ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КАНАЛ
HEAT IMAGING CHANNEL

Заявляемое изобретение относится к области тепловидения и может быть использовано в тепловизионных приборах на матричных фотоприемных устройствах, предназначенных для наблюдения объектов в инфракрасной области спектра
Известен тепловизионный канал (патент США №US5118943, кл. G01N 21/88, H04N 5/33, опубл. 02.06.1992 г.), содержащий оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположено матричное фотоприемное устройство (МФУ), выходы которого подключены к устройству суммирования аналоговых сигналов с фотоприемника и аналоговой коррекции неоднородности чувствительности элементов фотоприемника, содержащего цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выход устройства суммирования соединен с входом аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Цифровой сигнал с АЦП поступает в устройство цифровой обработки сигналов, затем в формирователь телевизионного изображения.
Известен тепловизионный канал (Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколения./Специальная техника, 2001, №6, с.16-21), содержащий инфракрасный объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходы которого через предусилители подключены к соответствующим входам аналогового мультиплексора, выход которого соединен с последовательно включенными аналоговым корректором неоднородности чувствительности элементов МФУ, аналого-цифровым преобразователем, цифровым корректором неоднородности чувствительности элементов МФУ, корректором дефектных элементов МФУ и видеопроцессором, осуществляющим формирование изображения с микропроцессорной обработкой видеосигнала, при этом выход видеопроцессора подключен к блоку вывода видеосигнала, а также тактовый генератор (блок управления МФУ), выходы которого подключены к управляющим входам МФУ, аналогового корректора неоднородности чувствительности элементов МФУ, аналого-цифрового преобразователя и корректора дефектных элементов МФУ.
Известен тепловизионный канал (патент РФ №79002, H04N 5/33, опубликован 10.12.2008 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходы которого подключены к входам соответствующих предусилителей, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, входы которого подключены к выходам соответствующих предусилителей, мультиплексор, видеопроцессор и блок вывода видеосигнала, а также блок управления, выход которого подключен к управляющему входу матричного фотоприемного устройства, управляющий выход видеопроцессора подключен к управляющему входу мультиплексора и входу блока управления.
Недостатком указанных устройств является невысокая надежность обнаружения тепловых объектов, вызванная ограниченностью согласования динамического диапазона изменения электрического сигнала с МФУ, соответствующего пространственному и временному распределению теплового контраста излучения наблюдаемой сцены, с допустимым входным диапазоном АЦП при изменении условий наблюдения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности обнаружения тепловых объектов путем согласования динамического диапазона изменения электрического сигнала с МФУ, соответствующего пространственному и временному распределению теплового контраста излучения наблюдаемой сцены, с допустимым входным диапазоном АЦП в зависимости от изменения условий наблюдения.
Поставленная задача решается тем, что в тепловизионном канале, содержащем объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходы которого подключены к соответствующим входам многоканального предусилителя, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, видеопроцессор и блок вывода видеосигнала, а также первый блок управления, включенный между управляющим входом матричного фотоприемного устройства и первым управляющим выходом видеопроцессора, второй управляющий выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора, дополнительно введены многоканальный дифференциальный усилитель, включенный между многоканальным предусилителем и аналого-цифровым преобразователем, а также второй и третий блоки управления, при этом третий и четвертый управляющие выходы видеопроцессора через второй и третий блоки управления подключены к первому и второму управляющим входам многоканального дифференциального усилителя соответственно.
А также тем, что видеопроцессор выполнен с возможностью определения динамического диапазона изменения величины и среднего значения цифрового сигнала в двумерном массиве данных, соответствующем тепловизионному кадру.
