УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE FORMING DEVICE

Изобретение относится к области техники оптоэлектронного приборостроения и может быть использовано в тепловизионных устройствах, имеющих в качестве детектора инфракрасного излучения субматрицу фоточувствительных элементов.
Известно тепловизионное устройство, имеющее в своем составе устройство коррекции искажения последовательности изображений, анализируемых интегрирующим матричным инфракрасным датчиком (см. патент США № 5118943, м.кл. G01N 21/88; H04N 05/33, опубл. 02.06.1992 г.). Тепловизионное устройство состоит из оптической системы, в фокальной плоскости которой расположен матричный приемник инфракрасного излучения, выходы которого подключены к блоку обработки сигналов, содержащему устройство коррекции сигналов.
Недостатками такого устройства являются: во-первых, потеря тепловизионного изображения на время проведения калибровки в результате дефокусировки оптической системы, необходимой для получения равномерной засветки всех чувствительных элементов фотоприемного устройства (ФПУ); во-вторых, необходимость проведения повторной калибровки при изменении температуры наблюдаемой сцены в широком диапазоне с целью снижения погрешностей коррекции, вызванных нелинейностью в откликах чувствительных элементов ФПУ и различий в темновых и других токах; в-третьих, наличие ошибки коррекции сигналов при использовании устройства в тепловизионных системах с апертурой более F/3 из-за отсутствия в алгоритме коррекции учета различий в откликах чувствительных элементов ФПУ, проявляющихся в зависимости от положения элемента относительно центра матрицы и вызванных изменением соотношения величин потоков излучения от наблюдаемой сцены и от окружающих структур при изменениях температурных условий функционирования устройства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство формирования изображения с коррекцией сигналов (см. патент Франции №2720175, м.кл. G06F 17/10, G06T 5/00, опубл. 20.04.1994 г.), содержащее оптическую схему, сканирующее устройство и субматричное ФПУ со схемами накопления и считывания сигнала, выходы которого подключены к соответствующим входам блока обработки сигналов, один из выходов которого подключен к регулируемым источникам опорного излучения, оптически сопряженным через сканирующее устройство с ФПУ, и схему синхронизации работы системы, электрически соединенную со сканирующим устройством и блоком обработки сигналов. Оптическая схема может включать входной и проекционный объективы. Блок обработки сигналов для осуществления коррекции сигналов содержит в своем составе последовательно электрически подключенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фильтр, множительное устройство, сумматор, а также вычислительное устройство, средства селекции и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Оптическая схема и сканирующая система формирует тепловизионное изображение на чувствительных элементах ФПУ. Аналоговый видеосигнал с ФПУ поступает на блок обработки сигналов, где преобразуется АЦП в цифровую форму. Далее цифровой сигнал последовательно проходит фильтр, множительное устройство и сумматор для коррекции погрешности сигналов от ФПУ, вызванной влиянием предыдущей аналоговой выборки порядка n-1 на последующую выборку порядка n и погрешности выходных сигналов, вызванной разбросом характеристик чувствительных элементов ФПУ. Множительное устройство и сумматор производит математическое линейное преобразование видеосигнала с ФПУ, при помощи предварительно рассчитанных вычислительным устройством одного или нескольких наборов коэффициентов коррекции для каждого чувствительного элемента ФПУ. Коэффициенты вычисляются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ на экспонирование двумя различными по величине потоками от источника опорного излучения, значения которых выбираются в динамическом диапазоне сигналов от наблюдаемой устройством сцены. Средства селекции, имеющиеся в блоке обработки сигналов, производят выбор определенного набора коэффициентов для каждого чувствительного элемента ФПУ в зависимости от значения сигнала на выходе АЦП.
Недостатками в работе устройства формирования изображения с одним набором коэффициентов коррекции являются небольшой температурный диапазон наблюдаемой сцены, ограниченный областью вблизи значений потоков излучения от опорных источников, и невысокая скорость отработки устройством резкой смены температурной обстановки наблюдаемой сцены. Передаваемый температурный диапазон наблюдаемой сцены в данном случае зависит от режима работы ФПУ: времени накопления сигнала и величины накопительных емкостей каналов ФПУ, а также от внешних условий: суммарного значения полезных и паразитных потоков излучения. Величина погрешности выходного сигнала зависит от скорости и точности установки необходимой величины потока излучения от опорных источников.
Недостатком в работе устройства формирования изображения с несколькими наборами коэффициентов коррекции является то, что на величину сигнала на выходе АЦП, в зависимости от которой средства селекции производят выбор определенного набора коэффициентов коррекции, влияют не только величина суммарного потока излучения, направленного на чувствительный элемент ФПУ, но и другие факторы, например, температура охлаждения субматрицы чувствительных элементов ФПУ. В связи с необходимостью учета всех факторов, влияющих на величину сигнала на выходе АЦП, значительно усложняется устройство селекции, осуществляющее выбор определенного набора коэффициентов коррекции из всего массива, предварительно записанного в ОЗУ блока обработки сигналов.
