CC BY
104
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
УДК 622.232.8:621.384.3.01:531.714.2
Высокочувствительные телевизионные камеры для обеспечения безопасности
Волков В. Г.
Постановка задачи: рассматриваются новые высокочувствительные телевизионные (ТВ) камеры для обеспечения работы служб безопасности. Показаны их возможности, описаны технические параметры. Цель работы: показать последние достижения в области создания конкретных ТВ камер различного типа для обеспечения безопасности. Используемые методы: сравнительный научно-технический анализ возможностей ТВ камер и вопросов их применения в системах обеспечения безопасности. Новизна: впервые показаны в систематизированном виде технические параметры высокочувствительных ТВ камер для устройств обеспечения безопасности. Все ТВ камеры выполнены либо в виде портативных, либо стационарных устройств. Практическая значимость: показана эффективность и перспективность применения высокочувствительных ТВ камер в системах обеспечения безопасности благодаря их высоким параметрам, возможности обеспечения круглосуточного наблюдения и работы в ухудшенных условиях видения.
Ключевые слова: ТВ камера, чувствительность, отношение сигнал/шум, разрешение, динамический диапазон, размер пикселя, размер активной области, масса. Габариты, энергопотребление.
Актуальность
В настоящее время большой интерес проявляется к созданию высокочувствительных телевизионных (ТВ) камер для специальной техники [1-5]. На основе таких ТВ камер созданы высокоэффективные низкоуровневые телевизионные системы [1-3]. Они предназначены для широкого применения в службах обеспечения безопасности: охрана объектов методом патрулирования или стационарным методом, обеспечения работы пограничных, таможенных служб, служб МВД и МЧС, для работы бойцов спецподразделений, разведки.
Методы повышения чувствительности ТВ камер с использованием традиционных матриц ПЗС
Для повышения чувствительности ТВ камер могут быть использованы следующие варианты [1-5]:
1) охлаждение матриц ПЗС;
2) повышение чувствительности за счет применения растровой оптики и светосильных объективов,
3) использование так называемых ночных режимов № 1 и № 2,
4) применение гибридно-модульных преобразователей изображения,
5) использование матриц ПЗС с электронным умножением.
Известно, что охлаждение матрицы ПЗС на каждые 9°С приводит к уменьшению ее темнового тока в 2 раза [2]. Поэтому применяют охлаждение матриц ПЗС путем заливки жидкого азота в сосуд Дьюара, в котором смонтирована матрица. При этом температура охлаждения составляет 77 К. Чаще используют охлаждение с помощью одно- или двухкаскадных
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
термоэлектрических охладителей (ТЭО). Но такие технические решения не получили широкого распространения.
Применение растровой оптики - микролинзы на каждом пикселе (рис. 1) позволяет увеличить охват излучение и в сочетании со светосильными объективами на входе ТВ камеры (относительное отверстие 1:0,8 вместо 1:1,2 или 1:1,4) повысить соответственно чувствительность матрицы ПЗС.
Рис. 1. Применение растровой оптики - микролинзы на каждом пикселе позволяет увеличить охват излучение
Фирма Sony повысила чувствительность матриц ПЗС EXview приблизительно в 4 раза за счет повышения величины абсолютной чувствительности и ее сдвига в ближнюю инфракрасную (ИК) область спектра.
Созданы новые типы матриц ПЗС HAD CCD, которые имеют отношение сигнал/шум свыше 115 дБ по сравнению с 20 дБ, для обычных матриц ПЗС [2]. На рис. 2 представлены кривые спектральной чувствительности обычной матрицы ПЗС фирмы Sony (ICX058CL) EXview HAD CCD (ICX258AL) [1, 2].
«
s н о о и
«
s и
<D
г
и
го
1.0
О.У
о.к
».7 0.6 0.5 0.4 0,3 0.2 0.1 О
I У
у
/
/
/ / <
0.4
0.5
0.6
0,7
0.8
О.Ч
1.0
1.1
Значения длин волн, мм
Рис. 2. Сравнительные спектральные характеристики: кривая 1 - обычная матрица ПЗС, модель ICX058CL фирмы Sony; кривая 2 - матрица EXview HAD CCD, модель ICX258AL той же фирмы
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Конкретным примером таких ТВ камер могут служить модели фирмы Watec Ltd (Япония) (таблица 1 приложения) - рис. 3. Однако чувствительность таких ТВ камер все еще сравнительно не высока.
Фирме Sony удалось достичь оптимизации стыковки пикселя и микролинзы и разработать новую матрицу ПЗС Super HAD CCD II с улучшенной структурой. При этом была обеспечена чувствительность от 1000 мВ на квадратный микрон относительно отверстие объектива 1:5,6 для цветных сенсоров и 1:8 для черно-белых, время накопления 1 с. Это позволило расширить динамический диапазон сенсора на 6 дБ. Фирме удалось также добиться уменьшения расфокусировки, которое происходит при использовании объективов без ИК коррекции [6].
Более того, область фоточувствительного слоя пикселя была увеличена. Это привело к высокой эффективности преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. В этой матрице ПЗС улучшилась цветопередача. За счет применения нового химического состава наносимых цветных пигментных элементов повысилась чувствительность в синей части рабочей области спектра, а также были достигнуты сбалансированные показатели спектральной чувствительности. Благодаря этому удалось снизить уровень шумов цветности. Сохранена высокая устойчивость к засветкам характерная для предыдущих моделей матриц ПЗС (Super HAD, Exview HAD). За счет механически отключаемого ИК фильтра реализован режим «День/Ночь». При этом минимальная рабочая освещенность в цветном режиме составляет до 0,15 лк, а в черно-белом режиме - до 10-3 лк (при относительном отверстии объектива 1:1,2). За счет оптимизации цифровой обработки сигнала в ТВ камерах достигнуто разрешение 580 ТВ линий в цветном и 700 ТВ линий в черно-белом режиме. Используется при этом функция подавления шумов (SSNR3) в условиях пониженной освещенности. При настройке предоставляется возможность выбора одного из 32 уровней подавления шумов. При этом достигается экономия на 70% дискового пространства видеорегистратора при
а.
б.
Рис. 3. ТВ камеры фирмы Watec Ltd.: а - в корпусном; б - в бескорпусном исполнении
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
записи видеосигнала от ТВ камеры, т.к. шумы воспринимаются видеорегистратором как дополнительные элементы изображения и не могут быть подвергнуты эффективной компрессии. Для устранения дрожания изображения, возникающего при установке ТВ камер в условиях для наружного наблюдения (например, из-за проезжающего мимо большегрузного транспорта), предусмотрена цифровая стабилизация изображения (DIS). Инверсия ярких засветок связана с возможностью процессора цифровой обработки сигнала затемнять особо яркие участки кадра. Это существенно улучшает различимость прилегающих к ним участков изображения. Данный режим полезен, например, для распознавания номерных знаков автомобилей с включенными фарами. Режим расширенного динамического диапазона (SSDR) позволяет использовать ТВ камеры в условиях присутствия в зоне наблюдения как хорошо, так и плохо освещенных объектов одновременно. SSDR подавляет особо яркие участки изображения и улучшает контраст для слабо освещенных деталей [6].
Режим суммирования кадров (кадрового накопления) (DSS) позволяет существенно повысить чувствительность ТВ камеры в условиях пониженного уровня освещенности. Например, при суммировании 256 кадров минимальная рабочая освещенность составляет 4*10-5 лк в черно-белом режиме (относительное отверстие объектива - 1:1,2). Максимальное количество суммируемых кадров можно настроить из меню. В процессе настройки можно выбрать любой из 14 языков интерфейса, включая русский. Предусмотрен детектор движения и настройка 8 его зон при детектировании движения, для каждой из которых может быть индивидуально определена чувствительность [6].
На рис. 4 представлен внешний вид таких ТВ камер, а на рис. 5-11 наглядно иллюстрируются их возможности.
Рис. 4. Внешний вид ТВ камер на основе матриц ПЗС Super HAD CCD II: а - STC-3080; б - STC-3630 ULTIMATE; в - STC-3680 ULTIMATE
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Длинна волны, мм
а.
Длинна волны, мм б.
