Пристрій для формування тепловізійного зображення

Пристрій для формування тепловізійного зображення, що складається із послідовно розташованого по ходу оптичного сигналу формувача інфрачервоного зображення, який містить об'єктив та сканер з пристроєм формування синхроімпульсів, оптичного перемикача, багатоелементного nканального фотоприймача, послідовно з'єднаних з фотоприймачем комутатора, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, цифрового блока оперативної пам'яті, мікропроцесорного контролера та відеооглядового пристрою, причому оптичний перемикач виконано у вигляді диска з прозорими і непрозорими для теплового випромінювання областями , що чергуються, для запровадження по черзі випромінювання від двох еталонних джерел випромінювання, який відрізняється тим, що в ньому додатково введено блок формування синхроімпульсів відеосигналу часу інтегрування пікселя зображення або джерела калібрування сигналу та синхроімпульсів виконання режиму калібрування, при цьому одним із дже C2 2 UA 1 3 77311 4 підсилення сигналу), так і по адитивним складовим 16.01.95, (54) ТЕПЛОВИЗОР, Россия]. (розкид зсувів сигналу як на окремих елементах До причин, які перешкоджають досягненню фотоприймача, так і в аналого-цифрових блоках вказаної нижче технічної властивості при викорисоброблення сигналів). танні указаного пристрою, відносять те, що в укаВідомо пристрій - ТЕПЛОВІЗОР, який містить заному прототипі пристрою необхідно введення формувач зображення, чутливий до інфрачервоспеціального пристрою формування зображення ного випромінювання і формуючий відповідно виеталонного джерела випромінювання у фокальній диме зображення. площині формувача інфрачервоного випромінюФормувач має детектор (багатоелементний вання і, крім того, пристрою керування та стабіліфотоприймальний пристрій), виконаний у вигляді зації температури еталонного джерела випроміматриці чутливих елементів, кожний елемент якої нювання. з'єднаний з мультиплексором, вихід якого з'єднаПеред авторами стояло завдання створення ний з процесором обробки. приладу, що дозволить формувати тепловізійне Процесор містить блок розрахунку постійного зображення з компенсацією неідентичності зобрамножника для єдиного керування чутливістю, інження як по мультиплікативним складовим, так і дивідуальний для детектора і калібрований від адитивним складовим геометричного шуму в зозовнішнього стандартного джерела інфрачервонображенні, з використанням двох еталонних калібго випромінювання. рувальних рівнів випромінювання на основі приВихід процесора з'єднаний з входом схеми австроїв, які не потребують застосування томатичного регулювання підсилення [див. патент спеціальних пристроїв керування і стабілізації те(11)US 5587583A, (22) 06.09.95, (54) ТЕПЛОВІмператури еталонних джерел випромінювання. ЗОР]. Суть винаходу полягає у наступному. До причин, що перешкоджають, досягненню Для вирішення поставленого завдання у відозазначеної нижче технічної властивості при викомому пристрої -ТЕПЛОВІЗОР, що складається із ристанні даного пристрою відносять те, що зазнапослідовно розташованих по ходу оптичного сигчений спосіб і пристрій, що реалізує його, коректує налу формувача інфрачервоного зображення, розкид чутливості окремих фоточутливих елеменякий містить об'єктив та сканер, оптичного перетів шляхом автоматичної корекції тільки коефіцієнмикача, багатоелементного "n"-канального фотопта підсилення відеосигналу (виконується операція риймача, послідовно з'єднаних з фотоприймачем компенсації мультиплікативної складової геометкомутатора, підсилювача, аналого-цифрового перичного шуму в зображенні сцени, що спостерігаретворювача, цифрового блока оперативної пається) і не передбачає компенсації розкиду зсувів м'яті, мікропроцесорного контролера та відеооглявідеосигналу (компенсації адитивних складових дового пристрою, причому оптичний перемикач геометричного шуму в зображенні сцени, що сповиконано у вигляді диска з прозорими і непрозостерігається). Крім того, коефіцієнт корекції