Проблемы и способы формирования тепловизионного изображения

3. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е., Третьяков С.В. Структурное программирование системы моделирования на базе МВС// Сб.трудов университета Южной Каролины, США, 1998.

4. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е., Третьяков С.В. Структурное программирование для систем моделирования// Серия ОТ. Таганрог, 1998. № 1.

5. Резников В.Б. Высокопроизводительный вычислительный комплекс для моделирования сложных систем// Сб. работ лауреатов конкурса молодых ученых «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники». Ростов-на-Дону, 2002.

6. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е, Резников В.Б. Исследование систем стабилизации на системе структурного моделирования// Тез. докладов VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Москва, 2002.

7. Золотовский В.Е., Резников В.Б. Исследование систем стабилизации на структурных моделях// Известия ТРТУ. Таганрог: 2002. № 2(25).

8. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Визуальное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Мир и Семья & Интерлайн, 2000.

9. Зенкин A.A. Когнитивная компьютерная графика. М.: Наука, 1991.

10. Гришин В.Г. Образный анализ экспериментальных данных. М.: Наука. 1982.

11. Петерсон М. Эффективная работа в 3D Studio Max. СПб.: Питер, 1997.

12. Гузик В.Ф., Золотовский В.Е., Переверзев В. А., Резников В.Б. Среда построения трехмерных ландшафтов для системы моделирования распространения гидроакустического сигнала// Тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов “Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании” (НИТ-2001). Рязань, 2001.

13. Шишкин А.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. М.: Диалог-МИФИ, 1998.

М.Г.Кадочников, А.В.Кириченко

ПРОБЛЕМЫ И СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ

Проблемы инфракрасной техники, и в частности тепловидения, привлекают всё возрастающее внимание специалистов, разрабатывающих и применяющих различные оптико-электронные системы и их элементы в науке и технике.

Для восприятия и обработки теплового излучения (ИК-излучение) разрабатываются специальные системы - оптические следящие системы (ОСС).

Типовая структура ОСС [1], предназначенная для автоматического и стационарного сопровождения подвижных пространственных объектов (целей) по их излучению, представлена на рис. 1.

Рис. 1

Здесь: 1 - цель; 2 - телескоп (оптический модуль); 3 - подвижная платформа; 4 -приёмник и усилитель-преобразователь (детектор); 5 - выходной сигнал приёмной части системы; 6 - электронный блок СС; 7 - сигнал рассогласования СС; 8 - блок сервоприводов устройства наведения и стабилизации наведения; 9 - механическая передача.

В данной работе рассматриваются способы формирования тепловизионного изображения и определяется оптимальный способ формирования изображения, используемого при проектировании электронных средств обработки тепловизионного изображения.

Способы формирования ТВИ

В зависимости от применения оптической системы в ней используются соответствующие методы формирования изображения [1, 2]:

- оптико-механические устройства;

- растровое формирование;

- сканирование по средствам из систем фоточувствительных элементов (ФЧЭ).

Оптико-механические устройства

Оптико-механические устройства [2] для отклонения пучков излучения действуют, как оптические отклоняющие системы и могут работать в параллельном или сходящемся пучке. Существует ряд способов, используемых для осуществления анализа по строке, т. е. для получения строчной развертки. Рассмотрим некоторые из них, хотя приведенный список не является исчерпывающим, так как можно представить очень много разнообразных систем отклонения оптических пучков. а). Вращение всей системы

Речь идет о вращении системы, состоящей из оптики и приёмника. Вращение происходит вокруг оси, перпендикулярной оптической оси и линии сканирования. При таком способе угловая скорость развертки равна угловой скорости вращения системы. Данный способ не позволяет получить высоких скоростей развертки из-за значительной инерции механической части устройства. Тем не менее, с помощью этого метода легко получить обзор на 360° путем полного оборота системы, однако необходим вращающийся коллектор для вывода информации с вращающейся головки. На конечных расстояниях сканируемое пространство объектов имеет цилиндрическую форму.

Рис. 2 а

б). Колебания плоского зеркала

Ось вращения проходит через точку падения пучка лучей. Вращение плоского зеркала вызывает отклонение отраженного пучка лучей, причём угловая скорость сканирования вдвое больше скорости вращения зеркала. Если вращение плоскости зеркала в описанных условиях не создает никаких проблем при отклонении параллельных пучков, то при работе системы в сходящихся пучках сканирование по полю связано с расфокусировкой изображения.

в). Вращение зеркального барабана-многогранника

Непрерывное вращение призматической системы с зеркальными гранями позволяет получить высокие скорости сканирования, ограничиваемые, однако, центробежными силами. Получается пилообразная развертка, т. е. после того, как просканирована строка, возврат в исходное положение происходит практически мгновенно. Ось вращения зеркальных граней не проходит через точку падения пучка. Поэтому на отклонение среднего луча накладывается поступательное перемещение (эффект второго порядка). Это перемещение приводит к расфокусировке в сходящемся пучке. Поэтому системы такого типа лучше использовать в параллельном пучке.