Рис. 5. Сравнение характеристик спектральной чувствительности матриц ПЗС
Super HAD CCD и Super HAD CCD II
а. Super HAD CCD
б. Super HAD CCD II
Рис. 6. Изменения в матрице Super HAD CCD II, которые привели к повышению чувствительности
Рис.7. Сравнение чувствительности Super HAD CCD и Super HAD CCD II, у которой расширен динамический диапазон на 7 дБ
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
Рис. 8. Улучшение четкости изображения в условиях пониженной освещенности за счет применения функции цифрового подавления шумов
Рис. 9. Инверсия ярких засветок, позволяющая распознать номерной знак
автомобиля с включенными фарами
Рис. 10. Возможность одновременного наблюдения в зоне наблюдения как хорошо, так и плохо освещенных объектов за счет режима расширенного
динамического диапазона
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Рис. 11. Режим суммирования кадров для повышения чувствительности ТВ камеры
Фирма ЭВС (РФ) [7-9] использует накопление заряда в матрице ПЗС от 0,02 с до 3 c (ТВ камеры фирмы Panasonic WV-BF550, WV-BL730), а также фирмы КАМРО (КС1003С) и РСАМ (PC-360D) с режимом «Electronic sensitivity enchanger». Однако при движении объекта наблюдения не происходит накопления заряда. В связи с этим такие ТВ камеры не нашли применения в системах безопасности.
Фирма ЭВС применяет метод «Technology EVS» В ТВ камерах VNC-542, VNC-742 это связано с суммированием зарядового изображения по площади непосредственно в матрице ПЗС. Суть метода в том, что дополнительное суммирование (накопление) сигнала производится в самой матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве ПЗС один раз на каждую сумму сигналов. В результате 4-х кратное сложение приводит к 4-х кратному росту отношения сигнал/шум, а не к 2-х кратному, как для обычных методов. При уменьшении входной освещенности в ТВ камерах автоматически изменяется режим считывания сигнала с матрицы ПЗС - появляется суммарный сигнал: сначала сумма состоит из 2-х элементов, затем из 3-х, 4-х и т.д. до 10-12. В результате во столько же раз повышается чувствительность без смаза изображения. Но при низких уровнях освещенности происходит плавная потеря разрешения [7-9]. Такой режим возможен потому, что при малых сигналах шум считывания значительно превосходит фотонный шум, и последний практически не влияет на результат накопления.
В ТВ камерах фирмы ЭВС используется ночные режимы № 1 и № 2. Ночной режим № 1 заключается в автоматическом обмене разрешающей способности ТВ камеры на чувствительность при малых уровнях освещенности путем сложения сигналов с соседних пикселей. Максимальное число сложений равно 10 в ТВ камерах стандартного разрешения и 12 в ТВ камерах высокого разрешения. Это приводит с росту чувствительности в 10 и 12 раз соответственно. Ночной режим № 2 состоит в увеличении времени накопления
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
ТВ камеры при уменьшении освещенности до 16 ТВ кадров. Суммарный режим 1+2 позволяет в 100 раз повысить чувствительность [7-9].
Для большего увеличения чувствительности (до 4*10-5 лк) в ТВ камерах VNC-543 и VNC-743 используется сочетание режимов суммирования зарядового изображения по площади с режимом «Electronic sensitivity enchancer», но в ограниченном временном диапазоне (до 0,2 с), так, что смаз изображения движущихся объектов не очень высок. Чувствительность таких ТВ камер - как у приборов ночного видения с ЭОП поколений 2 и 2+. На рис. 12 представлены типичные ТВ камеры фирмы ЭВС с повышенной чувствительностью, а в таблице 2 приложения - их основные параметры [7-9].
Для еще большего повышения чувствительности рекомендуется применение сверхсветосильных объективов с асферическими оптическими поверхностями и с относительным отверстием 1:0,8.
г. д.
Рис. 12. Типичные ТВ камеры с повышенной чувствительностью (Е) фирмы ЭВС: а. - VNC-752-A3; б. - VNC-748-H2; в. - VNN-753-H3; г. - VNI-752-H3; д. - VNI-553-A3
Следует отметить, что ТВ камеры фирмы ЭВС имеют ряд полезных особенностей: применение матриц ПЗС формата 1/3 и 1/2 дюймов с глобальным затвором обеспечивает минимальное искажение геометрии движущихся объектов по сравнению с применением КМОП матриц, работающих в режиме скроллинг-затвора; имеются два одновременно работающих выхода: цифровой (USB 2.0) и аналоговый (1 В, 75 Ом); диапазон возможных экспозиций составляет от 10 мкс до 24 мин, что обеспечивает наблюдение объектов при освещенности от 3*105 до 2х10-6 лк; система тройного контрастирования
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
(вычитание уровня черного в предварительном и оконечном усилителях, а также в цифровой форме) обеспечивает возможность наблюдения объектов сквозь туман, дождь и снег в условиях, когда объекты становятся не видимыми человеческим глазом; высокая линейность видеотракта; автоматический электронный затвор с диапазоном экспозиций от 1/50 с до 1/100000 с; полное отсутствие смаза изображения от ярких объектов; адаптивный корректор четкости, адаптация к длине питающего кабеля; установка ТВ камер а автоматический режим, система автоматического определения типа объектива, уменьшение муаров и шумов за счет синхронного ввода цифрового сигнала «пиксель в пиксель»; питание ТВ камеры от USB интерфейса компьютера, встроенный корректор четкости и др. [7-9].
Повышения чувствительности ТВ камер за счет использования гибридно-модульных преобразователей изображения
Однако вместо режима накопления возможно создание гибридно-модульных преобразователей изображения (ГМП) [1]. В них экран электронно-оптического преобразователя (ЭОП) сопрягается с матрицей ПЗС. ЭОП преобразует изображение с низким уровнем освещенности в видимое и усиливает его по яркости. Поскольку ЭОП выполняет роль усилителя изображения - Image Intensifier (II) для ПЗС - Charge Coupled Device (CCD), то в зарубежной литературе ГМП сокращенно называют IICCD (Image Intensifier CCD).
При этом возможны два варианта построения ГМП [1]:
1. Матрица ПЗС находится вне ЭОП; изображение с экрана последнего с помощью оптики переноса (проекционный объектив или волоконно-оптическая деталь) передается на матрицу ПЗС. Она преобразует оптическое изображение в видеосигнал, который поступает в ТВ монитор для последующего наблюдения изображения с его экрана (собственно IICCD) (рис. 13а).
2. Матрица ПЗС располагается внутри ЭОП. На фотокатоде ЭОП создается изображение объекта и окружающего его фона. Фотокатод преобразует это изображение в электронное. Он усиливается электростатическим полем и переносится на матрицу ПЗС, смонтированную внутри ЭОП вместо экрана. При этом подложка матрицы ПЗС утончена до 10 - 15 мкм и обращена к потоку электронов. За рубежом такой ГМП называют Electron bombarded CCD (EBCCD) в отличие от традиционных IICCD, использующих внешнюю матрицу ПЗС.
На рис. 13а показаны ГМП IICCD фирмы ОАО «НПО Геофизика-НВ», на рис. 13б - ГМП IICCD фирмы Hamamatsu [1], а в таблице 3 приложения даны их основные параметры [10].
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
а. б.
Рис. 13. Типичные ГМП: а. - IICCD; б. - EBCCD
ГМП позволяют достигнуть чувствительности до 10-6 лк, причем без всякого накопления. ГМП могут работать в импульсном режиме, что позволяет их использовать в активно-импульсных приборах ночного видения (АИ ПНВ), обладающих всепогодностью, большой помехозащищенностью и высокой точностью измерения дальности до объекта наблюдения. Это позволяет эффективно работать по подвижным объектам. В ГМП EBCCD меньше масса и габариты, отсутствуют потери, связанные с преобразованием электронного потока в излучение экрана ЭОП, энергетические потери в оптике переноса, потери разрешающей способности и контраста в этой оптике, отсутствует влияние инерционности ЭОП и его шумы из-за отсутствия самого ЭОП. На рис. 14 показано преимущество EBCCD по сравнению с ICCD.
1.0 1
н %
а
Ё §
О —
v
m ed о Ч
^ а
(D
а
3
\ V
\
> ч
N
V
Пространственная частота, штр/мм
Рис. 14. Типичные кривые передачи контраста для: традиционных ICCD (кривая 1), EBCCD (кривая 2) и матрицы ПЗС (кривая 3)
Фирма Hamamatsu (Япония) разработала EBCCD - модели N7220-61, N76461, N7640-64 [1]. Первые две модели используют фотокатод GaAs, работающий в области спектра 0,37-0,92 мкм, а третья модель - фотокатод GaAsP, работающий в области спектра 0,28-0,72 мкм. Модель N7220-61 имеет размер чувствительной площадки фотокатода 12,2*12,2 мм, число пикселей 512^512, усиление 1300 (при напряжении 8 кВ), а две другие модели -соответственно размер 9,2*6,8 мм, число пикселей 658*494, а усиление 700 (при напряжении 6 кВ) и 200 (при напряжении 2 кВ) (рис. 13б). Но EBCCD не
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
получили широкого распространения из-за технологической сложности и высокой стоимости изготовления.