підсирими для теплового випромінювання областями, лення обчислюється при використанні тільки однієї що чергуються, для запровадження по черзі викалібровочної температурної точки (використання промінювання від двох еталонних джерел випрозовнішнього стабілізованого по одній температурі мінювання, в нього додатково введено блок форджерела випромінювання). Останнє потребує для мування синхроімпульсів часу інтегрування ефективного калібрування чутливості установленвидеосигналу пікселя зображення або джерела ня температури еталонного джерела калібруванкалібрування сигналу та синхроімпульсів виконання, яка дорівнює температурі сцени, що спостеріня режиму калібрування, при цьому одним із джегається, і вимір якої не завжди можливий. рел випромінювання є самі, охолоджені до кріоНайбільш близьким пристроєм цього ж призгенних температур, елементи фотоприймача, для начення до пристрою, що заявляється, за сукупнічого хоча б одна непрозора область оптичного стю ознак, приведених у прототипі, є пристрій, перемикача, що спрямована в сторону фотоприйякий складається з послідовно розташованих по мача, виконана дзеркальною, при цьому поверхня ходу оптичного сигналу об'єктива, оптичного педиска оптичного перемикача суміщена з проміжремикача з датчиком положення та електромеханою фокальною площиною об'єктива і орієнтована нічним приводом, багатоелементного фотоприйперпендикулярно оптичної осі об'єктива, а другим мача, і послідовно з'єднаних з фотоприймачем джерелом випромінювання є хоча б одна інша першого комутатора, підсилювача, перший вихід непрозора область оптичного перемикача, для якого з'єднаний з першим входом аналогочого вона виконана зачорненою для необхідної цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний з ділянки оптичного спектра. першим входом блока пам'яті і мікропроцесорний Оптичний перемикач має можливість введенконтролер, в якому на перший вихід підключено ня еталонних джерел випромінювання синхронно з відеооглядовий пристрій, при цьому оптичний печастотою сканування сканера, в зонах холостого ремикач виконано у вигляді диска з прозорими і ходу сканера, при цьому мікропроцесорний контнепрозорими з двома різними коефіцієнтами відролер містить цифровий блок роздільного розрабиття зонами, які чергуються, для вводу випроміхунку коефіцієнтів корекції і компенсації мультипнювання від одного стабілізованого по температурі лікативних і адитивних складових геометричного еталонного джерела випромінювання, але ствошуму (неідентичності) видеосигналів інфрачерворюючим на фотоприймачі за допомогою оптичного ної сцени, що спостерігається. перемикача опромінення еквівалентне опромінюДля виконання цифро-аналогової обробки сигванню від двох джерел випромінювання з різною налів фотоприймача і перетворення сигналів в температурою [див. патент (11) 2090976, (22) телевізійний стандарт "n" виходи фотоприймача 5 77311 6 з'єднані з "n" входами інтегратора, "n" виходи інтеапертурна діафрагма 16, а біля проміжної фокальгратора з'єднані з "n" входами комутатора, вихід ної площини, формованої об'єктивом 14, польова якого з'єднаний з входом підсилювача, а вихід піддіафрагма 17, що має щілинну форму при викорисилювача з входом аналого-цифрового перетвостанні лінійних багатоелементних фотоприймачів. рювача, цифровий вихід якого з'єднаний з входом Сканер 3 виконаний у вигляді багатогранної цифрової оперативної пам'яті, вихід якої з'єднаний дзеркальної призми 18 з електромеханічним пришиною обміну з мікропроцесорним контролером, водом 19, вісь обертання якого сполучена з віссю аналоговий вихід якого з'єднаний з входом відеоообертання формувача синхроімпульсів (ФСІ) 20 глядового пристрою, при цьому перший вихід причасу інтегрування відеосигналу пікселя зображенстрою формування синхроімпульсів зв'язаний з ня або джерела калібрування сигналу і синхроім"n+1" входом установлення часу інтегрування інтепульсів виконання режиму калібрування. Формугратора і додатковим входом установлення реживач синхроімпульсів виконаний, наприклад, у