ES2212733B1 - Sistema de visualizacion de imagenes del fondo marino. - Google Patents
Sistema de visualizacion de imagenes del fondo marino.Info
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Abstract
Sistema de visualización de imágenes del fondo marino que está constituido por, al menos, una fuente de luz pulsada en forma de haz, un sistema de orientación y puntería de los pulsos luminosos, un detector de la luz de los pulsos reflejada, un dispositivo óptico, acoplado al detector, intensificador/bloqueador selectivamente del paso de la luz, un sistema electrónico de exploración y sincronismo, y un sistema de procesado electrónico generador de una imagen visualizable a través de monitores.
Description
Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino.
La presente invención se refiere a un sistema de
visualización de imágenes del fondo marino, que levemente
sumergido, es capaz de visualizar fondos marinos o lacustres de
hasta cientos de metros de profundidad, con resoluciones aceptables
y que es utilizable igualmente para la visualización de fondos de
otras masas acuosas, como lagos o ríos.
En la actualidad la visualización de imágenes de
una porción considerable del fondo submarino, se realiza mediante
la inmersión directa de cámaras e iluminación unidas a la
correspondiente embarcación.
Sin embargo este sistema no permite explorar más
que una zona reducida, por lo que si se desea explorar zonas más
amplias es necesario arrastrar las cámaras e iluminación, o bien
izar las mismas cuando el buque o nave debe cambiar rápidamente de
posición, lo cual supone un inconveniente.
Por otra parte, otros sistemas utilizados, tales
como puede ser el sónar, no son útiles a profundidades reducidas.
Además, las largas longitudes de ondas asociadas al espectro
frecuencial de sus pulsos limitan la resolución alcanzable.
El sistema de la invención sirve de una manera
óptima para escrutar las profundidades de masas acuosas (mares,
lagos, etc.), con gran resolución y facilidad de exploración de
áreas extensas ya que únicamente necesita ir sumergido a escasa
profundidad, tal como un metro o menos, para captar imágenes
submarinas a profundidades considerables. Al ir escasamente
sumergido, se facilita tanto su arrastre como su ágil recogida para
desplazamientos rápidos. Además es ajustable pudiendo operar de
modo distinto mediante utilización de un haz extenso o concentrado
dependiendo del rango de profundidades a explorar con el fin de
lograr en todo momento una iluminación y resolución óptimas. En
zonas de profundidad reducida, el sistema emplea iluminación
mediante un haz extenso, obteniéndose una imagen de la porción de
fondo iluminada mediante sistema de televisión convencional,
compuesto por una cámara de televisión intensificada, como detector
bidimensional, y un monitor. En zonas de mayor profundidad, el
sistema emplea la combinación de iluminación mediante un haz
concentrado de una porción reducida del fondo a explorar, un
sistema de orientación de este haz para efectuar un barrido del
fondo, y un detector de luz unidimensional que genera un pulso de
corriente integrada de la distribución espacial la luz reflejada
procedente de la porción de fondo iluminada, generándose
electrónicamente, a partir de las señales recibidas secuencialmente
de las distintas porciones de fondo iluminadas, una imagen de vídeo
compuesta, visualizable en un monitor de televisión
convencional.
Según esto, y de acuerdo con la invención, el
sistema está basado en el empleo conjunto de detectores de alta
ganancia e iluminación en banda estrecha mediante radiación láser,
y comprende, al menos, los siguientes elementos:
- una fuente de luz pulsada, idealmente un láser,
que opere en un rango espectral en el cuál la atenuación del
medio, tal como el agua de mar, sea lo más reducida posible. Los
pulsos luminosos, de corta duración, son emitidos en forma de haz
extenso, o concentrado realizando según este último modo de
operación un barrido en una determinada dirección y siendo
reflejados en parte.
- un sistema de orientación y/o puntería del haz
luminoso pulsado, idealmente constituido por espejos
galvanométricos o bien deflexores basados en efecto electro-óptico
o acusto-óptico.