В таблицах 4, 5 в приложении представлены параметры типичных ТВ систем на основе ГМП [10, 11].
На рис. 15 показаны типичные ТВ камеры на основе ГМП.
Преимущество матрицы ПЗС связано также с возможностью получить при определенном уровне пониженной освещенности цветное изображение. ТВ камера на основе ПЗС может выполнять роль насадки для дневных приборов наблюдения и прицеливания, а также для приборов ночного видения (ПНВ) на базе ЭОП с целью вывода их изображений в видеомагнитофон, в персональный компьютер, в карманный персональный компьютер, в смартфон. Это особенно важно для криминалистики и работы спецслужб. Изображения можно запомнить, тиражировать их, обрабатывать в реальном масштабе времени, передавать их дистанционно, микшировать с изображениями, создаваемыми другими каналами (в частности, тепловизионным каналом). Таким образом, отказ от ГМП является насущной необходимостью, даже не взирая на его высокую чувствительность.
в. г.
Рис.15. Типичные ТВ камеры на основе ГМП:
а. - ГЕО-ПЗР-1; в. - АИ ТВ ГЕО; д. - «Кречет»
б. - ГЕО-НТК 4; г. - ГЕО-УФ;
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Повышение чувствительности ТВ камер благодаря использованию матриц ПЗС с электронным умножением
Реальная возможность для этого представилась с появлением матриц ПЗС с электронным умножением - Electron Magnification CCD (EMCCD) [12-19]. Лидером в создании EMCCD является компания e2V (Великобритания). Эта компания была создана в 1947 г. под названием Phoenix Dynamo и в этом же году переименована в English Electric Company, с 1999 г. по 2002 г. - Marcony Applied Technologies, с 2002 г. - e2V. Компания разработала и производит EMCCD под товарным знаком L3Vision. Кроме фирмы e2V, EMCCD производят также фирмы Ander Technology (Великобритания) и Hamamatsu Photonics Япония) [10].
Сигнал изображения, представляющий собой электрический заряд, усиливается непосредственно на кристалле. Это позволяет матрице ПЗС работать в реальном масштабе времени с шумом считывания в 1 электрон. Матрица ПЗС благодаря этому регистрирует единичные фотоны. Главная особенность всех традиционных матриц ПЗС, препятствующая получение изображения низкоуровневых сигналов, является фотонный шум считывания, ограничивающий требуемое отношение сигнал/шум. Главная особенность EMCCD - возможность умножения возникающего заряда, т.е. повышение уровня сигнала еще до процесса считывания зарядовых пакетов. Это снижает уровень шума считывания до второстепенного его значения и позволяет повысить отношение сигнал/шум при низких уровнях освещенности. На рис. 16 показана структурная схема EMCCD.
Рис. 16. Структурная схема ЕМССО: 1 - секция экспонирования; 2 - секция хранения; 3 - регистр считывания; 4 - регистр умножения; 5 - преобразователь заряд-напряжение
УкЬ: http://sccs.jnteigr.CGm/archjve/2016-03/03-Voikov.pdf_
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
По сравнению с традиционной схемы матрицы ПЗС с кадровым переносом в структурной схеме БМССЭ имеется дополнительный регистр умножения. По своей структуре он близок к регистру считывания, но использует систему электродов с более высоким напряжением тактирующих импульсов. Повышенное напряжение позволяет инициировать лавинный пробой. Благодаря этому происходит умножение считываемого заряда. Лавинное умножение происходит при переходе заряда из ячейки в ячейку. При каждом таком переходе в результате лавинного умножения исходный заряд увеличивается незначительно - на 1,5-2%, но после прохождения нескольких сотен ячеек регистра умножения результирующий коэффициент усиления может достигать 100-1000. При низких значениях коэффициента лавинного умножения процесс электронного усиления является мало шумящим. Это позволяет увеличивать сигнальный заряд при практически неизменном шуме на выходе матрицы. Если пиксель матрицы ПЗС регистрирует отдельный фотон, то на вход преобразователя заряд-напряжение поступает сигнальный заряд с числом 100 электронов, по сравнению с которым шум считывания не играет существенной роли. Это и позволяет поднять отношение сигнал/шум. В матрице БМССЭ используется обратное ее освещение (рис. 17).
Рис. 17. Прямое и обратное освещение матрицы ПЗС
Это устраняет потери, обусловленные прохождением излучения через электроды, которые характерны для прямой засветке матрицы ПЗС. Благодаря этому квантовая эффективность БМССЭ приближается к теоретическому пределу. Возможность изменения толщины поглощающего слоя при обратном освещении в сочетании с просветляющими покрытиями позволяет также оптимизировать спектральную кривую квантового выхода БМССЭ.
Типичные кривые зависимости квантовой эффективности БМССЭ от длины волны представлены на рис. 18.
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Помимо снижаемого здесь шума считывания, есть и другие составляющие шума. Для подавления шума термоэмиссии применяется охлаждение EMCCD. Из графика рис. 19 видно, что при охлаждении EMCCD до (-40)°С отношение сигнал/шум приближается к теоретическому пределу.
Это позволяет регистрировать субфотонные изображения. Наведенный в EMCCD шумовой заряд, зависящий от количества переносов сигнальных зарядов из ячейки в ячейку, при тщательном подборе формы управляющих импульсов переноса составляет незначительную величину - менее 10-6 электрона на каждый перенос.
Рис. 18. Типичные кривые зависимости квантовой эффективности EMCCD от длины волны (штриховой прямой на графике показана длина волны, соответствующей квантовой эффективности 93%): а - Hawk 828/829; б - Hawk EM216; в - Hawk EM247; г - EMCCD матрицы TS246CYM-BO, д - паспортная кривая квантовой эффективности матрицы EMCCD 97
В EMCCD вместо механического затвора используется жидкокристаллический затвор. Это позволяет осуществить процесс считывания в матрице ПЗС без влияния вибраций. 16-биный выход USB 2 позволяет осуществить быстрое подключение EMCCD к персональному компьютеру и высококачественное воспроизведение изображения.
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
i\
s
Ю ' 4 Ю Ю2 /О3 /О4 Среднее количество (ромйэлетроно & б пикселе
Рис.19. Отношение сигнал/шум в БМССВ как функция среднего числа фотоэлектронов в зарядовом пакете: кривая 1 - теоретический предел; кривые
при температуре: 2 - (-40)°С, 3 - (-20)°С, 4 - без умножения при (+20)°С
Недостатком БМССВ является их пока еще высокая стоимость - на порядок выше, чем у традиционных матриц ПЗС. Однако есть возможности ее снижения в будущем.
На рис. 20 наглядно представлены повышенные возможности БМССВ по сравнению с другими описанными выше устройствами с точки зрения работы при пониженных уровнях освещенности.
Диапазон естественной освещенности
Рис. 20. Возможности БМССВ по сравнению с другими описанными выше устройствами с точки зрения работы при пониженных уровнях освещенности
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Уровни освещенности: Daylight - дневной свет; Overcast & Twilight -облачность и сумерки; Full moon - ночь, полная луна; Quarter moon - ночь, четверть луны;
Moon less (Starlight) -безлунная ночь (звездный свет);
Moon less (Overcast) -безлунная облачная ночь.
Устройства: Conventional CCTV - ТВ камеры на основе традиционных матриц ПЗС; Low Light CCD - ТВ камеры на основе матриц ПЗС, чувствительных к низким уровням освещенности; Gen II Intensifier tube - приборы на базе ЭОП 2-го поколения; Gen III Intensifier tube - приборы на основе ЭОП 3-го поколения; Raptor's EMCCD Technology -EMCCD фирмы Raptor
На рис. 21 показано, что дает повышенная чувствительность ТВ камер на основе EMCCD по сравнению с ТВ камерами на основе традиционных ПЗС.
На рис. 22 показано преимущество ТВ камер на основе EMCCD с точки зрения расширения зоны охвата и их преимущество при ночном наблюдении.
