Sistema y método de formación de imágenes con cámara con desbloqueo periódico con un láser.

Un sistema láser (20) de formación de imagen con una cámara con desbloqueo periódico,

que comprende:

Un dispositivo láser (30), para generar un haz de energía láser (40) en forma de pulsos; y un montaje (60) de cámara con desbloqueo periódico para recibir la energía de los reflejos (70) de luz de dichos pulsos reflejados desde objetos situados entre una distancia Lm y una distancia Lt, en la que dicha distancia Lm es una distancia mínima desde dicho sistema (20) a la cual se desea recibir los reflejos, y en la que dicha distancia Lt es una distancia más alejada de dicho sistema a la que está situado el blanco (50); dicho sistema está caracterizado porque:

el desbloqueo periódico de dicho montaje (60) de cámara está sincronizado, en un estado OFF, durante al menos el tiempo que dicho dispositivo láser 30 tarda en producir un pulso láser de dichos pulsos, además del tiempo adicional que tarda la totalidad sustancial de dicho pulso láser en completar longitudinalmente la distancia Lm, y reflejarse de vuelta a dicho montaje (60) de cámara, y poner dicho montaje (60) de cámara en estado ON durante una duración de tiempo en ON hasta que la totalidad sustancial de dicho pulso láser se refleja de vuelta desde dicha distancia Lt, y es recibida en dicho montaje (60) de cámara;

comprendiendo dicho pulso láser una achura de pulso larga, que corresponde sustancialmente, en duración, a dicha duración de tiempo en ON, de manera que los reflejos de los objetos próximos a dicha distancia Lm comprende una pequeña porción de dicho pulso láser mientras que el reflejo procedente de los objetos próximos a dicha distancia Lt comprende una gran porción de dicho pulso.

Sistema y método de formación de imágenes con cámara con desbloqueo periódico con un láser

Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, al campo de los sistemas ópticos de observación, y más concretamente a un sistema de observación con un canal de TV diurno y nocturno, a larga distancia, que opera usando el principio de formación de imágenes con desbloqueo periódico, y a métodos aplicados en tales sistemas.

Antecedentes de la invención Dentro de los sistemas de observación y vigilancia a larga distancia es conocido el método de la detección e identificación de un blanco usando sistemas de TV que incluyen una cámara y una lente con larga distancia focal.

La capacidad para recoger luz de una lente con larga distancia focal es limitada debido a restricciones de volumen, peso y coste.

Incluso cuando una cámara incluye en su montaje un SLS (Star Light System) (Sistema de luz estelar) , bajo condiciones de inferior visibilidad, la intensidad de la luz natural de fondo no es suficiente para hacer posible la producción de una imagen con una adecuada relación de señal-ruido para explotar la capacidad de resolución total de la cámara y distinguir los finos detalles del blanco con el fin de obtener su identificación en la imagen.

De noche, tales sistemas de TV requieren la adición de una fuente de luz auxiliar que ilumine el blanco con el fin de mejorar la calidad de la imagen recibida. Esta fuente de luz auxiliar puede ser un dispositivo láser capaz de producir un haz de luz que sea paralelo a la línea visual (de aquí en adelante LOS) de la cámara, y que ilumine el campo de visión (de aquí en adelante FOV) de la cámara o de una parte suya.

Un problema conocido, inherente a los sistemas de observación y vigilancia, es la necesidad de superar las condiciones inclementes, tales como: humedad, neblina, niebla, bruma, humo o lluvia que pudieran estar presentes en el espacio que hay entre los sistemas de observación y vigilancia y el blanco que está siendo observado. Existe un problema similar para sistemas de observación que operan en otros medios, por ejemplo, la influencia de la dispersión en agua en las observaciones, bajo el agua, que se están realizando bien desde el aire o desde el propio agua.

En los sistemas de observación y vigilancia por TV que tienen integrado un dispositivo láser que actúa como una fuente de iluminación, como se mencionó anteriormente, la interferencia en el medio entre el sistema y el blanco, por la neblina que resulta de aerosoles que rondan por el aire, en el caso del medio atmosférico, puede originar una retrodispersión de parte del haz láser. La retrodispersión del haz láser da como resultado el auto-deslumbramiento de la cámara y reduce por eso el contraste del blanco respecto al fondo. Bajo condiciones nocturnas, la reducción del contraste da como resultado una disminución significativa de la eficacia en la detección e identificación del blanco, en comparación con la eficacia alcanzable en la detección e identificación del blanco en condiciones de luz diurna.

