ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности, к устройствам для преобразования инфракрасных изображений в видимые и может быть использовано в системах охраны, военной технике, в частности при модернизации бронетанковой техники.
Тепловизионные приборы находят все более широкое применение в различных областях народного хозяйства и в военной технике [1]. Это обусловлено их способностью формировать оптические изображения, образованные тепловым излучением объекта, в плоскости фотоприемника, что обеспечивает возможность наблюдения объектов, обладающих тепловым контрастом, в любое время суток, а также в сложных условиях видения, например, при наличии дыма (пожара) или пыли.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является тепловизионный модуль [2], содержащий инфракрасный объектив, установленное в его фокальной плоскости фотоприемное устройство, включающее матричный приемник теплового излучения и устройство формирования видеосигнала.
Основными недостатками известного тепловизионного модуля являются применение ручного привода фокусировки объектива на резкое изображение наблюдаемых предметов, а также невозможность дистанционного управления одним или несколькими операторами с различных мест расположения в составе объектов применения, требующих дистанционного управления, что ограничивает область использования тепловизионого модуля.
Задачей полезной модели является расширение области использования тепловизионого модуля путем обеспечения возможности дистанционного управления, включая фокусировку на резкое изображение объектов, одним или несколькими операторами с различных мест расположения в составе объектов применения, требующих дистанционного управления.
Для решения поставленной задачи в тепловизионном модуле, содержащем инфракрасный объектив, установленное в его фокальной плоскости фотоприемное устройство, включающее матричный приемник теплового излучения и устройство формирования видеосигнала, введены компенсатор расфокусировки изображения с электроприводом, расположенный на оптической оси объектива перед приемником теплового излучения, выполненный в виде линзы, установленной с возможностью перемещения вдоль оси объектива, электронный блок обработки сигнала, включающий электрически связанные преобразователь интерфейса, устройство управления и устройство формирования и обработки изображения, при этом первый вход преобразователя интерфейса, являющийся первым входом электронного блока обработки сигнала, подключен к выходу устройства формирования видеосигнала, второй выход преобразователя интерфейса, являющийся первым выходом электронного блока обработки сигнала, подключен к входу электропривода перемещения линзы оптического компенсатора, первый выход преобразователя интерфейса подключен к первому входу устройства формирования и обработки изображения, второй вход преобразователя интерфейса подключен к первому выходу устройства управления, первый выход устройства формирования и обработки изображения является вторым выходом электронного блока обработки сигнала и служит для подключения видеомонитора объекта применения, второй вход устройства формирования и обработки изображения подключен ко второму выходу устройства управления, первый вход которого является вторым входом электронного блока обработки сигнала и служит для подключения пульта дистанционного управления объекта применения.
В частном случае выполнения объектив включает, по меньшей мере, две линзы, при этом последняя по ходу лучей линза установлена с возможностью перемещения вдоль оси объектива и выполняет функцию оптического компенсатора.
В качестве приемника теплового излучения используется микроболометрическая матрица.
Введение компенсатора расфокусировки изображения, расположенного на оптической оси объектива перед приемником теплового излучения, выполненного в виде линзы, установленной с возможностью перемещения вдоль оси объектива, электронного блока обработки сигнала, включающего электрически связанные преобразователь интерфейса, устройство управления и устройство формирования и обработки изображения, а также электропривода перемещения линзы оптического компенсатора, при этом первый вход преобразователя интерфейса, являющийся первым входом электронного блока обработки сигнала, подключен к выходу устройства формирования видеосигнала, второй выход преобразователя интерфейса, являющийся первым выходом электронного блока обработки сигнала, подключен к входу электропривода перемещения линзы оптического компенсатора, первый выход преобразователя интерфейса подключен к первому входу устройства формирования и обработки изображения, второй вход преобразователя интерфейса подключен к первому выходу устройства управления, первый выход устройства формирования и обработки изображения является вторым выходом электронного блока обработки сигнала и служит для подключения видеомонитора объекта применения, второй вход устройства формирования и обработки изображения подключен ко второму выходу устройства управления, первый вход которого является вторым входом электронного блока обработки сигнала и служит для подключения пульта дистанционного управления объекта применения, обеспечивает возможность дистанционного управления фокусировкой изображения и параметрами (яркость, контраст, электронное увеличение и др.) тепловизионного модуля одним или несколькими операторами, а следовательно позволяет его использование не только как переносное средство наблюдения, но и в системах технического зрения, в объектах, требующих дистанционного управления, например, в объектах бронетанковой техники, то есть обеспечивает расширение области использования тепловизионого модуля.