му тест-контролю мікропроцесорного контролера, вигляді дзеркального диска 21, що має можливість а другий вихід пристрою формування синхроімпуобертання разом із призмою 18, що сканує, з нальсів з входом синхронізації аналого-цифрових несеними по колу прозорими штрихами й оптронблоків. ною парою (світлодіод - фотодіод) 22, елементи При цьому для усунення попадання джерел якої установлені з двох боків диска 21 навпроти випромінювання в поле зору тепловізора під час прозорих штрихів для формування тактових синхсканування тепловізійного кадру інфрачервоної роімпульсів і синхроімпульсу інтегрування відеосикартини, яку спостерігаємо, швидкість обертання гналу пікселя зображення, а також нанесеними по оптичного перемикача синхронізована зі швидкісколу прозорими секторами й оптронною парою 23, тю розгортання кадру сканера. Крім того, розміри елементи якої установлені з двох боків диска 21 прозорого сектору оптичного перемикача і час навпроти прозорих секторів для формування синзнаходження його в полі зору формувача тепловіхроімпульсу інтегрування відеосигналу джерела зійного зображення узгоджені з часом розгортання калібрування і синхроімпульсів виконання режиму смуги кадру, яка проглядається фотоприймачем за калібрування. час одного проходу сканера, а розміри секторів, які Оптичний перемикач 4 виконаний у вигляді вводять перше джерело випромінювання, друге диска з прозорими і непрозорими для теплового джерело відповідно і час їх знаходження в полі випромінювання областями, які чергуються, для зору формувача тепловізійного зображення, узгозапровадження по черзі випромінювання від двох джені з часом холостого ходу сканера. еталонних джерел випромінювання. При цьому Указана сукупність ознак пристрою забезпечує одним із джерел випромінювання є самі, охолореалізацію винаходу, що пропонується, і забезпеджені до криогенних температур, елементи фоточує досягнення технічної властивості: створення приймача, для чого принаймні одна непрозора тепловізійного пристрою формування тепловізійобласть 24 (Фіг.2) оптичного перемикача 4, яка ного зображення з компенсацією неоднорідностей спрямована у бік фотоприймача, виконана дзерчутливості по мультиплікативним і адитивним кальною, при цьому поверхня диска оптичного складовим геометричного шуму з використанням перемикача сполучена з проміжною фокальною двох еталонних калібрувальних рівнів випромінюплощиною об'єктива й орієнтована перпендикулявання на основі пристроїв, які не потребують зарно оптичної осі об'єктива, а другим джерелом стосування спеціальних пристроїв формування випромінювання є хоча б одна інша непрозора зображення еталонного джерела випромінювання область 25 оптичного перемикача, для чого вона у фокальній площині формувача інфрачервоного виконана зачерненою для необхідної ділянки опзображення та пристроїв керування і стабілізації тичного спектра, причому оптичний перемикач має температури еталонних джерел випромінювання. можливість введення еталонних джерел випроміНа кресленнях подані блок-схеми, які пояснюнювання синхронно з частотою сканування сканеють будову пристрою, що пропонується, де: ра, у зонах холостого ходу сканера, а мікропроцена Фіг.1 подана блок-схема пристрою ТЕПЛОсорний контролер 11 (Фіг.1) містить цифровий ВІЗОР, що реалізує запропонований пристрій; блок роздільного розрахунку коефіцієнтів корекції і на Фіг.2 подана оптико-механічна схема прикомпенсації мультиплікативних і адитивних скластрою ТЕПЛОВІЗОР. Відомості, які підтверджують дових геометричного шуму (неідентичності) відеоможливість здійснення винаходу, що заявляється, сигналів інфрачервоної сцени, що спостерігається, з одержанням зазначеної технічної властивості. причому «n» виходи фотоприймача 5 з'єднані з Тепловізор (див. Фіг.1) містить розміщені по «n» входами інтегратора 6, «n» виходи інтегратора ходу оптичного сигналу: формувач інфрачервоно6 з'єднані з «n» входами комутатора 7, вихід якого го зображення 1, що складає з об'єктива 2 і сканез'єднаний з входом підсилювача 