Con el fin de reducir las influencias negativas presentes en el espacio entre el sistema de observación y vigilancia por TV con láser acoplado y el blanco, el sensor de la cámara de TV se sincroniza, en el tiempo, con el momento en el que en el montaje óptico se recibe la energía reflejada precedente del blanco iluminado por el láser.

En este planteamiento, un láser genera pulsos cortos de luz a una frecuencia dada, con la cámara de TV activada a una frecuencia similar. La cámara de TV, sin embargo, se activa con un retardo temporal que corresponde relativamente a la frecuencia de los pulsos de láser.

Por eso, cuando la luz del haz láser es enviada al blanco, la función de recepción de la cámara se pone en estado OFF (apagado) . La luz láser, que viaja a la velocidad de la luz hacia el blanco, incide sobre el blanco y lo ilumina a él y a las proximidades que lo rodean. Una pequeña parte de la luz láser es reflejada de vuelta hacia la cámara.

La luz láser reflejada hacia atrás como reflejos de luz que proceden del medio, por ejemplo de la atmósfera que está significativamente cerca de la cámara (respecto a la distancia entre la cámara y el blanco) , alcanza la cámara cuando está todavía en estado OFF. La luz, por eso, no es recibida por la cámara y no tiene influencia ni reduce el contraste de la imagen.

Por el contrario, los reflejos de luz que alcanzan la cámara, procedentes del blanco y de sus zonas adyacentes que lo rodean, llegan cuando la cámara está ya en estado ON, es decir en el estado de recepción, y por eso son recogidos al completo.

La cámara cambia del estado OFF al ON de una manera sincronizada en el tiempo con el tiempo que tarda el pulso en viajar al blanco y regresar.

Después de la recepción de la imagen del blanco, su vecindad adyacente, y su subsiguiente almacenamiento, la cámara vuelve al estado OFF y el sistema aguarda a la trasmisión del siguiente pulso de láser.´

Este procedimiento se repite cíclicamente a una velocidad establecida según la distancia al blanco, la velocidad de la luz, y las limitaciones establecidas por el dispositivo láser y la cámara.

La aplicación de este procedimiento hace posible la producción de una imagen dinámica en tiempo real.

La solución anteriormente presentada es conocida como uso de la televisión/TV con desbloqueo periódico para minimizar la retrodispersión desbloqueando periódicamente las imágenes de cualquier medio que intervenga entre el blanco y el montaje óptico.

La patente de EE.UU. Nº 5.408.541 a Sewell, titulada “Method and system for recognizing targets at long range ranges” describe un método que incluye la detección del blanco, que conduce a una medida preliminar de la distancia al blanco, y a calcular la posición respecto a las coordenadas en las que fue detectado el blanco. A continuación, los datos de la distancia se introducen en un sensor de televisión con desbloqueo periódico que sirve como dispositivo de formación de imagen. Después de eso, el área estimada del blanco es iluminada por un láser pulsado, de acuerdo con la distancia medida y los datos concernientes a la ubicación. La energía que vuelve desde el blanco se procesa y se convierte en una visualización como una imagen de TV.

La Patente de EE.UU. 4.920.412 a Gerdt et al, titulada “Atmospheric obscurant penetrating target observation system with range gating” describe un sistema para formar una imagen de una escena, oscurecida por oscurecedores atmosféricos, y determinar la distancia a los blancos iluminados en la escena.

El sistema incluye una cámara de televisión con un intensificador de imagen con desbloqueo periódico. Se transmiten intensos pulsos cortos de láser a diferentes tramos de distancias con el fin de iluminar la escena. El intensificador de imagen se desbloquea periódicamente con un retardo en el tiempo igual al tiempo del tránsito de ida y vuelta del pulso desde un tramo de distancia de interés. El intensificador de imagen se desbloquea periódicamente durante un intervalo de tiempo igual a la amplitud del pulso de láser. Se transmite un pulso láser por fotograma y se observan sucesivos tramos de distancia durante sucesivos fotogramas aumentando sucesivamente el retardo del tiempo. Las imágenes de los tramos de distancia se almacenan en un búfer y se emite a una pantalla de televisión.