Рис. 21. Возможности ТВ камер на основе EMCCD по сравнению с ТВ камерами на основе традиционных ПЗС с точки зрения чувствительности
Рис. 22. Преимущества ТВ камер на основе EMCCD с точки зрения расширения зоны охвата и преимущества при ночном наблюдении
На рис. 23 представлены типичные ТВ камеры на основе EMCCD. Представленные на рис. 23б три ТВ камеры на основе матрицы ПЗС EM CCD и
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
ТВ камеры KP-DE500 различаются по увеличению: модель НС-268 имеет переменное увеличение 16х zoom, HC-278 - 30x zoom, HC-278-H6 - 55x zoom.
Основные параметры матриц ПЗС EMCCD представлены в таблице 6 приложения, а ТВ камер на их основе - в таблице 7, там же.
Анализ данных, представленных в таблицах, показывает несомненные преимущества EMCCD и ТВ камер на их основе по сравнению с соответствующими устройствами на основе обычных матриц ПЗС.
а.
в.
д.
ж.
Рис. 23. Типичные ТВ камеры на основе EMCCD: а - KP-DE500; б - три модели ТВ камер на основе матриц ПЗС EMCCD; в - S4X; г - SC200PK; д - Synapse EM; е - 360-229 Falcon-EMCCD; ж - Hawk 247-CL, Hawk 216-A; з - три ТВ камеры ev2v L3 Vision
URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2016-03/03-Volkov.pdf_
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
Заключение
Проведенный выше анализ показывает, что существуют реальные возможности создания и применения в системах безопасности высокочувствительных ТВ камер различного типа. При этом можно уверенно рассчитывать на высокую перспективность БМССЭ и ТВ камер на их основе для применения в указанных системах и в специальной технике.
(Л
c c
t
l g
c
0 /
a С
1 <
/ 2 О
О /
0
3 i
1
I
p
d
Приложение
Таблица 1 - Сравнительные параметры высокочувствительных ТВ камер фирмы Watec (Япония)
№ п/п Модель Формат, дюйм Разрешение, ТВ линий Рабочая освещенность, лк Относительно отверстие объектива Напряжение питания, В Ток потребления, мА Габариты, мм
1 WAT-902H 1/2 570 3x10-4 1 1,2 12 160 36x36x58
2 WAT-502B 1/3 400 3x10-3 1 1,4 9(7 - 11) 130 30x30x46
3 WAT-107L 1/3 420 5x10-3 1 1,4 24 160 44x44x45
4 WAT-525EX 1/2 550 2x10-3 1 1,4 12 44x44x53
5 WAT-902B 1/2 570 3x10-3 1 1,4 12 135 34x34x58
6 LCL-902K 1/2 >570 1,5х10-4 1 1,2 12 180 34х37х52
7 LCL-902Q 1/2 >570 10-2 1 1,2 12 180 29х29х50
8 LCL-903K 1/3 >500 3х10-4 1 1,2 12 180 34х37х65
9 LCL-903Q 1/3 500 3х10-4 1 1,2 12 180 29х29х50
10 LCL-811K 1/3 400 10-4 1 1,4 12 180 34х37х52
11 LCL-196 1/3 480 (ЦВ) >570 (ЧБ) 9х10-2 (ЦВ) 9х10-3 (ЧБ) 1:1,2 (ЦВ) 1:1,2 (ЧБ) 12 43х43х60
Примечания: отношение сигнал/шум 46 - 50 дБ, экспозиция электронного затвора 1/50 - 1/100 000 с, гамма-коррекция 0,45-1, диапазон рабочих температур (-10) - (+40)°С.
Таблица 2 - Сравнительные параметры высокочувствительных ТВ камер фирмы ЭВС (Россия)
№ п/п Модель Формат, дюймы Число пикселей Разрешение, ТВ линий Рабочая освещенность, лк Относительное отверстие объектива Напряжение питания, В Ток потребления, мА Отношение сигнал/шум, дБ Габариты, мм Максимальный коэффициент бининга Максимальный коэффициент суммирования полей Режим увеличения чувствительности, крат Примечание
1 VSA-531 1/3 500x582 380 5x10-3 1:1,2 9-15 115 48 42x42x24 EXview HAD CCD Авт. определ. объектива (DD, VD, manual)
2 VSA-786 1/2 752x582 570 5x10-3 1:1,2 9-15 140 52 42x42x28 EXview HAD CCD
3 VNA-542-A3 1/3 500x582 380 1,5x10-3 5x10-4 1:2 1:0,8 9-13,5 130 48 42x42x25 7x2 10 EXview HAD CCD
4 VNA-543-A3 1/3 500x582 380 1,2x10-4 2x10-5 1:2 1:0,8 9-13,5 160 48 42x42x40 7x2 16 100 EXview HAD CCD
5 VNA-742-A3 1/3 752x582 570 3x10-3 5x10-4 1:2 1:0,8 9-13,5 130 48 42x42x24 7x2 10 EXview HAD CCD
6 VNA-742-H3 1/3 752x782 570 1,5x10-3 4x10-4 1:2 1:0,8 9-13,5 130 48 42x42x24 7x2 10 EXview HAD CCD
7 VNA-743-A3 1/3 752x582 570 1,5x10-4 4x10-5 1:2 1:0,8 9-13,5 160 48 42x42x40 7x2 16 100 EXview HAD CCD
8 VNA-743-H3 1/3 752x582 570 10-4 2x10-5 1:2 1:0,8 9-13,5 160 48 42x42x40 7x4 18 100 New generation EXview HAD CCD
9 VNI-743-H2 1/2 752x582 570 4x10-5 1:0,8 9-13,5 160 52 42x42x35 7x2 18 100 EXview HAD CCD
10 VNA-748-H3 1/3 752x582 570 5x10-3 5x10-5 1:2 1:0,8 9-15 110 48 42x42x39 8x4 256 (4096-ручной режим) 100 New generation EXview HAD CCD
11 VNI-748-H2 1/2 752x582 570 5x10-5 1:0,8 9-15 110 52 42x42x39 8x4 256 (4096-ручной режим) 100 EXview HAD CCD
■S № 3
s
o f
n o
3
n o
3
3 с
3
n" a
ii o
3
a
3 3 S №
n с
w n n
. 3'
l g
(Л
c c
t
l g
c
0 /
a С
1 <
/ 2 О
О /
0
3 i
1
I
p
d
№ п/п Модель Формат, дюймы Число пикселей Разрешение, ТВ линий Рабочая освещенность, лк Относительное отверстие объектива Напряжение питания, В Ток потребления, мА Отношение сигнал/шум, дБ Габариты, мм Максимальный коэффициент бининга Максимальный коэффициент суммирования полей Режим увеличения чувствительности, крат Примечание
12 VNS-742-A3 1/3 752x582 570 3x10-3 1:2 9-13,5 130 48 0118x75 (купол) 7х2 10 EXview HAD CCD
13 VNS-742-H3 1/3 752x582 570 1,5x10-3 1:2 9-13,5 130 48 0118x75 (купол) 7х2 10 New generation EXview HAD CCD
14 VSC-541 1/3 500x582 380 5x10-3 1 1,2 9-15 75 48 56x50x92 EXview HAD CCD
15 VSC-746 1/2 752x582 570 5x10-3 1 1,2 9-15 90 52 56x50x92 EXview HAD CCD
16 VNC-542-A3 1/3 500x582 380 5x10-4 1 0,8 9-13,5 130 48 56x50x92 7x2 10 EXview HAD CCD
17 VNC-543-A3 1/3 500x582 380 2x10-5 1 0,8 9-13,5 160 48 56x50x92 7x2 16 100 EXview HAD CCD
18 VNC-742-A3 1/3 752x582 570 5x10-4 1 0,8 9-13,5 130 48 56x50x92 7x2 10 EXview HAD CCD
