СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРОГРАММ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FORMING INTERFERENCE PATTERN SIGNAL AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах анализа интерферограмм, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования сигнала изображения интерферограмм [1], заключающийся в том, что световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта разделяют по двум направлениям и проецируют одновременно на первую и вторую мишени (фотоприемные секции) специализированной матрицы ПЗС, причем освещенность первой мишени по отношению к освещенности второй мишени устанавливают с коэффициентом K, выбираемым из неравенства 0<K<1, накапливают информационные заряды на мишенях матрицы ПЗС с периодом кадров (полукадров) (здесь и далее в описании заявляемого решения период кадров означает период следования кадров прогрессивной развертки, а период полукадров - период следования полей чересстрочной развертки), в интервале обратного хода кадровой развертки переносят информационные заряды из ячеек второй фотоприемной секции в ячейки секции памяти, а информационные заряды из ячеек первой фотоприемной секции - в освободившиеся ячейки второй фотоприемной секции, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок матрицы ПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала.
В прототипе решения непосредственно в фотоприемнике - матрице ПЗС с организацией «кадровый перенос», оперируя сигналами изображения в зарядовой форме, по методу рекурсивной фильтрации видеосигнала реализуют усреднение случайных колебаний оптического изображения объекта, вызванных, например, вибрациями. Интервал накопления задержанной составляющей выходного сигнала изображения однозвенного рекурсивного фильтра фиксирован и равен интервалу накопления прямой составляющей видеосигнала на выходе рекурсивного фильтра. Регулировка же степени фильтрации достигается только за счет управления размахом этой составляющей сигнала с коэффициентом K, который определяется коэффициентом ослабления освещенности для первой мишени матрицы ПЗС.
Недостатком прототипа [1] является невозможность по данному способу формирования сигнала изображения интерферограмм достичь управления степенью фильтрации в зависимости от времени накопления задержанной составляющей выходного сигнала изображения, что приводит к ограничению точности выполнения самой операции рекурсивной фильтрации.
Задача изобретения - повышение точности рекурсивной фильтрации в результате повышения отношения сигнал/шум выходного сигнала изображения интерферограмм путем дополнительного управления временем накопления задержанной составляющей этого видеосигнала.
Прототипом устройства предлагаемого изобретения следует считать устройство [2], содержащее последовательно расположенные и оптически связанные объектив и мишень датчика телевизионного сигнала, а также RS-триггер, селектор синхроимпульсов, счетчик-делитель, коммутатор, блок задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифро-аналогового преобразователя (ЦДЛ), причем выход «Видео» датчика подключен к входу блока задержки на кадр и соответственно к входу селектора синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя и коммутатора, управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом датчика и подключен к прямому выходу RS-триггера, второй управляющий вход датчика подключен к выходу коммутатора, S-вход RS-триггера является входом «Пуск», а R-вход RS-триггера - входом «Стоп» устройства прототипа.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе формирования сигнала изображения интерферограмм, заключающемся в том, что световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта проецируют на единственную мишень типовой матрицы ПЗС, согласно предлагаемому изобретению реализуют в фотоприемнике принудительно «длинное» и «короткое» накопление информационных зарядов в смежных кадрах (полукадрах), формируют на выходе фотоприемника мультиплексный видеосигнал, а на выходе датчика телевизионного сигнала - мультиплексный телевизионный сигнал, осуществляют задержку мультиплексного телевизионного сигнала на кадр (полукадр), а по наблюдаемому изображению выполняют взвешенное суммирование прямого и задержанного видеосигналов путем сложения прямого видеосигнала с единичным весовым коэффициентом K и задержанного видеосигнала с коэффициентом K, выбираемым из неравенства 0<K<1, и дополняют эту регулировку выбором оптимальной длительности «короткого» накопления в матрице ПЗС.
