УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE FORMING APPARATUS

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в тепловизионных устройствах, имеющих в качестве детектора инфракрасного излучения субматрицу фоточувствительных элементов.
Известно 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 систему, сканирующее устройство и субматричное фотоприемное устройство (ФПУ) со схемами накопления и считывания сигнала, выходы которого подключены к соответствующим входам блока обработки сигналов, один из выходов блока обработки сигналов подключен к регулируемым источникам опорного излучения, оптически сопряженным через сканирующее устройство с ФПУ, и схему синхронизации работы системы, включенную между сканирующим устройством и блоком обработки сигналов. Блок обработки сигналов для осуществления коррекции содержит в своем составе последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фильтр, множительное устройство, сумматор, а также вычислительное устройство, средства селекции и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Недостатками в работе устройства формирования изображения с коррекцией сигналов являются небольшой температурный диапазон наблюдаемой сцены, ограниченный областью вблизи значений потоков излучения от опорных источников, невысокая скорость отработки устройством резкой смены температурной обстановки наблюдаемой сцены и необходимость учета факторов, влияющих на величину видеосигнала, при выборе средствами селекции необходимого набора коэффициентов коррекции. Кроме того, при эксплуатации устройства в широком температурном диапазоне бывает недостаточно фиксированных значений времени накопления сигнала и величины накопительных емкостей каналов ФПУ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство формирования изображения (см. патент России №2407213, м. кл. H04N 5/33, опубл. 20.12. 2010 г.), содержащее последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив, сканирующее устройство, проекционный объектив и ФПУ, выход которого электрически соединен через блок сопряжения с входом блока 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 ФПУ, а также схему синхронизации, включенную между сканирующим устройством и синхронизирующим входом блока обработки сигналов, и схему управления режимом работы ФПУ, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов, а выход к управляющему входу ФПУ.
Коэффициенты коррекции в этом устройстве вычисляются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ на экспонирование двумя различными по величине потоками, значения которых выбираются в динамическом диапазоне сигналов от наблюдаемой устройством сцены. Данные потоки формируются источником опорного излучения в соответствии с сигналом управления от вычислительного устройства. Схема управления режимом работы ФПУ изменяет с помощью управляющего сигнала время накопления сигнала и величину накопительной емкости канала ФПУ, смещая выборку значений аналогового видеосигнала в наиболее линейный участок кривых отклика чувствительных элементов.
Недостатком в работе устройства формирования изображения является сложность обеспечения требуемого значения потока от источника опорного излучения во всех условиях эксплуатации. При работе данного устройства в широком диапазоне окружающих температур возможна ситуация, когда значения потоков от источников опорного излучения не могут быть установлены в пределах диапазона значений потоков от наблюдаемой сцены. В этом случае возрастает погрешность коррекции выходного сигнала. Эта погрешность обусловлена нелинейностью кривых отклика чувствительных элементов ФПУ. Величина погрешности пропорциональна разности потоков от источника опорного излучения и наблюдаемой сценой.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение погрешности выходного сигнала при эксплуатации устройства формировании изображения в условиях, когда не может быть обеспечена необходимая величина потока опорного излучения.
Это достигается тем, что в устройство формирования изображения, содержащее последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив, сканирующее устройство, проекционный объектив и фотоприемное устройство, выход которого соединен через блок сопряжения с входом блока 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, а также схему синхронизации, включенную между сканирующим устройством и синхронизирующим входом блока обработки сигналов, и схему управления режимом работы фотоприемного устройства, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов, а выход к управляющему входу фотоприемного устройства, дополнительно введен блок управления алгоритмом коррекции, который контролирует величину и динамику изменения сигнала управления источником опорного излучения, при этом его вход подключен ко второму выходу блока обработки сигналов, а выход к третьему входу блока обработки сигналов, являющемуся входом вычислительного устройства, а блок обработки сигналов содержит АЦП, вход которого является входом блока обработки сигналов, выходом подключенный к первому входу схемы коррекции, выход которой является первым выходом блока обработки сигналов, вычислительное устройство, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока обработки сигналов, а соответствующие выходы вычислительного устройства подключены ко второму и третьему входам блока обработки сигналов.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства формирования изображения.
n
На фиг.2 показаны графики погрешности выходного сигнала X', поясняющие результат применения блока управления алгоритмом коррекции.
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 соединен через блок сопряжения 5 с входом блока обработки сигналов 6, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, а второй выход 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, включенную между сканирующим устройством 2 и синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, и схему управления 9 режимом работы ФПУ 4, подключенную входом к третьему выходу блока обработки сигналов 6, а выходом к управляющему входу ФПУ 4.
Блок обработки сигналов 6 содержит АЦП 10, вход которого является входом блока обработки сигналов 6, выходом подключенный к первому входу схемы коррекции 11, представляющей собой последовательно включенные умножитель и сумматор, выход которой является первым выходом блока обработки сигналов 6, вычислительное устройство 12, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, а соответствующие выходы вычислительного устройства 12 подключены ко второму и третьему входам блока обработки сигналов 6, ко второму и третьему входам схемы коррекции 11, являющимся вторыми входами умножителя и сумматора схемы коррекции 11 и порту ввода-вывода оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 13. Вход блока управления алгоритмом коррекции 14 подключен ко второму выходу блока обработки сигналов 6, а выход к третьему входу блока обработки сигналов, являющемуся входом вычислительного устройства 12. Блок управления алгоритмом коррекции 14 может быть реализован в виде программного модуля, выполняющего функции компаратора.