19 VNC-724-H3 1/3 752x582 570 4x10-4 1 0,8 9-13,5 130 48 56x50x92 7x2 10 New generation EXview HAD CCD
20 VNC-743-A3 1/3 752x582 570 4x10-5 1:0,8 9-13,5 160 48 56x50x92 7x2 16 100 EXview HAD CCD
21 VNC-743-H3 1/3 752x582 570 2x10-5 1:0,8 9-13,5 160 48 56x50x92 7x4 18 100 New generation EXview HAD CCD
22 VNC-743-H2 1/2 752x582 570 4x10-5 1:0,8 9-13,5 160 52 56x50x92 7x2 18 100 EXview HAD CCD
23 VNC-748-H3 1/3 752x582 570 5x10-5 1:0,8 9-13,5 160 48 56x50x92 8x4 256 (4096 -ручной режим) 100 New generation EXview HAD CCD
24 VNC-748-H2 1/2 752x582 570 3x10-4 1:0,8 9-14 110 52 50x57x93 8x4 256 (4096 -ручной режим) 100 EXview HAD CCD, Масса 220 г, частота кадров 25 Гц
25 VNP-542-A3 1/3 500x782 380 1,5x10-3 1:2 9-13,5 130 48 125x95x235 7x2 10 EXview HAD CCD
26 VNP-742-A3 1/3 752x582 570 3x10-3 1:2 9-13,5 210 48 125x95x235 7x2 10 EXview HAD CCD
27 VNP-742-H3 1/3 752x582 570 1,5x10-3 1:2 9-13,5 210 48 125x95x235 7x2 10 New generation EXview HAD CCD
28 VSN-541 1/3 500x582 380 5x10-3 1:1,2 9-13,5 250 48 140x120x190 EXview HAD CCD
29 VSN-746 1/2 752x582 570 5x10-3 1:1,2 9-13,5 280 52 140x120x190 EXview HAD CCD
30 VNN-542-A3 1/3 500x582 380 5x10-4 1:0,8 9-13,5 300 48 140x120x190 7x2 10 EXview HAD CCD
31 VNN-543-A3 1/3 500x582 380 2x10-5 1:0,8 9-13,5 320 48 140x120x190 7x2 16 100 EXview HAD CCD
32 VNN-742-A3 1/3 752x582 570 5x10-4 1:0,8 9-13,5 300 48 140x120x190 7x2 10 EXview HAD CCD
33 VNN-742-H2 1/3 752x582 570 4x10-4 1:0,8 9-13,5 300 48 140x120x190 7x2 10 New generation EXview HAD CCD
34 VNN-743-A3 1/3 752x582 570 4x10-5 1:0,8 9-13,5 320 48 140x120x190 7x2 16 100 EXview HAD CCD
35 VNN-743-H3 1/3 752x582 570 2x10-5 1:0,8 9-13,5 320 48 140x120x190 7x4 18 100 New generation EXview HAD CCD
36 VNN-743-H2 1/2 752x582 570 4x10-5 1:0,8 9-13,5 320 52 140x120x190 7x2 18 100 EXview HAD CCD
37 VMC-745-H3 1/3 752x582 460 5x10-3 1:0,8 8-16 160 48 56x50x92 10 DSP, New generation EXview HAD CCD, режим супер «день/ночь»
38 VMN-745-H3 1/3 752x582 460 5x10-3 1:0,8 8-16 300 48 140x120x190 10 DSP, New generation EXview HAD CCD, режим супер «день/ночь»
39 VBC-541-USB 1/3 500x576 380 1,5x10-2 (1) 3x10-5 (2) 6x10-6 (3) 1:1,2 250 52 56x50x92
s
s
№
3
s
o f
n o
3
n o
3
3 с
3
n" a
ii o
3
a
3 3 S №
n с
w n n
. s
l g
(Л
п п
з
я 1 С
.
п
О /
а
п <
/ 2 О
О /
0
3 ■
1
!
■а а
№ п/п Модель Формат, дюймы Число пикселей Разрешение, ТВ линий Рабочая освещенность, лк Относительное отверстие объектива Напряжение питания, В Ток потребления, мА Отношение сигнал/шум, дБ Габариты, мм Максимальный коэффициент бининга Максимальный коэффициент суммирования полей Режим увеличения чувствительности, крат Примечание
40 VSC-541-USB 1/3 500x576 380 5x10^ (1) 1x10^ (2) 2x10^ (3) 1:1,2 250 52 56x50x92
41 VBC-741-USB 1/3 752x576 580 2x10^ (1) 4x10^ (2) 8x10-6 (3) 1:1,2 280 48 56x50x92
42 VSC-741-USB 1/3 752x576 580 2x10-2 (1) 4x10-5 (2) 8x10-6 (3) 1:1,2 280 48 56x50x92
43 VSC-746-USB 1/2 752x576 580 5x10^ (1) 1x10-5 (2) 2x10-6 (3) 1:1,2 300 52 56x50x92
44 VNC-752-A3 1/3 570 6х10-4 9-14 130 50х57х63 Масса 120 г, частота кадров 25 Гц
45 VNN-752-H2 1/2 570 2х10-5 9-14 120 50х57х63 Масса 220 г, частота кадров 25 Гц
46 VNN-753-H3 1/3 570 3x10-5 9-14 140x183x325 Масса 1300 г, частота кадров 25 Гц, диапазон рабочих температур (-50)-(+50)°С, 1+2 ночной режим, наружная ТВ камера
47 VSC-551-USB 1/3 380 5x10^ (ручной режим) 10-5 (автомат. режим, экспозиция 10 с), 2х10-6 (автомат. режим, экспозиция 2 мин, охл.) 5 250 50х57х93 Масса 150 г, частота кадров 25 Гц
48 VSC-751-USB 1/3 570 1,2х10-2 (ручной режим) 3х10-5 (автомат. режим, экспозиция 10 с), 6х10-6 (автомат. режим, экспозиция 2 мин, охл.) 5 280 50ч57х93 Масса 150 г, частота кадров 25 Гц
№ 3
м
о ^
п о
3
п о
3
3 с
3
п" а
3 о
3
а
3 3
от №
п с
О) № Ы
о п а п
х о
п т
(А
п п
33 1
<а
п
о
ю и
го О
(Л
п п
з
я 1 С
.
п
О /
а
п <
/ 2 О
О /
0
3 ■
1
!
■а а
№ п/п Модель Формат, дюймы Число пикселей Разрешение, ТВ линий Рабочая освещенность, лк Относительное отверстие объектива Напряжение питания, В Ток потребления, мА Отношение сигнал/шум, дБ Габариты, мм Максимальный коэффициент бининга Максимальный коэффициент суммирования полей Режим увеличения чувствительности, крат Примечание
49 УБС-756-ПБВ 1/2 570 5х10-3 (ручной режим) 10-5 (автомат. режим, экспозиция 10 с), 2х10-6 (автомат. режим, экспозиция 2 мин, охл.) 5 300 50х57х93 Масса 150 г, частота кадров 25 Гц
50 УМ-553-Л3 1/3 380 4х10-5 9-14 120 42х42х5 5 Масса 50 г, частота кадров 25 Гц, бескорпусной
51 УМ-752-Ы3 (¥N1-752- Ы3-УБ) 1/3 570 4х10-4 9 100 42х42х24 Масса 30 г, частота кадров 25 Гц, бескорпусной
52 УМС-750-ЫЯ 540 5х10-3 (цветной режим), 3х10-3 (ч/б режим), 2х10-4 (ч/б режим с повышенной чувствительно стью 9-14 90 50х57х63 Масса 100 г, частота кадров 25 Гц
53 УМ^750-ЫЯ 540 5х10-3 (цветной режим), 3х10-3 (ч/б режим), 2х10-4 (ч/б режим с повышенной чувствительно стью 9-14 250 140х185х325 Масса 1300 г, частота кадров 25 Гц, наружная ТВ камера
№ 3
м
о ^
п о
3
п о
3
3 с
3
п" а
3 о
3
а
3 3
от №
п с
О) № Ы
о п а п
х о
п т
Примечания: указанные в таблице рабочие освещенности приведены для отношения сигнал/шум 10 дБ, а для позиций 39 - 43 - 20 дБ, (1) - в автоматическом режиме, (2) - при экспозиции 10 с, (3) - при экспозиции 2 минуты (0°С).
(А
п п
33 1
(О
ю и
го о
(Л
п п
з
я 1 С
.
п
О /
а
п <
/ 2 О
О /
0
3 ■
1
!