Поставленная задача в заявляемом устройстве формирования сигнала изображения интерферограмм, предназначенном для осуществления заявленного способа, решается тем, что в устройство прототипа, содержащее последовательно расположенные и оптически связанные объектив и мишень датчика телевизионного сигнала, а также RS-триггер, селектор синхроимпульсов, счетчик-делитель, коммутатор, блок задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных АЦП, ОЗУ и ЦАП, причем выход «Видео» датчика подключен к входу блока задержки на кадр и соответственно к входу селектора синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя и коммутатора, управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом датчика и подключен к прямому выходу RS-триггера, второй управляющий вход датчика подключен к выходу коммутатора, S-вход RS-триггера является входом «Пуск», а R-вход RS-триггера - входом «Стоп» устройства прототипа, введены последовательно соединенные аналоговый ключ и взвешивающий сумматор, при этом управляющий вход аналогового ключа подключен к прямому выходу RS-триггера, а информационный вход аналогового ключа - к выходу блока задержки на кадр (полукадр), вход которого подключен ко второму входу взвешивающего сумматора, выход «Видео» которого является выходом заявляемого устройства.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых признаков, а именно наличием следующих действий:
- принудительной реализацией в матрице ПЗС «длинного» и «короткого» накопления информационных зарядов в смежных кадрах (полукадрах);
- формированием на выходе фотоприемника мультиплексного видеосигнала, а на выходе датчика телевизионного сигнала - мультиплексного телевизионного сигнала;
- осуществлением задержки мультиплексного телевизионного сигнала на кадр (полукадр);
- выполнением регулировки взвешенного суммирования прямого и задержанного видеосигналов;
- выполнением регулировки длительности «короткого» накопления в матрице ПЗС.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.
Сопоставительный анализ с прототипом [2] показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков, в том числе:
- новыми конструктивными элементами (блоками), которыми являются аналоговый ключ и взвешивающий сумматор;
- электрическими связями новых блоков в составе устройства.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом решении интервалы накопления смежных кадров (полукадров) в матрице ПЗС не совпадают и разнесены по времени, что увеличивает возможность регулировки степени рекурсивной фильтрации видеосигнала интерферограмм, повышая качество воспроизводимого их изображения на экране видеомонитора за счет роста отношения сигнал/шум.
Следовательно, по техническому результату и методу его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 приведен пример выполнения электрической схемы коммутатора; на фиг.3 схематически представлено взаимное расположение интервалов накопления матрицей ПЗС в смежных кадрах (полукадрах); на фиг.4 представлена временная диаграмма, поясняющая работу счетчика делителя; на фиг.5 приведена иллюстрация процесса антиблюмингового стока в матрице ПЗС.
Заявляемое устройство формирования сигнала изображения интерферограмм, см. фиг.1, содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и мишень датчика 2 телевизионного сигнала, а также RS-триггер 3, селектор 4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 5, коммутатор 6, блок 7 задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных АЦП 7-1, ОЗУ 7-2 и ЦАП 7-3, а также последовательно соединенные аналоговый ключ 8 и взвешивающий сумматор 9, выход «Видео» которого является выходом устройства, S-вход RS-триггера 3 является входом «Пуск», а его R-вход - входом «Стоп» устройства, причем выход «Видео» датчика подключен соответственно к входу блока задержки на кадр, второму входу взвешивающего сумматора 9 и к входу селектора 4 синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя 5 и коммутатора 6, управляющий вход которого, соединенный соответственно с первым управляющим входом датчика 2 и управляющим входом аналогового ключа 8, подключен к прямому выходу RS-триггера 3; второй управляющий вход датчика 2 подключен к выходу коммутатора 6, а информационный вход аналогового ключа 8 - к выходу блока 7 задержки на кадр (полукадр). Видеосигнал с выхода взвешивающего сумматора 9, как показано на фиг.1, может быть подан на вход видеомонитора 10.
Как и в прототипе [2], в качестве датчика 2 может быть использована предлагаемая российской фирмой «ЭВС» (г.Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746 [3], которая выполнена на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали 1/2 дюйма.
