное покрытие. Объективы МС в отраженном свете не меняют цвет.
Возможность объектива передавать мелкие детали изображения оценивается разрешающей способностью. Она выражается максимальным числом N штрихов и промежутков между ними на 1 мм поля изображения в его центре и по краям. Наиболее высокую разрешающую способность имеют объективы для микрофотографирования в микроэлектронике и линзы астрономических телескопов. Она достигает 1000 и более линий на мм. Изготовление таких объективов является чрезвычайно трудоемким процессом продолжительностью для линз телескопов большого диаметра в течение многих месяцев. Объективы с линзами из кварца, применяемые в фотографии, имеют существенно меньшее разрешение порядка 50 лин./мм, с штампованными из синтетических материалов линзами — еще ниже.
Так как одним из основных факторов, определяющих вероятность обнаружения и распознавания объектов, является контраст его изображения по отношению к фону, то важной характеристикой объектива как элемента средства наблюдения является его частотно-контрастная характеристика. Она служит мерой способности объектива передавать контраст деталей объекта и измеряется отношением контрастности деталей определенных размеров на изображении и на объекте. Уменьшение контраста мелких деталей на изображении вызвано тем, что в результате различных аберраций объектива на изображении размываются границы деталей наблюдаемых объектов.
Для количественной оценки частотно-контрастной характеристики в качестве исходного объекта используется эталонный объект наблюдения — мира в виде черно-белых линий с уменьшающейся шириной, нанесенных, например, тушью на белой бумаге. По результатам измерений контрастности п линий на проецируемом объективом изображении строится зависимость контраста К от количества линий п в одном мм. Зависимость К = f(n) определяет частотно-контрастную характеристику объектива.
6
В связи с большими техническими проблемами создания универсальных объективов с высокими значениями показателей, оптическая промышленность выпускает широкий набор специализированных объективов: для фото- и киносъемки, портретные, проекционные, для микрофотографирования и т. д.
Для добывания информации применяются объективы трех видов: для аэрофотосъемки, широкого применения (фото-, кино- и видеосъемки с использованием бытовых и профессиональных камер) и для скрытой съемки.
Объективы широкого применения разделяются в соответствии с размерами фотоаппаратов: для малоформатных и миниатюрных, среднеформатных и крупноформатных камер.
Для скрытого наблюдения используются:
•телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300-4800 мм)для фотографирования на большом удалении от объекта наблюдения, например из окна противоположного дома и далее;
•так называемые точечные объективы для фотографирования из портфеля, часов, зажигалки, через щели и отверстия. Они имеют очень малые габариты и фокусное расстояние, но большой угол поля зрения.
Например, объектив фотоаппарата РК 420, вмонтированного в корпус наручных часов, имеет размеры 7,5 мм с апертурой 2,8 мм. В миникамерах фирм Hitachi, Sony, Philips, Ockar используются объективы диаметром 1-4 мм и длиной до 15 мм.
Заключение: В оптическом видимом диапазоне света информация разведкой добывается путем визуального, визуально-оптического и телевизионного наблюдения, фото- и киносъемки, а в инфракрасном диапазоне — с использованием приборов ночного видения и тепловизоров.
7 |
Скачать 24.64 Kb.