|
|
Учебное пособие по ТЗИ. Учебное пособие для студентов специальностей Организация и технология защиты информации
В оптическом (видимом и инфракрасном) диапазоне информация разведкой добывается путем визуального, визуально-оптического, фото- и киносъемки, телевизионного наблюдения, наблюдения с использованием приборов ночного видения и тепловизоров.
Наибольшее количество признаков добывается в видимом диапазоне. Видимый свет как носитель информации характеризуется следующими свойствами:
наблюдение возможно, как правило, днем или при наличии мощного внешнего источника света;
сильная зависимость условий наблюдения от состояния атмосферы, климатических и погодных условий:
малая проникающая способность световых лучей в видимом диапазоне, что облегчает задачу защиты информации о видовых признаках объекта.
ИК-лучи как носители информации обладают большей проникающей способностью, позволяют наблюдать объекты при малой освещенности. 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 этих диапазонах, имеют достаточно общую структуру. Ее можно представить в виде, приведенном на рис. 3.5 [2].
Рис. 3.5. Структурная схема оптического приемника
Большинство средств наблюдения содержит оптический приемник, включающий оптическую систему, светоэлектрический преобразователь, усилитель и индикатор. В зависимости от вида светочувствительного элемента оптические приборы делятся на:
визуально-оптические;
фотографические;
оптико-электронные.
В визуально-оптических средствах наблюдения светочувствительным элементом является сетчатка глаза человека. В традиционных фотоаппаратах и киноаппаратах светочувствительным элементом является фотопленка. В оптико-электронных приборах светочувствительным элементом является мишень светоэлектрического преобразователя.
Оптическая система или объектив проецирует световой поток от объекта наблюдения на поверхность светоэлектрического преобразователя (сетчатку глаза, фотопленку, фотодиод, фототранзистор, мишень светоэлектрического преобразователя). На мишени оптическое изображение преобразуется в 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 с мишени, усиления электрических сигналов и формирования под их действием видимого изображения на экране оптического приемника.
Характеристики средств наблюдения определяются, прежде всего, параметрами оптической системы и светочувствительным элементом. Зависят они и от способов обработки электрических сигналов и формирования изображения при индикации. Основными характеристиками средств наблюдения 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 искажения изображения на его выходе.
Диапазон длин волн, воспринимаемых средством наблюдения, в видимом диапазоне 0,4…0,76 мкм, в инфракрасном диапазоне 0,76…14 мкм.
Чувствительность средства наблюдения оценивается минимальным уровнем энергии светового луча, при котором 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 шумы светоэлектрического преобразователя. На экране светоэлектрического преобразователя при посторонней внешней засветке наблюдается ухудшение контраста изображение аналогичное варианту прямого попадания на экран телевизионного приемника 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, размеры которых определяются разрешающей способностью средства наблюдения, то вероятность обнаружения и распознавания объекта возрастает с повышением разрешающей способности средства наблюдения (увеличением количества точек изображения объекта).
Поле зрения это часть пространства, изображение которого проецируется на экран оптического приемника. Угол, под которым средство наблюдения «видит» предметное пространство, называется углом поля зрения. Часть поля зрения, удовлетворяющая требованиям к качеству изображения, называется полем изображения.
Динамический диапазон оптического приемника определяет в децибелах интервал силы света на входе оптического приемника, при котором обеспечивается заданное качество изображения на его выходе. Если диапазон силы света от объектов наблюдения больше динамического диапазона оптического приемника, то происходит искажение добываемой информации и может вызвать выход его из строя.
Характеристики человеческого глаза. 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 границу зелено-голубого цвета (0.51мкм), в темноте – на границу желто-зеленого (0.55 мкм);
порог угловых размеров, которые глаз различает как две раздельные точки на объекте наблюдения, составляют днем – 0.5…1 угловых минут, ночью–30 угловых минут;
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.
Рассмотрим понятие контрастности. Контрастность это отношение разности яркости объекта и фона к яркости объекта:
 ,
где  – яркость объекта и фона соответственно.
Яркость это отношение силы света J, какой либо площадки к её площади  :
 .
Сила света измеряется в канделах (кандела–кд) и определяется как сила света источника монохроматического излучения частоты 5401012 Гц (около 1 мкм) излучающего 0,00146 Вт на 1 ср (1 стерадиан это телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу этой сферы).