Матрица ПЗС имеет организацию «строчный перенос», а ее фотоприемная секция снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода. По сути, электронный затвор является затвором антиблюминговой (стоковой) области GA, технологически выполненной в фотоприемной секции матрицы ПЗС, как показано на фиг.5.
Если на затвор GA подается высокий уровень импульсного смещения, потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на фомишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Носители зарядов, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами, например под шинами Ф2Н при трехфазной организации переноса, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг.5б).
Когда на затвор GA матрицы ПЗС подается нижний уровень импульсного смещения, закрывая его, реализуется режим накопления с сокращенным внутри кадра временем сбора носителей (см. фиг.5а).
Особенностью датчика 2 в заявляемом решении является наличие первого и второго управляющих входов.
Для прибора VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R. Если необходимо включить автоматическую регулировку времени накопления (АРВН), нужно подать на этот вывод логический «0», для переключения в режим ручного управления временем накопления - логическую «1» в уровнях ТТЛ.
Второй управляющий вход прибора VSI-746 образуют выводы 11, 12, 13 микросхемы CXD2463R. Для работы в режиме АРВН эти выводы должны «висеть в воздухе», т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей поданы соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3-3,5 В. Когда необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 10 мс, то на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в приведенной ниже табл.1.
Таблица 1
Номер вывода
Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс
10,0
100,0
200,0
500,0
1000,0
2000,0
4000,0
10000,0
Кодовая комбинация
11
0
1
0
1
0
1
0
1
13
0
0
1
1
0
0
1
1
12
0
0
0
0
1
1
1
1
В настоящем решении используются шесть кодовых комбинаций: «000» - 10 мкс; «100» - 100 мкс; «011» - 200 мкс; «110» - 500 мкс; «001» - 1000 мкс; «111» - 10000 мкс.
Отметим, что комбинация «000» определяет самую короткую длительность накопления, а комбинация «111» - самую длинную. Установка всех этих кодовых комбинаций выполняется в коммутаторе 6.
Возможная электрическая схема этого блока (см. фиг.2) содержит первый элемент «И» 6-1, второй элемент «И» 6-2, третий элемент «И» 6-3, первый элемент «ИЛИ» 6-4, второй элемент «ИЛИ» 6-5, третий элемент «ИЛИ» 6-6, первый коммутатор 6-7, второй коммутатор 6-8, третий коммутатор 6-9, а также первый переключатель S1, второй переключатель S2 и третий переключатель S3.
Допустим, что переключатели S1…S3 находятся в исходном (отжатом) положении. Тогда при подаче высокого логического уровня сигнала от блока 3 на входы разрешения коммутаторов 6-7, 6-8, 6-9 и высокого логического уровня сигнала от блока 5 на первые входы элементов «И» 6-1, 6-2, 6-3 на выходе коммутатора 6 формируется логическая комбинация «111».
Когда же в исходном положении переключателей S1…S3 и наличии на входах разрешения коммутаторов логической «1» на первые входы элементов «И» 6-1, 6-2, 6-3 от блока 5 будет подан логический «0», на выходе блока 6 установится логическая комбинация «000».
При подаче уровня логической «1» от блока 3 и сохранении уровня логического «0», поступающего от блока 5, могут быть получены четыре дополнительных кодовых комбинации в зависимости от положения переключателей S1…S3, как представлено в табл.2.
Таблица 2
Кодовая комбинация
Положение переключателей
S1
S2
S3
«100»
Нажато
Отжато
Отжато
«010»
Отжато
Нажато
Отжато
«110»
Нажато
Нажато
Отжато
«001»
Отжато
Отжато
Нажато
Очевидно, что выбор положения переключателей S1…S3 позволяет осуществить регулировку «короткого» времени накопления в датчике 2 от 10 до 1000 мкс.