Рис. 2 в

При надлежащем выборе небольшого наклона каждой грани к оси вращения можно осуществить перекрытие строк или чересстрочную развертку.

г). Вращение многогранной преломляющей призмы

Эта преломляющая призма — правильный многогранник с четным числом плоских граней. Каждая пара противолежащих граней образует плоскопараллельную пластину. Если центр призмы совпадает с создаваемым оптической системой изображением центра поля, то можно вычислить поперечное смещение изображения центра поля в функции угла поворота призмы.

д). Вращение барабана с объективами

Это довольно старый способ, позволяющий осуществлять механический анализ при непрерывном вращении; недостаток его заключается в том, что пучки лучей из пространства объектов падают на приёмник под различными углами. Иными словами, на приёмник постоянно наряду с полезным потоком поступает паразитный поток от самой системы. Наконец, реакция приёмника, зависящая от угла падения пучка, не будет постоянной при сканировании однородной по яркости строки.

Рис. 2 г ,д

е). Вращающиеся оптические клинья

Излучение последовательно проходит через два оптических клина. Общее отклонение пучка зависит от угла при вершине клина, эквивалентного данной паре клиньев. Этот эквивалентный угол при вершине зависит от поворота клиньев относительно друг друга вокруг оптической оси падающего пучка.

Такая система вносит очень большие геометрические аберрации при работе в сходящемся пучке, поэтому её используют главным образом в параллельном пучке. К тому же систему необходимо ахроматизировать, чтобы устранить дисперсию отклонения в широкой спектральной области. В зависимости от выбора геометрических и кинематических параметров (углы при вершинах клиньев, показатели преломления, скорости вращения) можно получить самые разнообразные виды развертки (строчную, эллиптическую, спиральную, по сложной кривой и т. п.).

ж). Линейчатый многоэлементный приёмник

Чувствительные элементы этого приёмника вытянуты в линию. Имеется столько же элементарных полей, сколько чувствительных элементов приёмника. Чтобы не было промежутков между элементами в линейке, их располагают в два ряда в шахматном порядке. Анализ строки производится электронными средствами. Сигнал считывают с каждого элемента, внося в случае необходимости поправку, учитывающую пространственный сдвиг между элементами в чётном и нечётном рядах.

Преимущество этого метода строчной развертки состоит в том, что не требуется механического сканирования, однако применение многоэлементного приёмника сопря-

жено с дополнительными расходами, особенно когда число элементарных точек в строке велико.

Электрические

выводы

зрения

Рис. 2,е Растровое формирование

1. Вращающийся растр [1]

Сам растр представляет собой диск, состоящий из прозрачных и непрозрачных зон, размер каждой из которых, по крайней мере, не меньше размера изображения точечной цели на большей части растра. Вблизи центра растра это желательное соотношение размеров сохранить невозможно. Вращение растра генерирует сигнал переменного тока (несущую), с помощью которого осуществляется модуляция светового потока изображения цели. Конфигурация растра должна быть асимметричной настолько, чтобы положение цели однозначно кодировалось модуляцией сигнала приёмника. Минимальная информация, необходимая для слежения, должна содержать полярный угол цели, т. е. направление на цель от центра поля зрения. Кроме того, желательно иметь сигнал, указывающий на радиус смещения цели относительно центра поля зрения.

Примеры вращающихся растров представлены на рис.2. Исходным является растр типа «восходящее солнце» (рис.3, а), состоящий из двух секторов, каждый из которых обычно занимает половину растра. При этом один из секторов воспринимает цель, а другой обеспечивает фазирование. Этот тип не дает информации о радиусе цели, если не считать центральной зоны, где изображение цели накладывается более чем на один прозрачный лепесток и амплитуда сигнала уменьшается по мере приближения изображения к центру.

Многочастотный растр (рис. 3, б) обеспечивает получение данных об углах в полярной системе координат и о радиусе смещения положения цели. Он является развитием растра типа «восходящее солнце» путем разделения сектора цели на несколько полуколец, каждое из которых содержит различное количество прозрачных и непрозрачных зон. Такая конфигурация обеспечивает переменное количество импульсов в пачке, зависящее от радиуса смещения цели. Информацию о радиусе можно извлечь с помощью каскада полосовых фильтров, определив, в каком полукольце находится цель. Такой подход обеспечивает повышенное разрешение по множественным целям, если их радиальное положение соответствует различным полукольцам сектора.

В растре, использующем частотную модуляцию (рис. 3, в), имеется N пар прозрачных и непрозрачных зон, ширина которых изменяется по окружности диска. По мере вращения диска генерируется сигнал, модулированный по частоте. Несущая частота в N раз превышает частоту вращения растра, и показатель модуляции определяется количеством изменений в ширине зон. Фаза модуляции соответствует полярному углу цели.

Так же как и в случае с растром типа «восходящее солнце», информация о радиусе смещения цели в сигнале не содержится.

Сектор, воспринимающий цель Прозрачна Непрозрачна

Полупрозрачна

Рис. 3

Здесь: а - растр типа «восходящее солнце» с амплитудной модуляцией; б - растр с многочастотной модуляцией; г - растр с частотной модуляцией (полупрозрачная зона, или фазирующий сектор, имеет пропускание 50%).