- al menos, un detector de la luz reflejada
procedente de la incidencia de los pulsos luminosos contra el fondo
marino. El detector está preferentemente constituido por una cámara
de televisión de estado sólido convencional cuyo sensor se basa en
una ordenación bidimensional de detectores fotosensibles
(píxeles) en el caso de iluminación con haz extenso, que permite captar la imagen de la zona extensa iluminada, o un fotodetector único en el caso de iluminación mediante haz concentrado, en cuyo interior se genera, en el momento de retorno de la luz reflejada, un pulso de corriente de características temporales similares a las de dicho pulso de luz reflejado.
(píxeles) en el caso de iluminación con haz extenso, que permite captar la imagen de la zona extensa iluminada, o un fotodetector único en el caso de iluminación mediante haz concentrado, en cuyo interior se genera, en el momento de retorno de la luz reflejada, un pulso de corriente de características temporales similares a las de dicho pulso de luz reflejado.
- un dispositivo óptico, acoplado al detector,
intensificador y/o bloqueador selectivamente del paso de luz hacia
éste, habilitando su paso únicamente en momentos puntuales para
evitar captaciones indeseadas de luz procedentes de la
retrodispersión (scattering) de la luz al propagarse por el medio.
Mediante este dispositivo bloqueador/intensificador selectivamente,
se consigue por tanto discriminar la luz reflejada en el objeto que
se pretende visualizar de la luz retrodispersada, inhibiendo el
paso de la luz hacia el detector durante un tiempo igual al
necesario para que el pulso de luz se propague desde la fuente
luminosa y vuelva reflejada al detector.
Este dispositivo está idealmente constituido por
un intensificador de imagen o fotomultiplicador según el caso, con
posibilidad de control activo (gating), de modo que la polarización
del fotocátodo será directa e inversa (relación cíclica), pudiendo
adaptarse entre valores comprendidos entre el 0% y el 100%,
bloqueando selectivamente de este modo el paso de la luz al
detector. Opcionalmente podrá utilizarse más de un tubo
intensificador en cascada, para extender el alcance del sistema en
distancia.
- un sistema electrónico de exploración y
sincronismo del sistema, que compara las energías del pulso emitido
y la señal de pulso detectada, proporcionando la información que
programa la orientación del haz luminoso y estima el tiempo de
retorno para evitar el paso de luz retrodispersada a través del
intensificador hacia el elemento detector.
- un sistema de procesado electrónico de la
información recibida, generador de una imagen visualizable en
monitores.
De este modo, realizando una exploración
bidimensional mediante barrido del haz luminoso pulsado
concentrado, exploración simultánea en el caso de iluminación
concentrada, orientado a través del sistema de puntería, en
combinación con el detector, el bloqueador selectivo/intensificador
del paso de luz, y gobernado con el sistema de exploración y
sincronismo, se puede obtener secuencialmente información de la
cantidad de luz recibida de cada punto del fondo, siendo procesada
esta información por el sistema de procesado permitiendo generar
una señal de vídeo compuesta que se representa el monitor una
imagen plana del fondo por distribución de iluminancia,
similar a la que se obtiene en un sistema de televisión convencional.
similar a la que se obtiene en un sistema de televisión convencional.
En caso de haz extenso, al ser reflejado por el
fondo y captado por la cámara de TV es transformado directamente en
señal de vídeo.
La figura 1 muestra esquemáticamente el sistema
de la invención.
El sistema de la invención está constituido por
una fuente láser 1 que opera en un rango espectral donde la
atenuación del agua de mar es mínima y reducida, y que emite pulsos
luminosos de corta duración, en una dirección determinada por un
sistema de puntería 2 constituido a base de espejos
galvanométricos, o en su caso, un expansor de haz, no
representados, incluidos en el sistema de puntería 2.
Tras incidir en el fondo marino 11, situado en la
línea de puntería 8, se refleja una fracción 9 de la luz hacia un
dispositivo óptico 5 intensificador/bloqueador selectivamente del
paso de luz hacia un detector 4.
El dispositivo 5 discrimina la luz reflejada de
la retrodispersada por el medio, permitiendo únicamente el paso de
luz en los momentos en que llega directamente la luz reflejada del
fondo, permaneciendo inoperante durante un tiempo igual al
necesario para que el pulso se propague desde la fuente 1 hasta el
objeto 11 y vuelva reflejada.