Если на входы разрешения коммутаторов 6-7, 6-8, 6-9 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» 6-1, 6-2, 6-3 и положения переключателей S1…S3, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
Объектив 1, RS-триггер 3, селектор 4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 5 и блок 7 задержки на кадр по схемотехническому выполнению не отличаются от аналогичных блоков прототипа [2].
Добавим, что RS-триггер 3 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Селектор 4 синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе сигнала синхронизации приемника (ССП) с последующим формированием на выходе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ).
Счетчик-делитель 5 предназначен для выполнения деления частоты импульсов КСИ на два (с 50 Гц до 25 Гц) при прогрессивной развертке и соответственно на четыре (с 50 Гц до 12,5 Гц) при чересстрочной развертке видеосигнала.
Блок 7 предназначен для выполнения задержки входного видеосигнала на длительность одного кадра. Если в устройстве использована прогрессивная развертка с частотой кадров 50 Гц, то длительность задержки составляет 20 мс. При организации в устройстве стандартной чересстрочной развертки длительность требуемой задержки будет составлять два полукадра, т.е. 40 мс. Техническая реализация блока 7 может быть осуществлена путем последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7-1, оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) 7-2, цифро-аналогового устройства (ЦАП) 7-3.
Аналоговый ключ 8 может быть выполнен на базе одного из четырех управляемых ключей с нормально разомкнутыми контактами отечественной микросхемы КР590КН2 [4].
Взвешивающий сумматор 9 предназначен для выполнения операции сложения двух входных видеосигналов с весовыми (масштабными) коэффициентами и может быть выполнен по рекомендациям [5]. Для видеосигнала, поступающего на его первый вход, весовой коэффициент K является регулируемым, который выбирается из неравенства 0<K<1. Для видеосигнала, поступающего на его второй вход, весовой коэффициент должен быть равен единице (K=1).
Способ формирования сигнала изображения интерферограмм осуществляется следующим образом. Воспользуемся структурной схемой заявляемого устройства (см. фиг.1), реализующего заявленный способ.
Предположим, что расположенная в поле зрения устройства интерфенционная картина объекта находится в идеально статическом положении, не испытывая случайных колебаний за счет вибрации и других регулярных механических воздействий низкой частоты. При этом допустим, что само устройство работает в режиме прогрессивной развертки, а освещенность объекта контроля позволяет установить рабочую освещенность на мишени матрицы ПЗС, необходимую для получения видеосигнала с максимальным отношением сигнал/шум.
Тогда автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) фотоприемника в датчике 2 телевизионного сигнала установит максимальную величину текущей экспозиции, т.е. длительность накопления информационных зарядов составит 10000 мкс.
n
∂1
n
При этом селектор 4 синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые импульсы с периодом T (см. фиг.4а), а счетчик-делитель 5 выполняет деление входной частоты на два, формируя на выходе меандр с периодом T=2T (см. фиг.4б).
Пусть на объекте контроля возникает низкочастотное механическое воздействие. Тогда в формируемом видеосигнале неизбежно появляется смаз, а в наблюдаемом с экрана видеомонитора 10 изображении заметно ухудшается его качество за счет снижения отношения сигнал/шум.
Для выполнения задачи изобретения на вход «Пуск» устройства подается импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 3 устанавливается сигнал логической «1». Последний подается на управляющий вход блока 6, на первый управляющий вход датчика 2 и на управляющий вход аналогового ключа 8. Поэтому схема АРВН в датчике 2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу блока 6. Одновременно аналоговый ключ 8 устанавливается в состояние «замкнуто», соединяя выход блока 7 с первым информационным входом блока 9.
∂
Отметим, что независимо от этой коммутации селектор 4 синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые импульсы, а на выходе счетчика-делителя 5 формируются импульсы с периодом T.