На фиг.1 приведена функциональная схема тепловизионного модуля, на фиг.2 - блок схема тепловизионного модуля.
Тепловизионный модуль включает (фиг.1) инфракрасный объектив 1, оптический компенсатор для фокусировки на резкое изображение наблюдаемых объектов, выполненный в виде линзы 2, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива 1, матричный приемник 3 теплового излучения, электронное устройство 4 формирования видеосигнала, электронный блок 5 обработки сигнала, а также электропривод 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора. Электронный блок 5 обработки сигнала имеет, по меньшей мере, два входа и два выхода, его первый вход подключен к выходу устройства 4 формирования видеосигнала, а второй вход служит для подключения пульта дистанционного управления объекта применения, первый выход подключен к входу электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора, а второй выход служит для подключения монитора объекта применения. Электронный блок 5 обработки сигнала (фиг.2) содержит электрически связанные преобразователь интерфейса 7, устройство управления 8, устройство 9 формирования и обработки изображения. Преобразователь интерфейса 7 имеет первый вход, который подключен к выходу электронного устройства 4 формирования видеосигнала, а также второй выход, подключенный к входу электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора. Устройство управления 8 имеет первый вход, который служит для подключения пульта дистанционного управления объекта применения, а устройство 9 формирования и обработки изображения имеет первый выход, который служит для подключения видеомонитора объекта применения.
Работает тепловизионный модуль следующим образом.
Оптическое излучение от цели проходит (фиг.1) объектив 1, линзу 2 оптического компенсатора и формирует в чувствительной плоскости матричного приемника 3 теплового излучения изображение цели, которое электронным устройством 4 формирования видеосигнала преобразуется в цифровой видеосигнал, поступающий на первый вход преобразователя интерфейса 7 электронного блока 5 обработки сигнала.
Преобразователь интерфейса 7 осуществляет согласование по уровню цифрового видеосигнала, поступающего на его первый вход, и управляющих сигналов для электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора, поступающих на его второй вход с выхода 1 устройства управления 8. С выхода 1 преобразователя интерфейса 7 цифровой видеосигнал поступает на первый вход устройства 9 формирования и обработки изображения. С выхода 2 преобразователя интерфейса 7 управляющие сигналы поступают на вход электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора.
Устройство 9 формирования и обработки изображения осуществляет формирование аналогового монохромного видеосигнала в формате CCIR (625 строк, 50 Гц), а также цифровую обработку (регулирование яркости и контрастности изображения, цифровая фильтрация, электронное увеличение, смена полярности тепловизионного изображения, реверс изображения по горизонтали и вертикали и т.д.) поступающего на его первый вход с выхода 1 преобразователя интерфейса 7, цифрового видеосигнала в соответствии с сигналами управления, поступающими на его второй вход с выхода 2 устройства управления 8. Устройство 9 формирования и обработки изображения в процессе цифровой обработки видеосигнала, поступающего на его первый вход, вводит в него электронную прицельную марку и алфавитно-цифровую информацию, которой может быть как служебная информация от объекта применения тепловизионного модуля, так и сервисная информация, сопровождающая команды пульта дистанционного управления объекта применения.
Аналоговый монохромный видеосигнал поступает на выход 1 устройства 9 формирования и обработки изображения, к которому подключается видеомонитор объекта применения.
Устройство управления 8 электронного блока 5 обработки сигнала в соответствии с командами пульта дистанционного управления объекта применения, который подключается к его первому входу, осуществляет формирование управляющих сигналов для электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора, которые поступают на его выход 1, а также - управляющих сигналов для устройства 9 формирования и обработки изображения, которые поступают на его вход 2.
С появлением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) стало возможным существенное уменьшение габаритов, массы и потребляемой мощности электронных устройств. То, что раньше занимало несколько печатных плат, теперь можно разместить на одном кристалле ПЛИС. Ниже приведен пример технической реализации электронного блока 5 обработки сигнала тепловизионного модуля, в которой применены ПЛИС.
Электронный блок 5 обработки сигнала тепловизионного модуля выполнен на двух электрически связанных платах. На одной плате реализован преобразователь интерфейса 7, а на другой - устройство управления 8 вместе с устройством 9 формирования и обработки изображения.