На фиг.1 представлена блок-схема тепловизионного канала. Тепловизионный канал содержит инфракрасный объектив 1, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство (МФУ) 2, выходы которого подключены к соответствующим входам многоканального предусилителя (ПУ) 3, к выходам которого подключены соответствующие входы вновь введенного многоканального дифференциального усилителя (ДУ) 4, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, мультиплексор (МП) 6, видеопроцессор (ВП) 7 и блок вывода видеосигнала 8, а также первый блок управления 9, включенный между управляющим входом МФУ 2 и первым управляющим выходом видеопроцессора 7, второй управляющий выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора 6, второй блок управления 10, и третий блок управления 11, выходы многоканального ДУ 4 подключены к соответствующим входам АЦП 5, третий и четвертый управляющие выходы ВП 7 подключены к первому и второму управляющим входам многоканального ДУ 4 через второй блок управления 10 и третий блок управления 11 соответственно.
В первом блоке управления 9 осуществляется установка и формирование электрических сигналов управления МФУ (например, тактовая частота, время интегрирования, запуск времени интегрирования, управление параметрами МФУ по последовательному каналу, и т.д.). Второй блок управления 10 выполнен с возможностью управления напряжением смещения многоканального ДУ4. Третий блок управления 11 является блоком управления коэффициента усиления многоканального ДУ 4. ВП 7 выполнен с возможностью определения динамического диапазона изменения и среднего значения величины цифрового сигнала в двумерном массиве данных, соответствующем тепловизионному кадру. Видеопроцессор 7 может быть реализован на базе типового 32-разрядного процессора с тактовой частотой 720 МГц, работающего с числами с фиксированной точкой.
Тепловизионный канал работает в двух режимах: режиме настройки и режиме наблюдения. Переход в режим настройки из режима наблюдения осуществляется по внешней команде, а переход в режим наблюдения из режима настройки происходит автоматически.
В тепловизионном канале излучение наблюдаемой сцены преобразуется в электрический сигнал, содержащий постоянную компоненту, соответствующую тепловой фоновой составляющей, и переменную компоненту, соответствующую пространственному и временному распределению теплового контраста относительно фоновой компоненты.
В режиме наблюдения тепловизионный канал работает следующим образом.
Излучение наблюдаемой сцены с помощью инфракрасного объектива 1 фокусируется на чувствительные элементы МФУ 2. В течение времени интегрирования излучение наблюдаемой сцены накапливается на чувствительных элементах МФУ 2, затем электрические сигналы с МФУ 2 через многоканальный ПУ 3, многоканальный ДУ 4 и АЦП 5, поступают в мультиплексор 6, с выхода которого видеопроцессор 7 принимает последовательность цифровых сигналов двумерного массива данных, соответствующих тепловизионному кадру. В видеопроцессоре 7 определяется динамический диапазон изменения и среднее значение величины цифрового сигнала в двумерном массиве данных, соответствующем тепловизионному кадру, проводится цифровая коррекция двумерного массива цифровых данных кадра, включающая в себя коррекцию пространственной неравномерности чувствительности элементов МФУ 2 и замену дефектных пикселей (неработающих элементов МФУ 2), формируется цифровой видеокадр, проводится обработка цифрового видеокадра (яркость, контраст, наложение служебной информации и т.п.), затем, при необходимости, цифровой видеокадр преобразуется в стандартный видеокадр телевизионного формата, либо в цифровом виде через блок вывода видеосигнала 8 выводится на устройство вывода видеоинформации (например, экран монитора персонального компьютера). Коэффициент усиления и напряжение смещения многоканального ДУ 4 определяются исходя из динамического диапазона изменения и среднего значения величины цифрового сигнала в двумерном массиве данных, соответствующем тепловизионному кадру наблюдаемой сцены и условий наблюдения.
При изменении условий наблюдения (температурного контраста наблюдаемой сцены, характеристик наблюдаемых объектов, их дальности и т.п.), изменяется интенсивность принимаемого МФУ 2 излучения, что может вызвать выход усиленного многоканальным ДУ 4 сигнала за границы входного диапазона АЦП 5 и, как следствие, потерю или ухудшение тепловизионного изображения, например, в случае наблюдения высококонтрастных тепловых объектов на высокотемпературном фоне. Если интенсивность принимаемого излучения резко уменьшается, например, в случае наблюдения малоконтрастных объектов на низкотемпературном фоне, объектов, находящихся на больших дальностях и т.п., сигнал с многоканального ДУ 4 будет находиться в границах входного диапазона АЦП, но динамический диапазон изменения этого сигнала будет значительно меньше входного диапазона АЦП 5. В этом случае в ВП 7 не произойдет разделение сигналов, соответствующих объекту и фону, т.е. не будет обеспечено обнаружение теплового объекта. Это означает, что для данных условий наблюдения динамический диапазон изменения цифрового сигнала двумерного массива данных не соответствует оптимальному согласованию диапазона изменения электрического сигнала с выхода многоканального ДУ 4 с входным диапазоном АЦП 5. В этом случае ВП 7 формирует запрос на переход в режим настройки.