■а а
Таблица 3 - Основные параметры ГМП ОАО «НПО Геофизика-НВ»
№ п/п Наименование параметра Модель ГМП
ФПМ В-ИК ФПМ УФ ФПМ ИК1 ФПМ ИК2
1 Рабочая область спектра, мкм 0,5 - 0,9 0,25 - 0,35 0,4 - 1,1 0,95 - 1,65
2 Интегральная чувствительность, мкА/лм 2500 400
3 Спектральная чувствительность на длине волны 0,85 мкм, мА/Вт 220 50
4 Спектральная чувствительность на длине волны 1,06 мкм, мА/Вт 2,5
5 Разрешение, ТВ линий 450 400 400 450
6 Отношение сигнал/шум 20 9
7 Рабочая освещенность, Вт/м2 5х10-4
8 Пороговая освещенность, Вт/м2 5х10-7
9 Квантовый выход на длине волны 1,54 мкм, % 2
Примечания: для всех ГМП формат изображения 768x576 пикселей, разрядность выходного сигнала 12 бит, напряжение питания = 12 В, ток потребления 250 мА.
Таблица 4 - Основные параметры высокочувствительных ТВ камер на основе ГМП
№ п/п Фирма Модель Состав Рабочая освещенность, лк Дальность действия Угол поля зрения, град. Разрешение, ТВ линий Масса, кг Габариты, м Напряжение питания, В/Энергопот ребление, Вт Диапазон рабочих температур, °С Примечание
1 ОАО «НПО Геофизика-НВ » ГЕО-ПЗР1 НТВС, ДТВ (3-5)х10-3 - 1 Не менее 10 км по вертолету типа МИ-8 8х6° или 24,7х18,5° 350-400 Не более 15 ТВ камеры: 400х270х120 ТВ монитора: 180х220х50 =27/13,5 (-40) -(+50) ТВ наблюдательный прибор для обнаружения, сопровождения и применения управляемых ракет модернизированного комплекса «Стрела-10М». ТВ стандарт -625 линий, частота кадров 50 Гц
2 ОАО «НПО Геофизика-НВ» ГЕО-НТК3 НТВС, ДТВ 5х10-3 - 10 1,5-2 км по бронетанковой технике 10,6х8° 350-400 Блок оптико-электронный: 2,2 Блок электронный: 0,8 Блок оптико-электронный: 200х112х190 Блок электронный: 156х148х105 =27/13,5 (-40) -(+50) Ночная визирная система для вертолетов Ми-8МВ. Для ДТВ матрица ПЗС с числом пикселей 752х582, рабочая освещенность 0,5 - 150 лк ТВ стандарт -625 линий, частота кадров 50 Гц
3 ОАО «НПО Геофизика-НВ» ГЕО-НТК4 НТВС, ДТВ 5х10-3 - 5х104 1,5-2 км по бронетанковой технике Днем: 13,5х18° Ночью: 11х8,4° Днем:500 Ночью: 350400 НТВС: 1,7 ДТВ: 0,7 НТВС: 225х87х90 ДТВ: 117х53х91 =12/6 (-40) -(+50) Круглосуточная ТВ система для обзорных стабилизированных систем вертолетов. Для ДТВ матрица ПЗС с числом пикселей 752х582, рабочая освещенность 0,5 - 150 лк ТВ стандарт -625 линий, частота кадров 50 Гц
№ 3
м
о ^
п о
3
п о
3
3 с
3
п" а
3 о
3
а
3 3 № №
п с
(А
п п
33 1
(О
(Л
c c
3 t
l g
c
0 /
a С
1 <
/ 2 О
О /
0
3 ■
1
I
p
d
№ п/п Фирма Модель Состав Рабочая освещенность, лк Дальность действия Угол поля зрения, град. Разрешение, ТВ линий Масса, кг Габариты, м Напряжение питания, В/Энергопот ребление, Вт Диапазон рабоч^ температур, °С Примечание
4 ОАО «НПО Геофизика-НВ» ГЕО-НТК5 НТВС, ДТВ По автотранспортной технике днем 4 км, ночью 3 км 10,6x8° Днем: 500 Ночью: 350400 Платформы: 9 Электронного модуля: 24 Платформы: 0300x320 Электронного модуля: 0300x350x200 =27/13,5 (-40) -(+50) Круглосуточная стабилизированная ТВ система для вертолетов. Для ДТВ матрица ПЗС с числом пикселей 752x582, рабочая освещенность 0,5 - 150 лк ТВ стандарт -625 линий, частота кадров 50 Гц
5 ОАО «НПО Геофизика-НВ» Круглосуточная АИ ТВ камера с повышенной дальностью действия АИ ТВ-ГЕО НТВС, ДТВ 10-4 - 5х104 По группе людей 1 -2 км Днем: 1,1х1,5° Ночью: 2x3° Днем: 570 Ночью: 450 11 1350x310x230 =12/- (-40) -(+40) Предварительное обнаружение объектов наблюдения достигается с применением канала поиска на основе РЛС или тепловизионного канала
6 ОАО «НПО Геофизика-НВ» Высокочувствительная ТВ камера для УФ области спектра ГЕО-УФ НТВС Круглосуточно; Е рабоч. = 5x10-4 Вт/м2 Е порог. = 5x10-7 Вт/м2 450 0,8 75x75x80 =12/6 Матрица ПЗС с числом пикселей 752x582, размер пикселя 22x22 мкм, чувствительная поверxность 11,3x11,3 мм, ЭОП 3-го поколения с фотокатодом GaN
7 ОАО «НПО Растр» КП-181 НТВС 10-3 - 10 32,7x24,9° 20,9x15,8° 14,6x11° 350 3 353x143x102 =12 или ~ 220 В 50 Гц/- (-40) -(+45)
8 ОАО ЦНИИ «Циклон» Циклон-DN/CCD-1,2 НТВС, ДТВ 10-4 - 10-3 Обнаружение/ распознавание: человека: 6,5/3 км автомашины: 14/6 км ДТВ: 0,9x0,7° НТВС: 2,4x1,8 и 1,2x0,9°° 45 штр/мм 38 820x310x240 =24 или ~ 220 В 50 Гц/-
9 ОАО ЦНИИ «Циклон» Кречет НТВС Круглосуточно Обнаружение/ распознавание: автомашины: 10/4,5 км 40x24° 30x18° 40 штр/мм 8 120x200x450 =12, =24 или ~ 220 В 50 Гц/70
s
s
№
3
s
o f
n o
3
n o
3
3 с
3
n" a
3 o
3
a
3 3 S №
n с
Примечания: НТВС - низкоуровневая ТВ система, ДТВ - дневной ТВ канал.
Таблица 5 - Некоторые параметры ТВ камер на основе ГМП различных фирм [20]
№ п/п Страна Фирма Модель Чувствительность, лк Разрешение, ТВ линий Поколение ЭОП
1 Япония Panasonic WV-BD900 1,5x10-3 420 2
2 Россия TURN LINX120 10-4 350 2+
3 Германия JAI JAI-757 5x10-3 510 2++
4 Германия JAI JAI-757A 10-4 450 3
Примечание: т.к. для ТВ камер с ГМП чувствительность приводится обычно для изображения хорошего качества, то при полном разрешении, т.е. при отношении сигнал/шум 34 -36 дБ, для сравнения с ТВ камерами на базе матриц ПЗС, где чувствительность приводится при отношении сигнал/шум 20 - 24 дБ, величины чувствительности в таблице 4 нужно уменьшить в 5 раз.