Уникальные возможности зрительной системы человека обеспечиваются хрусталиком глаза, выполняющего функции объектива. Совершенство хрусталика проявляется, прежде всего, тем, 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 хрусталика глаза пока не удается.
Характеристики объективов. Основу оптических систем и средств наблюдения составляют объективы, которые в силу постоянства кривизны поверхностей линз и оптической плотности стекла проецируют изображения с различного рода погрешностями. Наиболее заметны 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;
хроматическая аберрация – появление цветных окантовок на границах световых переходов, вызванных различными коэффициентами преломления линз объектива спектральных составляющих световых лучей.
С целью уменьшения погрешностей объективы выполняются из большого (до 10 и более) количества линз с различной кривизной поверхностей. Все или отдельные группы линз склеиваются между собой.
Качество объективов описываются совокупностью характеристик, основными из которых являются:
фокусное расстояние;
угол поля зрения и изображения;
светосила;
разрешающая способность.
Фокусное расстояние f объектива представляет собой расстояние от оптической плоскости объектива до плоскости, где фокусируются входящие в объектив параллельные лучи света. По величине фокусного расстояния объективы делятся на короткофокусные, с фокусным расстоянием f, меньшим длины диагонали кадра поля изображения d (можно сказать, что d есть диаметр объектива), нормальные или среднефокусные (f = d), длиннофокусные и телеобъективы с f > d, а также с переменным фокусным расстоянием.
По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы, у которых величина 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 fобъектива, тем больше деталей объекта можно рассмотреть на его изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для обнаружения объекта используют короткофокусные объективы, а для распознавания – длиннофокусные.
Светосила характеризует уровень световой энергии, пропускаемой объективом к светочувствительному элементу. На светосилу объектива влияют следующие факторы:
относительное отверстие объектива;
прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отражения) линз;
масштаб изображения.
Светосила без учета реальных потерь света в линзах оценивается величиной геометрического относительного отверстия, равного k = d/f, где d– диаметр входного отверстия объектива (апертура), f – фокусное расстояние. В зарубежной литературе светосила оценивается фокальным числом F = f/d. По величине относительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные, у которых (d/f1/2), светосильные (d/f=1/2…1/4) и малосветосильные (d/f1/4). 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.
На рис. 3.6 показано, как изменение относительного отверстия влияет на изменение светосилы объектива. При уменьшении относительного отверстия уменьшатся телесный угол , под которым свет попадает на светочувствительный элемент.
Рис. 3.6. Влияние изменения относительного отверстия на изменение светосилы объектива
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%. Уменьшают потери света просветлением линз. Просветлением называются способы уменьшения отражения света от поверхности стекла путем нанесения на него тонкой пленки с коэффициентом преломления, меньшим преломления стекла линзы. Толщина просветляющей пленки должна составлять 1/4 длины волны падающего на линзу света. В этом случае отраженные лучи света в силу противоположности их фаз фазам падающих лучей компенсируются и, следовательно, отражение света отсутствует. Первоначально объективы просветляли для желто-зеленой части спектра, к которой наиболее чувствителен глаз человека. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине-фиолетовый опенок 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.
Разрешающая способность объектива это его возможность передавать мелкие детали изображения. 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 астрономических телескопов. В них разрешающая способность достигает 1000 лин./мм. Разрешение объективов применяемых в фотографии составляет 50 лин./мм
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. Oscar используются объективы диаметром 1–4 мм и длиной до 15 мм.
Визуально-оптические приборы. Для визуально-оптического наблюдения применяются оптические приборы, увеличивающие размеры изображения на сетчатке глаза. В результате этого повышается дальность наблюдения, вероятность обнаружения и распознавания мелких объектов. К визуально-оптическим приборам относятся:
бинокли;
монокуляры;
подзорные трубы;
специальные телескопы.
Бинокли. Для наблюдения за объектами наиболее распространены бинокли. Бинокль (от латинского Bini –пара и oculus – глаз) – оптический прибор из двух параллельных соединенных между собой зрительных труб (система Кеплера). В зависимости от оптической схемы зрительной трубы бинокли разделяются на обыкновенные и призменные.
Простейшая телескопическая система бинокля представляет собой двухкомпонентную систему Кеплера, изображенную на рис. 3.7 [5].