8, а вихід підсира 3, оптичного перемикача 4, багатоелементного лювача 8 з'єднаний з входом аналого-цифрового «n»-канального фотоприймача 5, послідовно з'єдперетворювача 9, цифровий вихід якого з'єднаний наних з фотоприймачем інтегратора 6, комутатора з входом цифрового оперативного запам'ятовую7, підсилювача 8, аналого-цифрового перетворючого пристрою 10, вихід якого з'єднаний шиною вача 9, цифрового оперативно запам'ятовуючого обміну даних з мікропроцесорним контролером 11, пристрою 10, мікропроцесорного контролера 11 і аналоговий вихід якого з'єднаний з входом відеоовідеооглядового пристрою 12. Об'єктив 2 складаглядового пристрою 12, при цьому перший вихід ється з телескопічної системи 13 (див. Фіг.2), об'єформувача синхроімпульсів (ФСI) 18 (Фіг.1) пов'яктива 14 і проекційного об'єктива 15. Між телескозаний з «n+1» входом установки часу інтегрування пічною системою 13 і об'єктивом 14 встановлена інтегратора 7 і додатковим входом установки мік 7 77311 8 ропроцесорного контролера 11 у режимі калібруваних коефіцієнтах корекції компенсує геометричні вання відеосигналу по еталонних рівнях випромішуми відеосигналу, перетворює інформацію тепнювання, а другий вихід формувача синхроімпульловізійного кадру, записану в блок ОЗП 10, у телесів 18 із входами синхронізації аналого-цифрових візійний кадр і видає відеосигнали в телевізійному блоків опрацювання відеосигналу. стандарті зі свого виходу на відеооглядовий приЗ метою зменшення вагогабаритних характестрій 12. ристик сканера 3 об'єктив 2 містить телескопічну Коефіцієнти корекції відеосигналів по мультисистему, що стискує пучок інфрачервоних промеплікативним і адитивним складовим геометричного нів, які надходять на вхідну зіницю об'єктива, до шуму в зображенні розраховує обчислювальний прийнятних розмірів для сканера. Сканер виконує блок мікропроцесорного контролера 11 протягом кадрову розгортку при достатній кількості елеменхолостого ходу сканера по синхроімпульсу «притів багатоелементної лінійки, достатньому для строї формування синхроімпульсів», коли оптичформування кадру за один прохід сканера, або ний перемикач вводить у проміжну фокальну плоформує кадр з декількох смуг сканування у випадщину еталонні джерела випромінювання з різною ку недостатньої кількості елементів багатоелементемпературою Т1 і Т2. тної лінійки фотоприймачів для формування кадру На першому етапі калібрування відеосигналів за один прохід. Після проходження сканера інфрапо інтегрованих сигналах Uci1 від першого джеречервоне випромінювання надходить на об'єктив 14 ла випромінювання і Uci2 від другого джерела ви(Фіг.2), який формує зображення теплової картини промінювання блок роздільного розрахунку коефів проміжній фокальній площині для забезпечення цієнтів корекції мікропроцесорного контролера 11 можливості введення в цю площину еталонних обчислює різницю інтегрованих сигналів: джерел випромінювання (джерел калібрування). V Uci =Uci2 -Uci1 . Проекційний об'єктив 15 забезпечує оптичне споКоефіцієнт корекції чутливості і-го фоточутлилучення проміжної фокальної площини, сформового елемента по мультиплікативній складовій ваної об'єктивом 14 з фокальною площиною об'єквизначається поділом різниці інтегрованих сигнатива 2 (Фіг.1). Фоточутливі елементи лів еталонного фоточутливого елемента і вимірюфотоприймача 5, які розташовані у фокальній ється: площині об'єктива, перетворюють енергію інфраVUсэ червоного випромінювання в електричні сигнали, Kis . VUсi що надходять на відповідні паралельні входи «n»канального інтегратора 6 і далі перетворюються Отримані таким способом значення коефіцієнкомутатором 7 у послідовний аналого-дискретний тів корекції чутливості по мультиплікативній скласигнал. Багатоканальний інтегратор 6 і комутатор довій записуються в пам'ять оперативного запа7 можуть бути виконані як частина гібридного фом'ятовуючого пристрою 10 і надалі, до одержання топриймача, що складається із фоточутливих до нової команди на калібрування, мікропроцесорний інфрачервоного