(А
n n
33 s
l g
(Л
c c
3 t
l g
c
0 /
a С
1 <
/ 2 О
О /
0
3 ■
1
I
p
d
Таблица 6 - Основные параметры матриц ПЗС EMCCD фирм e2V и Texas Instruments,
работающие при освещенности < 10х10'6 лк
№ п/п Фирма Модель Разрешение, число пикселей Размер пикселя, мкм Размер чувствительной области, мм Тактовая частота, МГц Корпус Примечание
1 e2V CCD60 (BI) 128x128 24 3,07x3,07 18 24-и контактный, DIL, керамический
2 e2V CCD97-00 (FI, BI) 512x512 16 8,19x8,19 15 30-и контактный, керамический
3 e2V CCD97-00 (BI) 512x512 16 8,19x8,19 15 С элементом Пельтье
4 e2V CCD201-20 (FI, BI) 10243x1024 13 13,3x13,3 20 36-и контактный, керамический
5 e2V CCD216-05 (BI) 768x244 11,5x27 8,83x6,59 15 С элементом Пельтье
6 e2V CCD216-08 (BI) 768x288 11,5x23 8,83x6,62 15 С элементом Пельтье
Модели, поставляемые по специальному заказу, в т.ч. в исполнении для использования в космических условиях (SPASE QUALIFIED)
7 e2V CCD60 (BI) 128x128 24 3,07x3,07 18 С элементом Пельтье
8 e2V CCD65 576x288 20x30 11,5x8,6 16 36-и контактный PGA, керамический
9 e2V CCD201-20 (BI) 1024x1024 13 13,3x13,3 20 С элементом Пельтье
10 e2V CCD207-00 (FI, BI) 1632x208 15 16 15 Керамический
11 e2V CCD207-10 (FI, BI) 1632x408 15 16 15 Керамический
12 e2V CCD207-40 (BI) 1632x1608 15 16 15 38-и контактный, керамический
13 Texas Instruments Falcon BLUE TC285 SPD 1004x1002 8 Рабочая область спектра 0,18 - 1,1 мкм, частота кадров 30 Гц, время экспозиции до 500 мкс
14 Texas Instruments Falcon TC285 SPD 1004x1002 8 Рабочая область спектра 0,35 - 1,1 мкм, частота кадров 30 Гц, время экспозиции до 500 мкс
■S № 3
s
o f
n o
3
n o
3
3 с
3
n" a
3 o
3
a
3 3 S №
n с
at № w о п а n
x о
n т
Примечание: FI (Front Illumination) - фронтальная засветка, BI (Back Illumination) - обратная засветка, перенос - кадровый, рабочая область спектра 0,3 -рабочих температур для моделей 11 - 12 (-35) - (+55)°, для моделей 13 - 14 диапазон рабочих температур (-20) - (+55)°С, габариты 86х71х71 мм.
1,06 мкм, отношение сигнал/шум 35 дБ, диапазон
(А
n n
(А
33 t
l g
А n
o
ю w
ro О
(Л
c c
t
l g
c
0 /
a С
1 <
/ 2 О
О /
0
3 i
1
I
p
d
Таблица 7 - Основные параметры высокочувствительных г "В камер на основе матриц П ПЗС EM [CCD
№ п/п Фирма Модель Формат, дюймы Число пикселей Размер пикселя, мкм Размеры активной поверхности, мм Разрешение, ТВ линий Рабочая область спектра, нм Чувствительность, лк Динамический диапазон, дБ Масса, кг Габариты, мм Напряжение питания, В/энерго потребление, Вт Диапазон рабочиx температур, °С Примечание
1 e2V L3C216-05AFS 768x244 11,5x27 300 - 1060 10"5 35 80x71x71 (-35) - (+55) Есть ЖК затвор; ТВ стандарт 525 стрс
2 e2V L3C216-06AFS 768x288 11,5x23 300 - 1060 10"5 35 80x71x71 (-35) - (+55) Есть ЖК затвор; ТВ стандарт 625 строк
3 e2V L3C216-05AFS1 768x244 11,5x27 300 - 1060 10"5 35 80x71x71 (-35) - (+55) Нет ЖК затвора; ТВ стандарт 525 строк
4 e2V L3C216-06AFS1 768x288 11,5x23 300 - 1060 10-5 35 80x71x71 (-35) - (+55) Нет ЖК затвора; ТВ стандарт 625 строк
5 Raptor Photonics MERLIN EM247 1/2 658x496 10x10 6,58x4,96 350 - 1100 10-5 55 0,395 68x56x84 =12/12 Пиковая квантовая эффективность 52' на 530 нм, нелинейность менее 1 %, частота кадров 35 Гц, шум менее 1 электрона, темновой ток менее 0,1 электронов/пикселей/с, оxлаждение до 20)°С
6 Raptor Photonics Hawk-EMCCD-210114 1/2 658x496 10x10 6,58x4,96 450 350 - 1100 2х10-4 55 0,15 43x43x57 =12/<4,5 - 5 (-20) - (+(55) Антиблюминговая защита более 500:1 частота кадров 35 Гц,
7 Raptor Photonics Hawk EM 216-CB 2/3 769x288 11,5x28 8,832x6,624 625 180 - 1100 5х10-5 55 0,23 50x45x75 = 12/- (-20) - (+(55)
8 Raptor Photonics Hawk CCDI 1/2 768x494 8,6x8,3 6,6x4,1 482 350 - 1100 <10-6 >60 0,15 43x43x57 = 12/- (-20) - (+(55) Частота кадров 25 Гц
9 Raptor Photonics Hawk CCDII 1/2 752x582 8,6x8,3 6,47x4,83 482 350 - 1100 <10-6 >60 0,15 43x43x57 = 12/- (-20) - (+(55) Частота кадров 30 Гц
10 Raptor Photonics Hawk 247-CL 1/2 658x496 10x10 450 350 - 1100 10-5 55 0,15 43x43x57 =12/5 (-20) - (+(55) Оxлаждение - ТЭО, частота кадров 25 Гц
11 Raptor Photonics Hawk 247-A 1/2 658x496 10x10 450 350 - 1100 10-5 55 0,15 43x43x57 =12/4,5 (-20) - (+(55) Оxлаждение - ТЭО, частота кадров 25 Гц
12 Raptor Photonics Hawk 216-A 2/3 769x288 11,5x27 625 180 - 100 10-5 55 0,23 50x45x75 =12/8 (-20) - (+(55) Оxлаждение - ТЭО, частота кадров 25 Гц
13 Hamamatsu ORCA-Flash 4.0 2048x2048 6,5x6,5 Видимая область спектра 10-5 Квантовая эффективность более 70% ] длине волны 600 нм и 50% на длине волны 750 нм, шум 1,3 электрона, частота кадров 100 Гц, время экспозиц 9,7 мкс - 10 с,
14 Hitachi KP-DE500/KP-E500 1/2 680x500 10x10 6,58x4,96 480 (горизонт.) 380 (вертикальн.) 9х10 3 (цветное изобр.) 5х10 3 (черно-белое изобр.) 1,5х10-4 (цветное изобр., 64-х суммиров ание) 8х10 6 (черно-белое суммиров ание) 50 0,53 78x63x170 =12/15 (-10) - (+50) Относительное отверстие объектива 1:1,4, суммирование полей 2-x, 4-x, 6-8-x, 10-x, 16-x, 32-x, 64-x, цифровая обработка изображения
15 Hitachi KP-D500-S1 1/2" 1/2 658x489 10x10 6,58x4,89 480 (горизонт.) 350 (вертикальн.) 9х10 3 (цветное изобр.) 5х10-3 (черно-белое изобр.) 1,5х10-4 (цветное изобр., 64-х суммирование) 8х10-6 (черно-белое суммиров ание) 50 0,61 78x63x170 =12/18 (-20) - (+60) В модификации ТВ камеры DKP-M50 при относительном отверстии объекти 1:1,2 имеем минимальную рабочую освещенность 3x10-5 лк (без накоплен и 5x10-7 лк (с 64-x накоплением). Реж1 накопления выбирается ступенями от до 64-x (автоматически) или от 2-x до (вручную). Электронный затвор имеет режимы экспозиции от 1/60 с до 1/200
s
s
№
3
s
o f
n o
3
n o
3
3 с
3
n" a
3 o
3
a
3 3 S №
n с
w n n
33 s
l g
Примечание: ТЭО - термоэлектическое охлаждение.
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
Литература
1. Волков В. Г. Сверхвысокочувствительные телевизионные системы // Специальная техника. 2002. № 4. С. 2-11.
2. Волков В. Г. Телевизионные камеры для спецтехники // Спецтехника и связь. 2009. № 1. С. 2-11.
3. Волков В. Г. Цифровые приборы ночного видения // Спецтехника и связь. 2013. № 3. С. 13.
4. Гейхман И. Л., Волков В. Г. Видение и безопасность. - М.: Новости. 2009. - 840 с.
5. Волков В. Г., Гиндин П. Д. Техническое зрение. Инновации. - М.: Техносфера, 2014. - 840 с.
6. Телекамеры SMARTEC премиум-класса серии ULTIMATE // Smartec CCTV [Электронный ресурс]. 2016. - URL: www.smartec-cctv.ru (дата обращения 01.07.2016).
7. Телевизионные камеры фирмы ЭВС // Сайт компании ЭВС [Электронный ресурс]. 2016. - URL: www.evs.ru (дата обращения 22.07.2016).
8. Телевизионные камеры. Системы видеонаблюдения. Каталог фирмы ЭВС. - СПб.: ЭВС, 2016.
9. Высокочувствительные и мегапиксельные телекамеры НПФ «ЭВС» // S-Прогресс [Электронный ресурс]. 2016. - URL: http://sio.su/down_006_111_def.aspx (дата обращения 01.07.2016).