Рис. 3.7. Телескопическая система бинокля
Кратность увеличения Г оптической системы Кеплера определяется отношением фокусных расстояний:
Г = f1/f2
Основной недостаток оптической системы Кеплера – переворачивание изображений, из-за чего наблюдатель видит всё вверх ногами. Для устранения этого недостатка в систему вводят компоненты, обеспечивающие нормальное положение объекта. В качестве таких элементов вводят дополнительные линзы (зрительные трубы с дополнительными линзами называют обыкновенными, см. рис. 3.8) либо призмы (зрительные трубы с призмами называют призменными, см. рис. 3.9).
Рис. 3.8. Обыкновенная зрительная труба
Рис. 3.9. Призменная зрительная труба
Зрительная труба призменного бинокля состоит из объектива, обращенного в сторону объекта наблюдения, системы призм, оборачивающей изображение, и окуляра – объектива, обращенного к зрачку глаза. В обыкновенном бинокле призмы отсутствуют, оптические оси объектива и окуляра трубы совпадают, расстояние между центрами объективов и центрами окуляров зрительных труб одинаково и равно 65 мм (среднее расстояние между зрачками глаз наблюдателя). Бинокли этого типа просты по устройству, обладают высокой светосилой, однако имеют малое поле зрения и не позволяют устанавливать углоизмерительную сетку. Наиболее распространены призменные бинокли. Они обладают сравнительно большим полем зрения и повышенной стереоскопичностью за счет увеличения расстояния между центрами объективов труб. В призменных биноклях устанавливают углоизмерительную сетку в фокальной плоскости окуляра. Зрительные трубы у призменных биноклей шарнирно закреплены на общей оси, что позволяет подбирать расстояние между окулярами по базе глаз наблюдателя от 54 до 74 мм.
Объективы и призмы оборачивающей системы закреплены в зрительных трубах неподвижно, а окуляры могут выдвигаться для установки по силе зрения наблюдателя. Для этого на окулярных трубах наносятся диоптрийные шкалы. Современные бинокли имеют большие коэффициенты (кратности) увеличения. Например, увеличение бинокля Navigator (рис. 3.10) изменяется в пределах 8…24, угол поля зрения 8 градусов, диаметр объектива 50 мм, предельное разрешение не более 2,6 угловых секунд, цена 1400 рублей [6]. Бинокль Commander XP (рис. 3.11) имеет кратность увеличения 7, поле зрения при дальности 1000 метров составляет 130 метров, цена 43000 рублей [6]. При достаточно большом увеличении визуально-оптического прибора его угол зрения становится столь малым, что трудно из-за дрожания рук удерживать изображение наблюдаемого объекта в поле зрения прибора.
Рис. 3.10. Бинокль Navigator
Рис. 3.11. Бинокль Commander XP
Для стабилизации изображения визуально-оптические приборы устанавливают на штативе или треноге. В более дорогих приборах применяют электронную стабилизацию изображения, обеспечивающую наблюдение с рук или с движущегося транспорта.
Чтобы улучшить наблюдение при тумане, ярком солнечном освещении или зимой на фоне снега, на окуляры бинокля надеваются желто-зеленые светофильтры. В некоторых биноклях для обнаружения активных инфракрасных приборов ночью применяют специальный экран, чувствительный к инфракрасным лучам.
В последнее время применяются так называемые панкратические бинокли, плавно изменяющиеся увеличение в значительных пределах (от 4 до 20 и более). При этом в обратно пропорциональной зависимости изменяется величина поля зрения. Такие бинокли наиболее удобны для наблюдения: позволяют производить поиск объектов при большом поле зрения, но малом увеличении, а изучение объекта – при большом увеличении. Например, панкратический бинокль фирмы Tasko (США) имеет увеличение 8–15, угол зрения 6.0–3.6 градусов и диаметр входного зрачка 5–2.3 мм. У панкратических зрительных труб увеличение может изменяться в еще больших пределах. Например, кратность увеличения зрительной трубы фирмы Swiff (Великобритания) составляет 6–30 при угле зрения 7.5–1.3 градусов.
Для скрытного наблюдения удаленных объектов применяют подзорные трубы и специальные телескопы, имеющие объективы с большим фокусным расстоянием. Например, телескоп РК 6500 при фокусном расстоянии 3900 мм и диаметре входной апертуры 350 мм позволяет опознать автомобиль на удалении до 10 км. Однако телескоп имеет сравнительно большие размеры 460x560x1120 мм, вес 54 кг и устанавливается на специальном штативе с электроприводом [2].
|
|
|
Скачать 7.5 Mb.