я зона

я зона

б

в

а

я зона

2. Неподвижный растр [1]

В системах с неподвижными растрами применяются растры самых различных конструкций, разработанные для конкретных применений.

На рис. 4, а представлен образец, наиболее распространённый, неподвижного растра тип «вагонное колесо». Растр состоит из N пар прозрачных и непрозрачных зон. В данном случае используется нутационное сканирование, при котором изображение, полученное от точечного источника, движется по окружности с постоянным радиусом и частотой сканирования. Центр окружности соответствует положению цели в центре поля зрения. При смещении цели нутационная окружность концентрична растру.

На рис. 4, б и в представлены растры с протяжённым полем слежения и растр типа «улитка» соответственно. Принцип отслеживания точечной цели такими системами аналогичен принципу работы системы с растром типа «вагонное колесо».

а б в

Рис. 4

Здесь: а - растр типа «вагонное колесо»; б - растр с протяжённым полем слежения; в - растр типа «улитка»

Сканирование по средствам систем ФЧЭ

1. Розеточная форма сканирования [1]

Розеточные системы - следящие системы с одним фотоприёмником, форма сканирования которого напоминает розетку с несколькими лепестками или петлями, исходящими из общего центра. Траектория (форма) сканирования (развёртка) отражает путь, пройденный проекцией центра мгновенного поля зрения приёмника на пространство объекта. Реализация розеточного сканирования легко достигается с помощью двух оптических элементов, вращающихся в противоположных направлениях, каждый из которых отклоняет падающие лучи на один и тот же угол. Отклонение может выполняться

оптическими клиньями (призмами), наклонными зеркалами, децентрированными линзами. Простота построения розеточных сканирующих устройств способствует их широкому использованию в следящих системах. На рис. 5 представлен пример замкнутой розетки. При работе сканирующего устройства важны такие свойства розеток, как количество лепестков (петель), ширина лепестка и количество взаимных наложений у смежных лепестков.

2. Крестообразная приёмная матрица [1]

На рис. 6 приведена структура приёмной матрицы, состоящей из четырех крестообразно расположенных прямоугольных ФЧЭ. Приёмная матрица устанавливается в плоскости изображения телескопа. В данном случае используется коническое или нутационное сканирование, при котором изображение каждой точки, находящейся в поле зрения, описывает окружность с угловым радиусом Л№ называемым радиусом нутации. Обычно Ди несколько меньше радиуса приёмной матрицы Я-С). Центр нутационной окружности соответствует расположению точечного источника сигнала по отношению к оптической оси приёмника. Как видно из рис. 6, проекция протяжённого (отличного от точечного) изображения цели не вращается вокруг своей оси и его пространственная ориентация поддерживается неизменной на протяжении всего цикла сканирования. Каждый ФЧ-элемент приёмника генерирует отдельный сигнал, пропорциональный ИК-энергии, падающей на его светочувствительную поверхность в данный момент времени.

Рис. 6

3. Вращающаяся линейная приёмная матрица [1]

Как видно из рис. 7, все ФЧЭ расположены в линию. Оптическое сканирование вынуждает изображение цели в поле зрения приёмника вращаться вокруг его центра таким образом, чтобы мгновенное поле зрения каждого ФЧЭ покрывало кольцевое пространство. Вращающееся сканирование может быть реализовано с помощью призмы Дове или зеркальной призмы-крыши. В любом случае изображение вращается со скоростью, вдвое превышающей скорость вращения сканирующего устройства.

Из рассмотренных способов формирования изображения наиболее перспективным является способ сканирования по средствам систем из фоточувствительных элементов. С помощью этого способа можно более гибко подходить к вопросу проектирования электронных средств обработки тепловизионного изображения, позволяет расширить, в свою очередь, область применения таких систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Справочник по ИК-технике/ Ред. У. Вольф, Г. Цисс. М.: Мир, 1995.

2. ГоссоргЖ. Инфракрасная термография.

И.П. Мирошниченко, В.И. Мирошниченко, А.Ю. Сухоруков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННО-ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Проведены сравнительные экспериментальные исследования особенностей интерференционно-голографических измерителей малых перемещений поверхностей объектов испытаний при различных видах светоделителей, в качестве которых использовались оптические элементы, изготовленные из пластинок фотографических высокоразрешающих для голограмм типа ПФГ-03М.

Целью исследований являлась оценка функциональных и метрологических характеристик отмеченных измерителей.

При испытаниях использовалась типовая схема измерения малых перемещений. Воспроизведение заданного перемещения поверхности объекта при проведении исследований моделировалось путем поэтапного изменения напряжения на входе пьезоэлемента, на торцевой поверхности которого был жестко закреплен отражатель. В этом случае пьезоэлемент и отражатель выступали в качестве поверхности объекта испытаний.

На каждом из этапов регистрировалось изображение интерференционной картины (интерферограмма), вид которой соответствовал определенному значению перемещения отражателя, соответствующего фиксированному значению напряжения, подаваемого на пьезоэлемент.