Плата, на которой выполнены устройство управления 8 и устройство 9 формирования и обработки изображения, содержит: две цифровые программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС1 и ПЛИС2) на основе статической памяти каждая (FPGA серии SPARTAN-3, фирмы Xilinx); одну цифровую программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС3) на основе флэш-памяти (CPLD серии CoolRunner-II, фирмы Xilinx), которая связана с ПЛИС1 и ПЛИС2 и последовательной перепрограммируемой энергонезависимой памятью, в которой хранится конфигурация для ПЛИС1 и ПЛИС2. На плате также установлены: микросхемы, электрически связанные с ПЛИС1, синхронной динамической оперативной памяти (SDRAM), которая используется для цифровой обработки видеосигнала, поступающего от устройства 4 формирования видеосигнала, 10-ти разрядный цифроаналоговый преобразователя (ЦАП), на выходе которого формируется аналоговый монохромный видеосигнал, поступающий на видеомонитор объекта применения, а также микросхема приемо-передатчика последовательного канала EIA RS-422, электрически связанная с ПЛИС2, служащая для обмена данными с пультом дистанционного управления объекта применения, кварцевый генератор на 80 МГц, электрически связанный также с ПЛИС2 и ПЛИС3, который используется в качестве задающего генератора для устройства управления 8 и устройства 9 формирования и обработки изображения.
Внутри ПЛИС1 платы, на которой выполнены устройство управления 8 и устройство 9 формирования и обработки изображения, реализовано устройство 9 формирования и обработки изображения, включающее в себя: видеопроцессор, который осуществляет цифровую обработку поступающего на его первый вход с выхода 1 преобразователя интерфейса 7 цифрового видеосигнала и формирование электронной прицельной марки и алфавитно-цифровой информации на изображении; устройство синхронизации, которое обеспечивает общую синхронизацию работы узлов, входящих в ПЛИС1, и формирует цифровой поток данных из смеси синхронизирующих импульсов и изображения в заданном формате, который затем поступает на ЦАП; контроллер SDRAM, управляющий непосредственно SDRAM; контроллер прямого доступа в память (DMA), который обеспечивает видеопроцессору, устройству синхронизации доступ к SDRAM в процессе работы.
Внутри ПЛИС2 платы, на которой выполнены устройство управления 8 и устройство 9 формирования и обработки изображения, реализовано устройство управления 8, включающее в себя: универсальный асинхронный приемо-передатчик (UART) с двухпортовой статической оперативной памятью, используемой в качестве буфера для хранения данных в процессе обмена с пультом дистанционного управления объекта применения, формирователь управляющих сигналов, который декодирует команды поступающие от пульта дистанционного управления и формирует, соответствующие указанным выше командам, сигналы управления для электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора и устройства 9 формирования и обработки изображения.
В ПЛИС3 платы, на которой выполнены устройство управления 8 и устройство 9 формирования и обработки изображения, реализовано устройство для внутрисхемного программирования энергонезависимой памяти, в которой хранится конфигурация для ПЛИС1 и ПЛИС2, используя для этой цели, последовательный канал обмена EIA RS-422 данной платы.
Плата преобразователя 7 содержит, по меньшей мере, одну ПЛИС на основе флэшпамяти (CPLD серии CoolRunner-II, фирмы Xilinx), которая выполняет функцию преобразования сигналов по уровню между устройством 4 формирования видеосигнала и электропривода 6 перемещения линзы 2 оптического компенсатора, с одной стороны, и устройством управления 8 и устройством 9 формирования и обработки изображения с другой; кварцевый генератор на 22,118 МГц и микросхемы приемо-передатчиков последовательных каналов EIA RS-422 и EIA RS-232, электрически связанные с ПЛИС.
В простейшем случае устройство 4 формирования видеосигнала может быть выполнено в виде модуля, состоящего по меньшей мере из 2-х электрически связанных: платы матричного приемника излучения и платы формирователя видеосигнала. Плата формирователя видеосигнала управляет платой матричного приемника и формирует видеосигнал в цифровой форме, который передается на первый вход преобразователя интерфейса.
В качестве фотоприемного устройства может быть использован тепловизионный микроболометрический модуль IR 109 фирмы «GUIDIR», Китай.
Использованные источники информации:
1. Орлов В.А., Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное издательство, 1989.
2. Неохлаждаемый тепловизионный прицел W1000, рекламный проспект фирмы «Raytheon», 2002 г (прототип).