В режиме настройки излучение наблюдаемой сцены с помощью инфракрасного объектива 1 фокусируется на чувствительные элементы МФУ 2 и в течение заданного времени интегрирования накапливается на чувствительных элементах МФУ 2, затем электрические сигналы с МФУ 2 через многоканальный ПУ 3, многоканальный ДУ 4 и АЦП 5, поступают в мультиплексор 6, с выхода которого ВП 7 принимает последовательность цифровых сигналов двумерного массива данных, соответствующего тепловизионному кадру.
В ВП 7 определяется динамический диапазон изменения и среднее значение величины цифрового сигнала двумерного массива данных, соответствующего принятому тепловизионному кадру.
В случае несоответствия среднего значения величины цифрового сигнала заданному диапазону, величина которого определяется выполняемой задачей тепловизионного канала и условиями наблюдения, в ВП 7 рассчитывается необходимая величина напряжения смещения так, чтобы среднее значение уровня цифрового сигнала следующего тепловизионного кадра находилось в заданном цифровом диапазоне. Для этого с третьего управляющего выхода ВП 7 через второй блок управления 10 подается команда на первый управляющий вход многоканального ДУ 4 на изменение напряжения смещения в многоканальном ДУ 4, и в ВП 7 принимается цифровой массив данных следующего кадра, и вновь определяется динамический диапазон изменения и среднее значение величины цифрового сигнала.
При достижении заданного среднего значения цифрового сигнала в ВП 7 определяется соответствие динамического диапазона изменения цифрового сигнала допустимому входному динамическому диапазону АЦП 5.
В случае несоответствия динамического диапазона изменения цифрового сигнала двумерного массива данных и допустимого входного динамического диапазона АЦП 5, ВП 7 выдает команду на изменение коэффициента усиления в многоканальном ДУ 4.
Для этого сигнал с четвертого управляющего выхода ВП 7 поступает на вход третьего блока управления 11, с которого на второй управляющий вход многоканального ДУ 4 поступает рассчитанная по динамическому диапазону изменения цифрового сигнала команда на изменение коэффициента усиления, в ВП 7 принимается цифровой массив данных нового кадра, и вновь определяется динамический диапазон изменения и среднее значение величины цифрового сигнала.
В случае, когда в результате изменения напряжения смещения и коэффициента усиления ДУ 4, динамический диапазон изменения и среднее значение цифрового сигнала двумерного массива данных не попадает в заданный диапазон, меняется время интегрирования МФУ 2, задаваемое с первого управляющего выхода ВП 7 через блок управления 9, и повторяется операция по управлению напряжением смещения и изменению коэффициента усиления многоканального усилителя ДУ 4.
В случае, когда в результате изменения напряжения смещения и коэффициента усиления ДУ 4, динамический диапазон изменения и среднее значение цифрового сигнала двумерного массива данных попадает в заданный диапазон, обеспечивающий оптимальное согласование динамического диапазона изменения сигнала с многоканального ДУ 4 и входного динамического диапазона АЦП 5, тепловизионный канал автоматически переходит в режим наблюдения.
Указанные режимы работы тепловизионного канала позволяют с помощью видеопроцессора, дифференциального усилителя и блоков управления оптимально согласовать динамический диапазон выходного электрического сигнала с МФУ 2, соответствующего пространственному и временному распределению теплового контраста излучения наблюдаемой сцены, с допустимым входным диапазоном АЦП 5, что обеспечивает надежное обнаружение тепловых объектов при различных условиях наблюдения.