Тепловизоры с оптико-механическим сканированием

4. Сравнительный  анализ с оптико-механическим сканированием с тепловизором с электронным сканированием

Для получения видимого изображения теплоизлучающего объекта  в тепловизорах с оптико-механическим сканированием осуществляют разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площадок. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ мощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ, с выхода которого последовательно во времени снимаются сигналы, содержащие информацию о теплоизлучающем объекте и окружающем его фоне. Таким образом, двумерное распределение яркостей в пространстве объектов в результате сканирования преобразуется в одномерное распределение напряжения на нагрузочном резисторе ПИ. Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видео устройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изображение. Чаще всего в качестве индикатора ВКУ используют электронно-лучевую трубку (кинескоп). Так как в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа должен быть идентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующих элементов.

Принцип действия тепловизора  с оптико-механическим сканированием  чается в следующем. Тепловое излучение  объекта (рис.1) и окружающего его  фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор и наблюдаемый  объект, фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет развертку объекта, последовательно направляя на ПИ изображения различных элементов объекта После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем 5 'сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображение объекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ поступают также синхронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ со сканирующим устройством.

Рис. 2.1 Упрощенная структурная  схема тепловизора с оптико-механическим сканированием.

Структурные схемы реальных тепловизоров более сложны, чем рассмотренная  схема. Кроме упомянутых основных элементов  тепловизора в его состав могут входить вспомогательные элементы (устройства информационно-измерительного обеспечения, элементы стабилизации видеосигнала, дополнительный монитор с увеличенными размерами экрана, стробирующее устройство для получения неподвижных термограмм вращающихся объектов, насадки, позволяющие производить фото- и киносъемку с экрана кинескопа и др.). Как правило, в тепловизорах с оптико-механическим сканированием объектив, сканирующее устройство и ПИ скомпонованы в одном блоке, называемом тепловизионной камерой', усилитель и преобразователь видеосигналов, а также ВКУ — во втором блоке. Возможно объединение обоих блоков или размещение первых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где располагаются элементы синхронизации, связанные кинематически со сканирующим устройством.

Одним из главных элементов  тепловизоров с оптико-механическим сканированием, определяющим их температурную  чувствительность и максимальную дальность  действия, является приемник инфракрасного  излучения. В тепловизорах применяют  два вида приемников: одноэлементные и много-элементные. Чувствительные элементы приемников представляют собой фото-езисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего на излучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре пленочные (PbS,PbSe) и монокристаллические (InSb,HgCdTe) фоторезисторы. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с понижением температуры чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до температуры 77... 195 К, используя для этого специальные охлаждающие устройства (криостаты, термоэлектрические холодильники, устройства, основанные на эффекте Джоуля-Томсона, и др.).

Главным параметром приемников инфракрасного излучения является порогчувствительности — минимальный  поток излучения, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов, или превышающий его в заданное число раз.

Сканирующие устройства и траектории сканирования.

В оптико-механических сканирующих  устройствах сканирование производится путем изменения направления  оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы прибора.

Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными (спиральная, розеточная, прямоугольная, циклоидальная  и др.). В тепловизорах обычно применяют телевизионную развертку: оптическая ось перемещается с постоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые и этом линии называются строками. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Оптико-механические сканирующие  устройства достаточно инерционны,. как  основаны на колебательном или вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими  сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными сканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные к инфракрасной области спектра (InSb,HgCdTe). При этом различают тепловизоры с одноэлементным приёмником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приёмником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемого изображения.

     Сканирование колеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования теплового поля прямоугольной формы при одноэлементном ПИ применяют плоское зеркало, совершающее колебательные движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Изменение положения зеркала достигается посредством различных электромеханических и электромагнитных приводов. В процессе сканирования мгновенное поле зрения прибора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр.

   Зеркало размещают либо до объектива в параллельном пучке лучей (рис. 2а), либо за объективом в сходящемся пучке (рис. 2б). В первом случае достигается высокое качество изображения (ввиду отсутствия дополнительных аберраций), но при этом размеры колеблющегося зеркала должны быть большими и требования к качеству изготовления его отражающей поверхности - жёсткими.

Если зеркало наклонено  под большим углом к оптической оси, то плохое качество отражающей поверхности  вызывает астигматизм в изображении  точечного источника. При расположении зеркала за объективом размеры зеркала  можно уменьшить, но в этом случае при повороте зеркала поверхность изображения получается не плоской, а сферической и пятно остаточных аберраций увеличивается.

Построчное сканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала приводит к отклонению растра от прямоугольного, если зеркало gрасположено под некоторым углом  к оптической оси (рис. 2.3,а). Принимая за количественную характеристику этого отклонения наибольшее относительное изменение размеров , соответствующее краю поля зрения ( ).Сканирующее плоское зеркало может быть жестко закреплено на оси под углом 45°, так что сканирование вдоль строки обеспечивается поворотами зеркала относительно этой ,jоси на угол ± а сканирование по кадру — поворотом зеркала вместе с осью, на которой оно gзакреплено, на угол ± (рис.2.3б) В этом случае форма растра jблизка к трапеции. При  g= +10° и =• 95° искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет 3% , а искривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 % . Наряду с одним плоским зеркалом, имеющим две степени свободы, сканирующих устройствах можно применять два зеркала, каждое из которых совершает колебательное движение относительно взаимно перпендикулярных осей, образуя телевизионный растр.