При подключении второго управляющего входа датчика 2 к выходу блока 6 на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 5 устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприемнике, равной 10 мкс -  (см. табл.1). Когда же с выхода блока 5 будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика 2 установится логическая комбинация «111», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10000 мкс -  (см. табл.1). По отношению к кадровому бланку, показанному на фиг.3а, импульсный сигнал, подаваемый на электронный затвор GA матрицы ПЗС в этой ситуации, представлен на фиг.3б.
Благодаря этому датчик 2 формирует мультиплексный сигнал изображения, смежные кадры которого являются «длинными» и «короткими» видеосигналами в соответствии с режимом накопления зарядов в фотоприемнике.
Этот мультиплексный видеосигнал одновременно поступает на вход блока 7 и на второй информационный вход взвешивающего сумматора 9. Задержанный на кадр мультиплексный видеосигнал подается на первый информационный вход взвешивающего сумматора 9.
Синтез выходного сигнала изображения заявляемого устройства осуществляется в блоке 9, где выполняется суммирование входных видеосигналов с необходимыми весовыми коэффициентами. Предусмотренная по первому информационному входу блока 9 регулировка весового коэффициента K в пределах 0<K<1 позволяет, как и в прототипе, изменить степень рекурсивности выполняемой фильтрации видеосигнала, а следовательно, добиться повышения отношения сигнал/шум.
С другой стороны, в заявляемом решении суммируемые видеосигналы, по сравнению с прототипом, фиксируют различные состояния процесса накопления информационных зарядов во времени. Своеобразной иллюстрацией этого процесса для предлагаемого решения является временная диаграмма на фиг.3б, а для прототипа - диаграмма на фиг.3в.
Временные «центры тяжести» суммируемых видеосигналов (они помечены на фиг.3 кружками с заливкой) у прототипа разнесены точно на интервал кадра, а для заявляемого решения это временное смещение может быть управляемым. Поэтому, выбирая при помощи переключателей S1…S3 длительность накопления  (см. табл.2 и фиг.3б), можно дополнительно регулировать степень рекурсивности фильтруемого видеосигнала, реализуя имеющийся резерв повышения отношения сигнал/шум.
n
∂2
n
n
Предположим, что устройство работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на выходе селектора 4 синхроимпульсов формируются импульсы с периодом полукадров T. Счетчик-делитель 5 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять T=4T (см. фиг.4в). В течение действия высокого уровня этого меандра в датчике 2 будет выполняться не один, а два цикла экспонирования с «длинным» зарядовым накоплением по  для каждого. Аналогично, в течение действия низкого уровня нового меандра в датчике 2 будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по . Блок 8 осуществляет задержку входного видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два T. В остальном работа устройства не отличается от ее функционирования в режиме прогрессивной развертки.
При необходимости возвращения устройства в исходный режим работы следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера 3 установится сигнал логического «0», а в датчике 2 будет восстановлено функционирование схемы АРВН. Одновременно будет восстановлено состояние «разомкнуто» для аналогового ключа 8 благодаря подаче сигнала логического «0» на его управляющий вход. На первом информационном входе видеосигнал отсутствует, поэтому на выход взвешивающего сумматора 9 будет передаваться со второго информационного входа типовой телевизионный сигнал датчика 2.
По сравнению с прототипом [1] предлагаемый способ формирования сигнала изображения интерферограмм исключает необходимость разделения входного светового потока по двум направлениям. Поэтому принципиально устраняется возможная неточность рекурсивной фильтрации видеосигнала из-за ошибки оптического рассовмещения смежных кадров при накоплении информационных зарядов.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства формирования сигнала изображения интерферограмм, которые реализуют все действия согласно заявленному способу и определяют заявляемое устройство, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2068624 РФ. МПК H04N 5/225, 7/18. Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм. / В.М.Смелков // Б.И. - 1996. - №30.
2. Патент №2362275 РФ. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов. / В.М.Смелков // Б.И. - 2009. - №20.
3. Телевизионные камеры фирмы «ЭВС», каталог, 2005 г.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: «Радио и связь», 1990.
5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.