10. ТВ камеры с повышенной чувствительностью. Каталог ОАО «НПО Геофизика-НВ». - М.: НПО Геофизика-НВ», 2016.
11. ТВ камера «Кречет». Проспект фирмы ОАО «ЦНИИ ЦИКЛОН». - М.: ОАО «ЦНИИ ЦИКЛОН», 2014.
12. Матрицы ПЗС EMCCD и ТВ камера MERLIN на их основе // E2V [Электронный ресурс]. 2016. - URL: http://www.diaworld.ru/catalog/merlin_em247.pdf (дата обращения 02.07.2016).
13. Научные CCD видеокамеры Falcon фирмы Raptor Photonics // Raptor Photonics [Электронный ресурс]. 2016. - URL: www.raptorphotonics.ru (дата обращения 03.07.2016).
14. Казначеев С. А. особенности получения ТВ-изображений при ограниченных потоках фотонов // Наука и образование. 2014. № 6. С. 209-221. -URL: http://technomag.bmstu.ru/djc/716587.html (дата обращения 03.07.2016).
15. CCD97-00. Back Illuminated 2-Phase IMO Series Electron Multiplying CCD Sensor // E2V [Электронный ресурс]. 2011. - URL: http://www.e2v.com/resources/account/download-datusheet/1487 (дата обращения 04.07.2016).
16. ТВ камера на основе EMCCD черно-белого изображения MERLIN EM247 // Фирма Raptor Photonics [Электронный ресурс]. 2016. - URL: www.diawirld.ru (дата обращения 04.07.2016).
17. ТВ камера ORCA-Flash 4.0 меняет правила игры // Проспект фирмы Hamamatsu. 2016.
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
18. Максимов А. Ф., Балега Ю. Ю., Дьяченко В. В., Малоголовец Е. Р., Расстегаев В. А., Семерников Е. М. Спекл-интерферометр 6-м телескопа САО РАН на основе EM CCD: характеристики и новые результаты // Астрофизический бюллетень. 2009. Т. 64. № 3. С. 308-221.
19. Комаров В. В. EM CCD CCTV камеры - исследование по небесным объектам // Прикладная физика. 2012. № 2. С. 99-103.
References
1. Volkov V. G. Sverchvisokochuvstvitelnye televisionnye systemy [Superhighsensitivity television system]. Spetsial'naia Tekhnika, 2002, no. 4, pp. 211 (in Russian).
2. Volkov V. G. Televisionnye camery dlja speztechniky [Television cameras for construction equipment]. Specialized Machinery and Communication, 2009, no. 1, pp. 2-11 (in Russian).
3. Volkov V. G. Zifrovye pribory nochnogo videnija [Digital night vision devices]. Specialized Machinery and Communication, 2013, no. 3, pp. 13 (in Russian).
4. Gaykhman I. L., Volkov V. G. Videnie i besopasnost [Vision and safety]. Moscow, News Publ., 2009. 840 p. (in Russian).
5. Volcov V. G., Gindin P. D. Technicheskoe zrenye. Innjvazyi [Technical vision. Innovation]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2014. 840 p. (in Russian).
6. Telecamery SMARTEC premium classa seryi ULTIMATE [The camera SMARTEC premium series ULTIMATE]. Smartec CCTV,, 2016. Available at: www.smartec-cctv.ru (accessed 01 June 2016) (in Russian).
7. Televisionnye camery Kompanyi EVS. [Television Cameras company the EVS]. EVS Sait, 2016. Available at: www.evs.ru (accessed 22 June 2016) (in Russian).
8. Televisionnye camery. Systemy videonabludenyja [TV Cameras. A video surveillance systems]. Saint-Petersburg, EVS Company Publ., 2016.
9. Vysokochuvstvitelnye i megapixelnye camery firmy "EVS" [Highly sensitive and megapixel cameras NPF "EVS"]. S-Progress, 2016. Available at: http://sio.su/down_006_111_def.aspx (accessed 01 June 2016) (in Russian).
10. Televisionnye camery s povishennoy chuvstvitelnostju [TV cameras with high sensitivity]. Moscow, Catalogue of JSC "NPO Geofizika-NV", 2016. (in Russian).
11. Televisionnaya camera "Krechet" [TV camera "Merlin"]. Moscow, Prospect of the "TSNII CYCLONE" company, 2014. (in Russian).
12. Matrizy EMCCD CCD b televisionnaja camera MERLIN na ich osnove. [The EMCCD CCD matrix and TV camera MERLIN based on them]. E2V, 2016. Available at: http://www.diaworld.ru/catalog/merlin_em247.pdf (accessed 02 June 2016) (in Russian).
13. Nauchnye CCD camery Falcon kompanyi Raptor Photonics [Scientific CCD cameras Falcon company Raptor Photonics]. Raptor Photonics, 2016. Available at: www.raptorphotonics.ru (accessed 03 June 2016). (in Russian).
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
14. Kaznacheev S. A. Osobennosty poluchenyja TV-izobrajoenyyj pri ogranichennom potoke photonov. [Peculiarities of obtaining TV images with a limited photon flux]. Science and education, 2014, vol. 6, pp. 209-221. Available at: http://technomag.bmstu.ru/djc/716587.html (accessed 03 July 2016) (in Russian).
15. CCD97-00. Back Illuminated 2-Phase IMO Series Electron Multiplying CCD Sensor. E2V Technologies Ltd., 2011. Available at: http://www.e2v.com/resources/account/download-datusheet/1487 (accessed 04 July 2016). (in Russian).
16. TV camera na osnove EM CCD cherno-belogo izobrajoenyja MERLIN EM 247 [TV camera on the basis of the EMCCD monochrome image MERLIN EM247]. Firm Raptor Photonics, 2016. Available at: www.diawirld.ru (accessed 04 July 2016) (in Russian).
17. TV camerra 0RCA-Flash4.0 menjaet pravila igry [TV camera ORCA-Flash4.0 game-changing]. The prospect of the Hamamatsu company, 2016. (in Russian).
18. Maksimov A. F., Balega V. V., Dyachenko E. R., Malogolovets V. A., Rasstegaev V. A., Semernikov E. M. Speckl-interferometer 6 m telescope SO RAN na osnove EM CCD: chracteristiky I novye resultaty [The speckle interferometer of the 6-m telescope of Sao RAS on the basis of the EM CCD: characteristics and new results]. Astrophysical Bulletin, 2009, vol. 64, no. 3, pp. 308-221 (in Russian).
19. Komarov V. V. EM CCD TV camery - issledovanija po nebesnym objektam [EM CCD cameras CCTV - the study of celestial objects]. Prikladnaia fizika, 2012, no. 2, pp. 99-103 (in Russian).
Статья поступила 18 июля 2016 г.
Сведения об авторе
Волков Виктор Генрихович - доктор теxническиx наук, академик Российской Академии Естественник Наук, профессор кафедры РЛ-2 «Лазерные и оптико-электронные системы». Московский Государственный Теxнический Университет имени Н.Э. Баумана. Область научные интересов: приборы визуализации изображения. E-mail: volkvik2009@yandex.ru
Адрес: Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1.
Системы управления,связи и безопасности №3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
High-Sensitivity Television Camera for Security
V. G. Volkov
Problem statement. The new highly sensitive television (TV) cameras which ensure the work of the security services, are describes in the paper. Also, their technical parameters and potentialities are described in paper. Objective. The analysis of a latest developments in the field of creation of specific TV cameras of various types for ensure safety is aim ofpaper. Methods of analysis are the scientific comparison and the technical analysis of the capabilities of the TV cameras and methods their application in security systems. Novelty. The systematic analysis of the technical parameters for the high-sensitivity TV cameras which uses as safety devices is novelty ofpaper. Practical significance. Methods of use of the high sensitivity TV cameras are offer for the security systems. The methods are selected according of the parameters cameras, their ability to provide around the clock monitoring and operation in degraded conditions vision.
Keywords: TV, camera, sensitivity, signal/noise, resolution, dynamic range, pixel size, size of the active area, mass. Size, energy consumption.
About the Author
Viktor Genrichovich Volkov - Dr. habil. of Engineering Sciences, Academician of Russian Academy of Natural Sciences. Professor at the Department RL-2 "Laser and Optic Electron Systems". Bauman Moscow State Technical University. Field of research: devices of images visualization. E-mail: volkvik2009@yandex.ru Address: Russia, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya str., 5-1.