El detector 4, en caso de haz extenso, está
constituido por una cámara de TV intensificada, cuyos pixels
reciben el haz bidimensional reflejado, generando directamente una
imagen bidimensional de vídeo. Opcionalmente se puede utilizar un
tipo de detector en el cual se produce internamente un proceso de
ionización por impacto de bajo ruido, que multiplica la carga
generada por la iluminación en un registro serie, previamente a su
lectura, evitando así el empleo de intensificadores de imagen.
La cámara de TV utilizada como detector en este
caso, como todas las cámaras de TV, comprende una ordenación
bidimensional de detectores para componer en base a sus lecturas
una imagen bidimensional. Se utilizará preferentemente una cámara
de TV de estado sólido CMOS o CCD, que comprenden internamente una
serie de detectores ordenados bidimensionalmente (pixeles), de
cuya lectura se obtiene información secuencial para la formación de
la señal bidimensional de vídeo, almacenándose esta información en
un registro serie. El nivel de señal en cada posición del registro
serie queda determinado por la cantidad de carga fotogenerada en
cada uno de los sensores de la disposición bidimensional.
Típicamente, la carga fotogenerada en cada sensor proporciona
información sobre la cantidad de luz recibida en la posición
espacial de dicho sensor dentro de la ordenación bidimensional, y
dentro de éstas unas que incorporen unos sensores desarrollados
recientemente en los que la carga fotogenerada por iluminaciones
débiles se somete a un proceso de amplificación por avalancha o
impacto previamente a su almacenamiento final en las posiciones
asociadas del registro serie.
En el caso de haz concentrado el detector es un
fotomultiplicador, fotodiodo o fotodiodo de avalancha donde se
genera internamente un pulso de corriente de características
temporales similares a la propia luz reflejada recibida.
Los instantes de emisión del pulso de luz y de
desinhibición realizada por el dispositivo 5 están controlados por
un sistema electrónico 3 de exploración y sincronismo. Asimismo la
información obtenida es procesada electrónicamente por un sistema de
procesado 6 para generar en un monitor 7 una imagen
bidimensional.
Por su parte, el intensificador 5 incorporará la
posibilidad de control activo (gating) de la polarización de su
fotocátodo. También el intensificador incluirá una placa
microcanal, no representada, sobre cuya tensión de polarización
podrá actuarse de manera manual o automática para controlar la
ganancia óptica del sistema. Dicho intensificador podrá ser de
segunda o tercera generación indistintamente, pero se buscará
optimizar la sensibilidad del sistema en la zona
verde-azul.
Como fuente de iluminación se utilizará
preferentemente una fuente láser de estado sólido bombeada por
diodo. Es necesario que la difracción del haz láser sea lo menor
posible para maximizar la profundidad y resolución alcanzables, con
una potencia luminosa dada. Idealmente se utilizará un láser que
emita en modo gausiano con un parámetro M2 lo más próximo posible
a la unidad, tal como un láser infrarrojo con conversión de
frecuencia intracavidad, bombeado por diodo, o bien basados en
doblado o autodoblado de frecuencia de un láser infrarrojo,
operando en alguno de los canales láser ^{4}F_{3/2} ->
^{4}I_{11/2} o ^{4}F_{3/2} -> ^{4}I_{13/2} del ión
de neodimio triplemente ionizado (Nd^{3+}), o bien un láser
basado en e ión yterbio triplemente ionizado (Yb^{3+}).
Claims (21)
1. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino; caracterizado porque está constituido por, al
menos, una fuente de luz pulsada en forma de haz, un sistema de
orientación y puntería de los pulsos luminosos, un detector de la
luz de los pulsos reflejada, un dispositivo óptico, acoplado al
detector, intensificador/bloqueador selectivamente del paso de la
luz, un sistema electrónico de exploración y sincronismo, y un
sistema de procesado electrónico generador de una imagen
visualizable a través de monitores.
2. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicación 1, caracterizado porque, si el
haz de luz es concentrado, el detector utilizado recibe la
información de la escena de manera secuencial, mediante un barrido
o muestreo bidimensional sincronizado de la misma efectuado por los
pulsos luminosos, recibiendo el detector en cada instante o
muestra, la iluminación integrada de una zona reducida de la escena
total a visualizar.
3. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino según reivindicación 1 caracterizado porque, si el
haz de luz es extenso, el detector utilizado se basa en una
ordenación bidimensional de detectores, sobre los cuales se
focaliza una imagen, previamente a su detección.
4. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino según reivindicación 1 caracterizado porque el/los
detector/es utilizado/s se encuentra/n inmerso/s en el propio
medio.
5. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicación 1 caracterizado porque si el
haz de luz es extenso, el elemento intensificador y/o bloqueador
selectivamente de la imagen está constituido por un tubo
intensificador de imagen para visión nocturna o está integrado en
el propio detector.
6. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicación 3 caracterizado porque el
detector está constituido por una cámara de televisión de estado
sólido CCD o CMOS.
7. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque
el acople de imagen entre el tubo intensificador de imagen y la
cámara se realiza ópticamente.
8. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque
el acople de imágenes entre el tubo intensificador de imágenes y la
cámara se realiza mediante bombardeo electrónico de los elementos
sensibles de la cámara, integrando el intensificador y la cámara en
un único dispositivo.
9. Sistema de visualización de imágenes del fondo
marino, según reivindicación 5 caracterizado porque el
elemento intensificador/bloqueador selectivamente de la imagen
realiza un ventanado temporal, basado en inversión de la polaridad
del fotocátodo en el elemento intensificador.
10. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino, según reivindicación 1 caracterizado porque el
elemento intensificador/bloqueador selectivamente realiza un
ventanado que permite trabajar en un amplio margen de iluminación,
incluido luz diurna, mediante el control de la relación cíclica de
la inversión de polaridad del fotocátodo.
11. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicaciones 5 y 6 caracterizado
porque el conjunto intensificador-cámara se
sustituye por una cámara de tecnología CCD O CMOS, capaz de operar
con niveles de iluminación extremadamente bajos.
12. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicaciones 6 y 11, caracterizado
porque la cámara CCD o CMOS es del tipo de las que se basan en el
empleo de detectores en los que la carga fotogenerada se amplifica
en el propio detector mediante un proceso basado en avalancha de
portadores de carga eléctrica o ionización por impacto, previamente
a la generación de la señal eléctrica de salida que se almacena en
el registro serie.
13. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 1 caracterizado porque la
fuente de iluminación pulsante consiste en una fuente láser.
14. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 13 caracterizado porque el
sistema láser es un sistema láser de estado sólido que opera en la
zona azul-verde del espectro visible, donde la
atenuación de luz por parte del agua de mar es mínima.
15. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 13 caracterizado porque el
sistema láser se basa en una oscilación láser primaria, generada
en iones de tierras raras y bombeada por medio de la emisión de un
diodo láser semiconductor, que es convertida a otra frecuencia más
ventajosa para el sistema mediante el empleo de un material no
lineal.
16. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicaciones 9, 10 y 13 caracterizado
porque la fuente láser de iluminación opera de modo pulsado, de
manera sincronizada con el ventanado del dispositivo
intensificador/inhibidor de la imagen para seleccionar el rango de
profundidad o distancia del que se recibe luz reflejada en el
detector.
17. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 2 caracterizado porque el
detector utilizado es un fotomultiplicador.
18. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 2 caracterizado porque el
detector utilizado es un fotodiodo de avalancha.
19. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 3 caracterizado porque el
detector utilizado carece del elemento intensificador de imágenes,
estando constituido por una cámara convencional de televisión, de
tecnología CMOS o CCD.
20. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 2 caracterizado porque el
sistema de barrido se realiza mediante un elemento electro-óptico o
acusto-óptico.
21. Sistema de visualización de imágenes del
fondo marino según reivindicación 2 caracterizado porque el
detector se enfoca en cada instante hacia el punto o zona iluminada
por el barrido.
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