La Patente de GB Nº 2.308.763 a Bagnall-Wild, titulada “Laser range finders” describe un método y un sistema para reducir la recepción de señales falsas reflejadas, denominadas “ecos parásitos”, en los telémetros láser. El método incluye seleccionar un pulso procedente de un objeto que constituye el blanco, de una serie de pulsos que incluyen pulsos reflejados desde objetos que producen ecos parásitos. Dependiendo de las circunstancias, se selecciona o bien el último pulso recibido que excede una fracción predeterminada de la amplitud máxima de los pulsos, o se selecciona el primer pulso recibido que excede una fracción predeterminada de la amplitud máxima de los pulsos. El método incluye también seleccionar una zona de visualización de distancias y descartar los pulsos que caen fuera de la zona de visualización, y definir una condición o conjunto de condiciones que hace posible establecer el nivel de desborde de pulsos de luz láser sobre un blanco, que se va a clasificar o “alto” o “bajo”.

Hay que indicar que Sewell requiere una medida preliminar de la distancia mediante un indicado telémetro láser (medidor) . La línea de medida al blanco del medidor láser tiene que ser... [Seguir leyendo]

1. Un sistema láser (20) de formación de imagen con una cámara con desbloqueo periódico, que comprende:

Un dispositivo láser (30) , para generar un haz de energía láser (40) en forma de pulsos; y un montaje (60)

de cámara con desbloqueo periódico para recibir la energía de los reflejos (70) de luz de dichos pulsos reflejados desde objetos situados entre una distancia Lm y una distancia Lt, en la que dicha distancia Lm es una distancia mínima desde dicho sistema (20) a la cual se desea recibir los reflejos, y en la que dicha distancia Lt es una distancia más alejada de dicho sistema a la que está situado el blanco (50) ; dicho sistema está caracterizado porque:

el desbloqueo periódico de dicho montaje (60) de cámara está sincronizado, en un estado OFF, durante al menos el tiempo que dicho dispositivo láser 30 tarda en producir un pulso láser de dichos pulsos, además del tiempo adicional que tarda la totalidad sustancial de dicho pulso láser en completar longitudinalmente la distancia Lm, y reflejarse de vuelta a dicho montaje (60) de cámara, y poner dicho montaje (60) de cámara en estado ON durante una duración de tiempo en ON hasta que la totalidad sustancial de dicho pulso láser se refleja de vuelta desde dicha distancia Lt, y es recibida en dicho montaje (60) de cámara; comprendiendo dicho pulso láser una achura de pulso larga, que corresponde sustancialmente, en duración, a dicha duración de tiempo en ON, de manera que los reflejos de los objetos próximos a dicha distancia Lm comprende una pequeña porción de dicho pulso láser mientras que el reflejo procedente de los objetos próximos a dicha distancia Lt comprende una gran porción de dicho pulso.

2. El sistema según la reivindicación 1, en la que dicho tiempo adicional está dado por 2·Lm/c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

3. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicha distancia Lm corresponde a una distancia adyacente a 25 dicho sistema en el que pueden estar presentes condiciones inclementes.

4. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicha duración del tiempo en ON está dada por 2· (Lt – Lm) /c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

5. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicha anchura de pulso corresponde sustancialmente a una duración de tiempo dada por 2· (Lt – Lm) /c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

6. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo láser (30, 440) comprende una matriz de diodos láser (DLA) .

7. El sistema según la reivindicación 6, en el que dicha DLA proporciona dicho haz de energía láser en el intervalo seleccionado del espectro de luz del IR próximo, y el intervalo azul – verde del espectro de la luz visible.

8. El sistema según la reivindicación 1, en el que dicho montaje (60, 490) de cámara comprende al menos uno 35 seleccionado de la lista consistente en:

un dispositivo de carga acoplada (CCD) , un dispositivo de inyección de carga intensificada con desbloqueo periódico (GICID) , un CCD intensificado con desbloqueo periódico (GICCD) , un intensificador de imagen, y

un sensor de píxeles activos intensificado con desbloqueo periódico (GIAPS) .

9. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además una fibra óptica (442) para transferir dicho haz de energía láser desde dicho dispositivo láser (440) a través de dicha fibra óptica (442) .

10. El sistema según la reivindicación 11, que comprende además un cardán (420) para estabilizar, en un módulo (425) empacado, dicho montaje (490) de cámara, una salida en fibra óptica de dicha fibra óptica (442) ,

componentes ópticos (460, 462) para recibir dichos reflejos de luz y dirigirlos a dicho montaje (490) de cámara, y componentes ópticos (445) para transmitir dicho haz de energía láser (432) desde dicha salida en fibra óptica.