оп
u
оп
Устройство формирования изображения работает следующим образом. Промежуточное тепловизионное изображение наблюдаемого пространства, формируемое входным объективом 1, проецируется сканирующим устройством 2 и проекционным объективом 3 на линейки чувствительных элементов ФПУ 4. ФПУ 4 преобразует падающие на линейки потоки излучения в последовательную аналоговую выборку. Полученный видеосигнал Un с ФПУ 4 поступает на вход блока сопряжения 5. Блок сопряжения 5 вычитает постоянную составляющую сигнала U из входного видеосигнала Un и усиливает результирующий сигнал. Вычитание постоянной составляющей видеосигнала, вызванной паразитными засветками от окружающих ФПУ 4 структур и постоянной составляющей светового потока излучения от наблюдаемой сцены, позволяет максимально 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 ширины диапазона разброса характеристик чувствительных элементов ФПУ 4. Значение U находится в середине наиболее линейного участка кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4.
n
н
н
n
При изменении температурных условий эксплуатации устройства уровень постоянной составляющей видеосигнала смещается, что может привести сначала к увеличению погрешности в выходном сигнале, а затем к потере тепловизионного изображения. В этом случае схема управления 9 режимом работы ФПУ 4, анализируя диапазон значений сигналов последовательной выборки X, изменяет длительность накопления сигнала T и величину накопительных емкостей C ФПУ 4 таким образом, что значение аналогового видеосигнала U стремится к середине наиболее линейного участка кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4.
n
n
Видеосигнал с блока сопряжения 5 поступает на АЦП 10 блока обработки сигналов 6, где преобразуется в последовательную цифровую выборку X и поступает на вход схемы коррекции 11. Схема коррекции 11 осуществляет линейную аппроксимацию входного сигнала X по формуле:
n
n
n
n
X'=AX+B,
n
где X - значение выборки сигнала порядка n на выходе АЦП 10 блока обработки сигналов 6;
n
n
A и B - набор коэффициентов коррекции неоднородности чувствительных элементов ФПУ 4;
n
X' - значение выборки сигнала на выходе устройства формирования изображения.
n
n
n
n
n
Коэффициенты A и B считываются в темпе поступления входного сигнала из ОЗУ 13, куда предварительно записываются вычислительным устройством 12. Их значения определяются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ 4 на экспонирование различными по величине потоками от опорного источника излучения 7, направляемыми сканирующим устройством 2 на ФПУ 4 за пределами угла сканирования наблюдаемой сцены. Величина потока от источника опорного излучения 7 задается вычислительным устройством 12 в пределах диапазона значений потока излучения от наблюдаемой сцены. При эксплуатации устройства в различных температурных условиях погрешность коррекции сигнала ΔX', 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. В последнем случае данные для определения коэффициентов коррекции B могут быть получены без использования опорного излучения на основе среднего значения отклика каждого чувствительного элемента ФПУ 4 в зоне сканирования наблюдаемой сцены или ее части. Коэффициенты A могут быть вычислены в соответствии с исходным алгоритмом коррекции. Недостатком в работе данного алгоритма будет являться наличие остаточной погрешности выходного сигнала, вызванной температурной неравномерностью наблюдаемой сцены. При сканировании равномерной или быстро изменяющейся наблюдаемой сцены погрешность выходного сигнала будет минимальна.
n
1
2
n
3
На фиг.2 показаны графики погрешностей выходного сигнала ΔX' в зависимости от входных потоков излучения Φ при использовании в алгоритме коррекции данных, полученных при экспонировании ФПУ 4 различными по величине потоками Φ и Φ от опорных источников излучения 7 (кривая А) и полученных при сканировании наблюдаемой сцены (кривая В). Погрешность выходного сигнала ΔX' тем больше, чем сильнее отличаются значения потоков излучения от наблюдаемой сцены и от опорных источников излучения 7. В ситуации, когда входной поток излучения равен Φ и устройство не может обеспечить необходимую величину потоков опорного излучения, использование данных, полученных при сканировании наблюдаемой сцены, снижает погрешность коррекции
nΦ3а
nΦ3в
ΔX'до ΔX'.
n
n
При изменении температурных условий эксплуатации устройства изменяется формируемый вычислительным устройством 12 сигнал управления источником опорного излучения 7, таким образом, что значения опорных потоков излучения стремятся в диапазон значений потоков излучения от наблюдаемой сцены. Блок управления алгоритмом коррекции 14 контролирует величину и динамику изменения сигнала управления источником опорного излучения 7. Если данный сигнал в течение длительного времени находится вне заданного диапазона значений, это означает, что источник опорного излучения не может достичь требуемой величины потока. Диапазон значений сигнала управления источником опорного излучения 7 задается в соответствии с допустимой величиной погрешности выходного сигнала X'. В результате блок управления алгоритмом коррекции 14 подает команду на вычислительное устройство 12, которое переходит в режим определения коэффициентов коррекции B на основе данных, полученных при сканировании наблюдаемой сцены. Если сигнал управления источником опорного излучения 7 возвратится в заданный диапазон значений, вычислительное устройство 12 по обратной команде перейдет в первоначальный режим с использованием данных, полученных при экспонировании ФПУ 4 различными по величине потоками опорного излучения.
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 снижается погрешность выходного сигнала при эксплуатации устройства формирования изображения в широком диапазоне окружающих температур, когда не может быть обеспечена необходимая величина потока опорного излучения в пределах диапазона значений потока излучения от наблюдаемой сцены.