випромінювання елементів і креконтролер 11 при формуванні відеосигналу кадру мнієвих приладів із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), на в телевізійному стандарті множить відеосигнал на яких виконується підсумовування сигналу і мулькоефіцієнт корекції по мультиплікативній складовій типлексування (комутація). Для виключення перегеометричного шуму. повнення зарядом ПЗЗ комірки в режимі підсумоВідразу після запису в пам'ять запам'ятовуювування сигналу від еталонного джерела чого пристрою значень Kis на черговому ході кадвипромінювання в ПЗЗ структурі використовується рової розгортки (другому етапі калібрування відеорежим антиблюмінга [В.Д.Бейкер і ін. «Приборы з сигналів) по інтегрованих сигналах Uci1 від зарядовой связью», М: Мир, 1982, стор.172, 177). першого джерела випромінювання блок роздільноСигнали, інтегровані протягом часу сканування го розрахунку коефіцієнтів корекції мікропроцесородного пікселя зображення сцени, що спостеріганого контролера 11 обчислює інтегровані сигнали ється, або протягом часу тестування зображення U'ci1 від першого джерела випромінювання з ураеталонного джерела випромінювання, надходять хуванням корекції по мультиплікативній складовій на вхід підсилювача 8, виконаного на операційногеометричного шуму, включаючи сигнал еталонному підсилювачі, наприклад мікросхемі типу го фоточутливого елемента U'cэ1 , і визначає кое154УД4. Сигнали, що надходять з виходу підсилюфіцієнти корекції по адитивній складовій як: вача 8, перетворюються в цифрову форму аналоасі=( U'cэ1 - U'ci1 )tП/tТ, го-цифровим перетворювачем 9, наприклад мікроде U'cэ1 - інтегрований протягом часу (tT) фосхема типу 1107ПВЗ, у вигляді паралельного «т» рмування зображення першого еталонного джерерозрядного цифрового коду, який передається для ла випромінювання сигнал фоточутливого елемепопереднього запису в пам'ять оперативно запанта, узятого за еталонний; м'ятовуючого пристрою 10 (ОЗП). U'ci1 - інтегрований протягом часу (tT) формуЗавданням блока ОЗП 10 є накопичення кадру вання зображення першого еталонного джерела зображення за час кадрової розгортки телевізійновипромінювання сигнал і-го фоточутливого елемего стандарту (40м/сек), для наступного зчитування нта; його мікропроцесорним контролером 11 у телевіtП - час інтегрування сигналу пікселя зобразійному стандарті. Блок ОЗП 10 містить два блоки ження. пам'яті. У будь-який момент часу один з них знаЦі коефіцієнти корекції по адитивній складовій ходиться в режимі запису напівкадру зображення, геометричного шуму записуються в пам'ять операа другий - у режимі зчитування. тивного запам'ятовуючого пристрою 10 і надалі до Мікропроцесорний контролер 11 по розрахоодержання нової команди на калібрування відео 9 77311 10 сигналу контролер вичитає з відеосигналу, попекач 4 кінематично зв'язаний із віссю приводу 19 редньо відкоректованого по мультиплікативній (Фіг.2) скануючого елемента за допомогою кінемаскладовій, значення коефіцієнта корекції по адититичної передачі 27. вній складовій. При цьому, розміри прозорого сектора оптичУ результаті проведеної корекції відеосигналу ного перемикача і час перебування його в полі по адитивній і мультиплікативній складовим шуму зору формувача тепловізійного зображення 1 узна відеооглядовому пристрої відображається очигоджені з часом розгортки смуги кадру, що перегщене від геометричного шуму теплове зобралядається фотоприймачем 5 за час одного прохоження. ду сканера 3, а розміри секторів 24 і 25, що Для усунення влучення джерел випромінювводять перше джерело випромінювання і друге вання в поле зору тепловізора під час сканування джерело випромінювання відповідно і час їхнього тепловізійного кадру інфрачервоної картини, що перебування в полі зору формувача тепловізійного спостерігається, швидкість обертання оптичного зображення 1, узгоджені з часом холостого ходу перемикача 4 синхронізована зі швидкістю розгорсканера. тки кадру сканером 3, для чого оптичний переми Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601