11. El sistema según la reivindicación 9, en el que dicho cardán (420) comprende una retroalimentación giroscópica.

12. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además un estabilizador (580) del tratamiento de 50 imagen.

13. El sistema según la reivindicación 9, que comprende además una unidad soporte (560) para soportar y proporcionar los ajustes de altura y de rotación de dicho montaje (550) de cámara y una salida en fibra óptica de dicha fibra óptica (532) , en un módulo empacado (525) .

14. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además al menos un filtro (571) , para la filtración espectral o espacial.

15. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además un multiplicador óptico (572) para aumentar la imagen de dicho blanco.

16. El sistema según la reivindicación 1, que comprende además un montaje (445) de acoplamiento para acoplar el eje óptico (430) de dicho dispositivo láser (440) con el eje óptico (450) de dicho montaje (490) de cámara, que comprende elementos ópticos de transmisión/recepción (446, 447, 448, 449) para recibir dichos reflejos y dirigirlos a dicho montaje (490) de cámara, y para transmitir dichos pulsos láser.

17. El sistema según la reivindicación 16, en el que dicho montaje (445) de acoplamiento comprende:

un colimador (446) para colimar dicho haz de energía láser (432) ; un medio especular (447) para desviar y hacer converger dicho haz de energía láser (432) ; y un acoplador óptico (448) que comprende un divisor especular (449) para acoplar dicho eje óptico (430) de dicho haz de energía láser (432) con dicho eje óptico (450) de dicho montaje (490) de cámara.

18. El sistema según la reivindicación 1, en el que el eje óptico (430) de dicho dispositivo láser (440) es 15 sustancialmente paralelo al eje óptico (450) de dicho montaje (490) de cámara.

19. Un método de formación de imagen láser con una cámara con desbloqueo periódico, que comprende los procedimientos de:

generar, mediante un dispositivo láser (30) , un haz láser (40) en forma de pulsos; y recibir, mediante un montaje (60) de cámara con desbloqueo periódico, la energía de los reflejos (70) de luz

de dichos pulsos reflejados desde los objetos situados entre una distancia Lm y una distancia Lt, en la que dicha distancia Lm es una distancia mínima desde dicho dispositivo láser (30) y dicho montaje (60) de cámara a la que se desea recibir los reflejos, y en la que dicha distancia Lt es una distancia más alejada de dicho dispositivo láser (30) y dicho montaje (60) de cámara a la que está situado un blanco (50) ; caracterizado dicho método porque:

dicho procedimiento de recepción comprende desbloquear periódicamente dicha cámara (60) con desbloqueo periódico poniendo dicha cámara (60) con desbloqueo periódico en un estado OFF durante al menos el tiempo que tarda dicho dispositivo láser (30) en producir un pulso láser de dichos pulsos, además del tiempo adicional que tarda la totalidad sustancial de dicho pulso láser en completar longitudinalmente dicha distancia Lm y reflejarse de vuelta a dicha cámara (60) con desbloqueo periódico, y poner dicha cámara (60) con desbloqueo periódico en estado ON durante una duración de tiempo en ON hasta que la totalidad sustancial de dicho pulso láser se refleja de vuelta desde dicha distancia Lt y es recibida en dicho montaje (60) de cámara; comprendiendo dichos pulsos láser una larga anchura de pulso, que sustancialmente corresponde, en duración, a dicha duración de tiempo en ON, de manera que los reflejos procedentes de los objetos próximos a dicha distancia Lm comprenden una pequeña porción de dicho pulso láser, mientras que el reflejo procedente de los objetos próximos a dicha distancia Lt comprende una gran porción de dichos pulsos láser.

20. El método según la reivindicación 19, en el que dicho tiempo adicional está dado por 2·Lm/c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

21. El método según la reivindicación 19, en el que dicha distancia Lm corresponde a la distancia adyacente a dicho dispositivo láser (30) y la cámara (60) con desbloqueo periódico en la que pueden estar presentes condiciones inclementes.

22. El método según la reivindicación 19, en el que dicha duración de tiempo en ON está dada por 2· (Lt – Lm) /c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

23. El método según la reivindicación 19, en el que dicha anchura de pulso corresponde sustancialmente a una duración de tiempo dada por 2· (Lt – Lm) /c, donde c es la constante de la velocidad de la luz.

24. El método según la reivindicación 19, en el que dicho procedimiento de generación comprende generar dicho haz láser (40) mediante una matriz de diodos láser (DLA)