Кроме того, при эксплуатации устройства формирования изображения в широком температурном диапазоне, бывает недостаточно фиксированных значений времени накопления сигнала и величины накопительных емкостей каналов ФПУ. При больших коэффициентах усиления аналогового сигнала, необходимых для повышения температурного разрешения системы, изменения потоков излучения от наблюдаемой сцены и окружающих ФПУ структур вызовут изменения постоянной составляющей выходного аналогового видеосигнала, в результате чего может быть превышен входной диапазон АЦП блока обработки сигналов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение функционирования устройства формирования изображения с минимальной погрешностью коррекции сигнала в широком диапазоне изменения температур, как самого устройства, так и наблюдаемой сцены, при условии максимального температурного разрешения.
Это достигается тем, что в устройство формирования изображения, содержащее последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив, сканирующее устройство, проекционный объектив и фотоприемное устройство, а также блок обработки сигналов, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, второй выход блока обработки сигналов подключен, по крайней мере, к одному регулируемому источнику опорного излучения, оптически сопряженному через сканирующее устройство с фотоприемным устройством, и схему синхронизации, электрически соединенную со сканирующим устройством и синхронизирующим входом блока обработки сигналов, дополнительно введены блок сопряжения, включенный между выходом фотоприемного устройства и входом блока обработки сигналов, и схема управления режимом работы фотоприемного устройства, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов, а выход к управляющему входу фотоприемного устройства.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства формирования изображения.
На фиг.2 показаны графики кривых отклика чувствительных элементов ФПУ, поясняющие результат применения схемы управления режимом работы ФПУ.
Устройство формирования изображения содержит последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив 1, сканирующее устройство 2, проекционный объектив 3 и ФПУ 4, при этом выход ФПУ 4 электрически соединен с входом блока сопряжения 5, а выход блока сопряжения 5 с входом блока обработки сигналов 6, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, второй выход блока обработки сигналов 6 подключен, по крайней мере к одному регулируемому источнику опорного излучения 7, оптически сопряженному через сканирующее устройство 2 с ФПУ 4, а также схему синхронизации 8, электрически соединенную со сканирующим устройством 2 и синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, и схему управления 9 режимом работы ФПУ 4, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов 6, а выход к управляющему входу ФПУ 4.
Блок обработки сигналов 6 содержит АЦП 10, вход которого является входом блока обработки сигналов 6, а выход подключен к входу схемы коррекции 11, выход которой является первым выходом блока обработки сигналов 6, вычислительное устройство 12, при этом вход вычислительного устройства 12 является синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, а выходы вычислительного устройства 12 подключены соответственно ко второму и третьему выходам блока обработки сигналов 6, к входам схемы коррекции 11 и ОЗУ 13. Схема коррекции 11 содержит множительное устройство и сумматор, при этом вход множительного устройства подключен к входу схемы коррекции И, выход множительного устройства подключен к входу сумматора, а выход сумматора к выходу схемы коррекции 11.
оп
u
u
оп
Промежуточное тепловизионное изображение наблюдаемого пространства, формируемое входным объективом 1, последовательно проецируется сканирующим устройством 2 и проекционным объективом 3 на линейки чувствительных элементов ФПУ 4. Аналоговый видеосигнал Un с ФПУ 4 поступает на блок сопряжения 5. Блок сопряжения 5 функционально представляет собой усилитель аналогового сигнала с вычитанием постоянной составляющей сигнала U. Постоянная составляющая сигнала, вызванная паразитными засветками от окружающих ФПУ 4 структур и от оптических элементов устройства, а также постоянной составляющей светового потока излучения от наблюдаемой сцены, имеет высокое значение по отношению к переменной составляющей, соответствующей деталям сцены. Часть этой постоянной составляющей одинакова для всех чувствительных элементов ФПУ 4, следовательно, ее вычитание, не снижая информативности сигнала, позволяет усилить полезную переменную составляющую до уровня входного диапазона АЦП 10. Величина коэффициента усиления аналогового сигнала K в блоке сопряжения 5 устанавливается исходя из температурной неравномерности ожидаемой сцены и диапазона разброса характеристик чувствительных элементов ФПУ 4. Чем больше неравномерность ожидаемой сцены и диапазон разброса характеристик чувствительных элементов ФПУ 4, тем меньше значение коэффициента усиления аналогового сигнала K в блоке сопряжения 5. Величина U соответствует значению середины наиболее линейного участка кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4, например, в частном случае, середине динамического диапазона выходного сигнала ФПУ 4.
n
При изменении внешних условий, например, при резкой смене температурной обстановки устройства или изменении уровня теплового фона наблюдаемой сцены, уровень постоянной составляющей сигнала изменится, что может вызвать выход усиленного в блоке сопряжения сигнала U за границы входного диапазона АЦП 10 и, как следствие, потерю тепловизионного изображения. Более значительные изменения потоков излучения вызовут, кроме того, выход сигнала за границы рабочего диапазона сигналов ФПУ 4.