В случае использования  многоэлементного (линейного) ПИ конструкция сканирующего устройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом случае зеркало должно совершать колебательное движение только относительно одной оси (у на рис. 2.4). В приведенной схеме фокусировка излучения осуществляется зеркальным объективом, имеющим диаметр 100 мм, фокусное расстояние 250мм и пятно остаточных аберраций 250 мкм. Сканирование по горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимся с собственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерции зеркала и жесткостью крутильной пружины, на которое оно подвешено. При колебаниях зеркала неконтактный датчик выдаёт сигнал обратной связи, соответствующий перемещению зеркала. Этот сигнал после усиления подаётся на обмотку электромагнита, воздействующего на лёгкую железную арматуру, прикреплённую к зеркалу.

Рис. 2.4. Сканирующее устройство с многоэлементным ПИ и расположением  сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей

1 - объектив; 2 - ПИ; 3 - отражательное  зеркало; 4 - электромагнит; 5 - сканирующее  плоское зеркало.

Фаза сигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались незатухающие колебания зеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствующий определенному положению сканирующего зеркала, используется одновременно для синхронизации развертки электронного пятна по экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали ± 15°; поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки ПИ (30 мм).

Общий недостаток сканирующих  устройств с колеблющимися плоскими зеркалами — ограничение частоты  развертки из-за ударов в крайних  положениях зеркала. Зеркальный барабан  имеет более широкие сферы  применения.

3. Структурные и функциональные схемы тепловизоров с электронным сканированием

Тепловизоры с видиконом. В передающей камере тепловизора  с электронным сканированием  изображение наблюдаемого объекта  проецируете» мощью оптической системы  на мишень телевизионной передающей типа видикон, чувствительной к коротковолновому инфракрасному излучению, которая преобразует электронное изображение в видеосигнал (рис. 6.1)

Рис. 3.1. Структурная схема  тепловизора с электронным сканированием: — оптическая система; 2 — блок передающей Телевизионной трубки; 3 — блок кадровой и строчной разверток передающей трубки; 4 — предварительный усилитель видеосигнала; 5 — видеотракт ;6-генератор гасящих и синхронизирующих импульсов;7- блок приёмной телевизионной трубки;8- блок кадровой и строчной разверток приёмной трубки; ; 9 — блок синхронизации

Для развертки изображения  на отклоняющую систему трубки подаются напряжения пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемые блоком развертки. Согласование во времени движения электронного луча по экрану приемной трубки с движением луча по мишени передающей трубки осуществляется с помощью синхронизирующих импульсов, подаваемых во время обратного хода луча. При этом системы развертки передающей приемной трубок должны работать синхронно и синфазно.

Синхронизирующие импульсы формируются на передающей части  телевизионной системы и замешиваются в видеосигнал. Видеосигнал, состоящий  из сигнала изображения, гасящих  и синхронизирующих импульсов, называются полным телевизионным сигналом. Он поступает на приемную телевизионную трубку, изменяя яркость свечения экрана. Для получения изображения электронный луч приемной трубки перемещается по плоскости экрана воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемную трубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, где синхронизирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные и кадровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемной трубки.

Тепловизор с электронным  сканированием содержит следующие  основные блоки;

оптическую систему, представляющую собой объектив, изготовленных из оптического материала, который  пропускает инфракрасное излучение в спектральном диапазоне чувствительности видикона;

блок передающей телевизионной  трубки, состоящий из самой передающей трубки, чувствительной к инфракрасному  излучению, а также из фокусирующей и отклоняющей системы (ФОС). Последняя  состоит из двух пар катушек для отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих катушек помещается фокусирующая катушка. Иногда для повышения качества изображения в ФОС вводят корректирующие катушки, исправляющие траекторию луча на краях растра. Габариты ФОС отечественного производства: диаметр 60 мм, длина 115...142 мм;

Генератор строчной развертки  генерирует пилообразные напряжения с  частотой 15625 Гц (при стандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с), а генератор  кадровой развертки — пилообразные напряжения с частотой 50 Гц;

предварительный усилитель  видеосигналов;

видеотракт, состоящий  из видеоусилителя и ряда каскадов, необходимых для замешивания  в видеосигнал различных служебных  сигналов. На выходе видеотракта получается полный телевизионный сигнал положительной полярности с размахом порядка 1 В на нагрузке 75 Ом и отношением сигнал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до 7,5 МГц;

синхрогенератор, вырабатывающий кадровые синхронизирующие импульсы, кадровые и строчные гасящие импульсы приемной и передающей трубок;

блок синхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала  синхронизирующие импульсы, которые  поступают на блок развертки приемной телевизионной трубки;

блок приемной телевизионной  трубки, состоящий из самой приемной трубки (кинескопа) и ФОС;

блок кадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

К тепловизорам с электронным  сканированием относится прибор ДТП' 103 (рис. 3.17), предназначенный для анализа тепловых полей и разработанный в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики АТП-103 позволяет исследовать в реальном масштабе времени стационарные тепловые поля сравнением теплового излучения эталонного и исследуемого объектов в диапазоне температур 250—1200 °С с погрешностью ± 1 % .

Качественный анализ исследуемого объекта проводят по черно-белому полутоновому изображению теплового  поля на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) с пропорциональной зависимостью яркости от температуры. Количественные измерения проводятся сравнением мощности излучения от объекта и эталонного излучателя, либо методом изотерм, который позволяет выявить на экране ВКУ области, температура которых превышает установленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложением их на изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет измерять температуру по выделенной строке, для чего профилограмму выводят на экран осциллографа.