n
n
н
н
n
лин
oп
лин
n
С целью исключения возможности появления такой ситуации в устройство формирования изображения дополнительно введена схема управления 9 режимом работы ФПУ 4. В зависимости от диапазона значений последовательного потока данных X, сформированных АЦП 10 в ответ на аналоговую выборку U, схема управления 9 режимом работы ФПУ 4 посредством управления значением времени накопления сигнала Т и величиной накопительных емкостей С каналов ФПУ 4 устанавливает режим работы ФПУ 4 таким образом, что вся выборка значений аналогового сигнала U находится в наиболее линейном участке Д кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4. В рассматриваемом случае, когда Uсоответствует середине наиболее линейного участка Д кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4, диапазон значений последовательного потока данных U может быть установлен в соответствии с формулой:
n
on
ацп
и
U=U±U\2K,
n
где U - значение напряжения последовательной аналоговой выборки сигнала с ФПУ 4 в момент времени n;
oп
U - значение опорного напряжения на отрицательном входе усилителя блока сопряжения 5;
aцп
U - величина входного диапазона АЦП 10;
u
K - коэффициент усиления аналогового сигнала в блоке сопряжения 5.
н
н
1
1
лин
2
3
1
лин
2
3
2
н
н
3
н
н
2
3
лин
2
3
н
n
н
2
н
н
н
н
н
н
На фиг.2 показан график А кривой отклика одного чувствительного элемента ФПУ 4 при определенных значениях времени накопления сигнала Т и величины накопительной емкости С. Поток излучения со значением Ф1 в пределах динамического диапазона Д вызывает отклик чувствительного элемента ФПУ 4 величиной U, который находится в пределах наиболее линейного участка Д. При изменении величины потока и выходе его значения Ф или Ф за пределы динамического диапазона излучения Дпоследует смещение значений откликов чувствительного элемента ФПУ 4 за пределы наиболее линейного участка Д точки U и U. При увеличении значения потока излучения, точка Ф, схема управления 9 режимом работы ФПУ 4 с помощью управляющего сигнала сокращает время накопления сигнала Т или увеличивает величину накопительной емкости С канала ФПУ 4, а при уменьшении значения потока излучения, точка Ф, увеличивает время накопления сигнала Т или уменьшает величину накопительной емкости С канала ФПУ 4. В первом случае полученному режиму работы ФПУ 4 соответствует график В, во втором график С. В результате, значения откликов U или U чувствительного элемента ФПУ 4 возвращаются на наиболее линейный участок Д, точки U' и U'. Изменение величины емкости накопления С обеспечивает грубую установку уровня выходного сигнала U, а изменение времени накопления Т - более точную. Д - суммарный динамический диапазон значений потока излучения при изменении Т или С. Таким образом, при управлении значением времени накопления сигнала Т и величиной накопительных емкостей С каналов ФПУ 4 обеспечивается более широкий динамический диапазон значений потока излучения Ф, чем при С=const, Т=const.
n
п
Усиленный видеосигнал поступает на АЦП 10 блока обработки сигналов 6 преобразуется в последовательную цифровую выборку X и поступает на вход схемы коррекции 11. Схема коррекции 11 осуществляет линейную аппроксимацию входного сигнала Х по формуле:
'
n
n
n
n
X =AX+B,
п
где Х - значение выборки сигнала порядка n на выходе АЦП 10 блока обработки сигналов 6;
n
n
A и B - набор коэффициентов коррекции;
'
n
X  - значение выборки сигнала на выходе устройства формирования изображения.
n
n
n
n
лин
Коэффициенты A и B считываются в темпе поступления входного сигнала из ОЗУ 13, куда предварительно записываются вычислительным устройством 12. Коэффициенты A и B рассчитываются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ 4 на экспонирование различными по величине потоками от опорного источника излучения 7 и направляемыми сканирующим устройством 2 на ФПУ 4 за пределами угла сканирования пространства предметов. Величина потока от источника опорного излучения задается вычислительным устройством 12 в пределах диапазона значений потока излучения от наблюдаемой сцены. В этом случае не всегда удается обеспечить требуемую величину потоков от опорного источника 7. Погрешность коррекции сигнала в ситуации, когда величина потока излучения от наблюдаемой сцены находится вне диапазона, ограниченного значениями потоков от источника опорного излучения 7, появляется либо кратковременно, пока источник опорного излучения 7 не успевает отработать резкие изменения температуры наблюдаемой сцены, либо присутствует постоянно, когда источник опорного излучения 7 не может обеспечить требуемого значения потока излучения. Эта погрешность вызвана нелинейностью кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4. Ее величина тем больше, чем сильнее отличаются значения потока излучения от наблюдаемой сцены и потока от опорного источника излучения 7, и чем дальше находятся их значения от линейного участка Д кривой откликов чувствительных элементов ФПУ 4.
лин
Смещение значений откликов чувствительных элементов ФПУ 4 в наиболее линейный участок Д снижает величину погрешности коррекции сигнала.
Схема синхронизации 8 задает последовательность работы устройств и согласует по времени угол разворота зеркала сканирующего устройства 2 с процессом накопления и считывания сигнала в ФПУ 4.
Таким образом, обеспечивается функционирование устройства формирования изображения с минимальной погрешностью коррекции сигнала в широком диапазоне изменения температур как самого устройства, так и наблюдаемой сцены, при условии максимального температурного разрешения.