Введение к работе
Актуальность темы. Современные системы тепловидения находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Разработка конкурентоспособного неохлаждаемого тепловизора, является одной из важнейших задач, стоящих перед отечественными разработчиками тепловизионной аппаратуры.
Несмотря на значительные достижения в области разработки твердотельных приемников инфракрасного (ИК) излучения, пироэлектрические видиконы (ПЭВ) в настоящее время остаются одними из наиболее доступных отечественных ИК-датчиков, на основе которых возможно создание современных тепловизоров широкого применения, пригодных для решения задач диагностики и визуализации тепловых полей в дальнем ИК-диапазоне (8.. 14 мкм).
Дня улучшения характеристик пировидиконных тепловизоров, необходимо найти пути повышения отношения сигнал/шум на выходе пировидикона, а также найти способы обеспечения более равномерной чувствительности мишени ПЭВ. Публикации, как в нашей стране, так и за рубежом, свидетельствуют о том, что вопрос об оптимальном режиме работы ПЭВ до настоящего времени остается открытым. Анализ литературы и патентных источников информации, посвященных вопросам оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров, свидетельствует о многочисленных исследованиях, проводимых в этом направлении, что подтверждает актуальность данной проблемы.
Основной отличительной особенностью ПЭВ, по сравнению с обычными види-конами, является необходимость периодического формирования на его диэлектрической мишени так называемого заряда пьедестала. Положительный заряд пьедестала в цикле работы мишени должен периодически компенсировать отрицательный заряд, который осаждается на мишень ПЭВ в процессе считывания сигнала. Основные проблемы, стоящие перед разработчиками, обусловлены необходимостью выбора и сочетания оптимальных режимов считывания информации с мишени ПЭВ и режимов формирования на поверхности мишени равномерного заряда пьедестала
Различными авторами были предложены способы считывания сигнала и режимы формирования пьедестала на мишени ПЭВ, которые, по их мнению, в той или иной мере решают указанные проблемы. Однако, все эти способы применялись либо к конкретному пировидиконному тепловизору, либо были проанализированы лишь качественно. До настоящего времени не сообщалось о проведении систематизированного экспериментального сравнения различных режимов работы ПЭВ. Одной из причин этого была и остается сложность корректного сравнения данных, полученных для разных типов ПЭВ в разных пиротепловизорах, а также трудности изменения режимов работы ПЭВ в рамках одного и того же прибора. Сравнение режимов работы ПЭВ затрудняется, также, отсутствием перестраиваемых средств визуализации получаемого изображения, способных воспринимать различные форматы входного сигнала.
VoC. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1
БИБЛИОТЕКА |
С. Петербург гСО J
С появлением современной цифровой элементной базы появилась возможность разработки и создания перестраиваемого прибора, позволяющего изменять режимы работы ПЭВ, и, как следствие, воздействовать на его рабочие параметры, за счет изменения и регулировок режимов работы отдельных функциональных модулей, входящих в состав пиротепловизора. Параметрами, которые определяют качество сигнала ПЭВ, и требуют оптимизационных воздействий, являются: время накопления сигнального заряда на мишени, параметры формата разложения, тип развертки, уровень собственных шумов, возникающих при формировании пьедестала; параметры модуляции входного потока излучения, температура мишени.
Цель работы состоит в поиске путей совершенствования и построения пирови-диконных тепловизоров, которые позволят понизить уровень собственных шумов пировидикона, повысить отношение сигнал/шум и расширить динамический диапазон пировидиконов.
Задачи работы. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать существующие способы считывания сигнала и формирования пьедестала в ПЭВ и обосновать выбор представляющих практический интерес перспективных режимов работы;
разработать математическую модель, адекватно описывающую физические процессы, происходящие на пироэлектрических мишенях. На основе этой модели провести исследования режимов работы ПЭВ, совместимых с телевизионным стандартом;
разработать и осуществить реализацию экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющего проводить практическое сопоставление режимов работы ПЭВ;
разработать принцип построения, схему, алгоритм и программу работы системы управления многорежимным пировидиконным тепловизором;
разработать и создать специализированные функциональные модули (цифровой программируемый модуль управления; программируемый модуль генерации опорного сигнала для отклоняющей системы ПЭВ; модуль усиления для отклоняющей системы ПЭВ; модуль управления ПЭВ; модуль формирования видеосигнала) для экспериментального макета;
реализовать на основе созданного экспериментального макета режимы работы ПЭВ, представляющие практический интерес;
исследовать реализованные режимы работы, провести их сравнительный анализ и сопоставить полученные результаты с данными компьютерного моделирования
дать рекомендации и предложить направления и способы совершенствования пировидикошшх тепловизоров
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, методы теории электронно-лучевых приборов, методы математического
" '' ґ t t
анализа, элементы теории аналоговой, цифровой и вычислительной техники.
Научную новизну проведенных в работе исследований определяют следующие основные результаты:
предложен и запатентован новый режим работы пировидикона, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе этого прибора;
разработана математическая модель работы пироэлектрической мишени, позволяющая проводить сопоставление режимов работы ПЭВ и прогнозировать их характеристики;
предложена методика сравнительной оценки режимов работы ПЭВ, показавшая свою эффективность в практических исследованиях;
создан экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, который позволил провести корректное экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ;
получено экспериментальное подтверждение улучшения пороговых характеристик и повышения отношения сигнал/шум в пировидиконном тепловизоре при использовании предложенного режима работы пировидикона.
Практическая ценность работы заключается в получении результатов, которые указывают пути разработки современных конкурентоспособных пировидиконных тепловизоров. В ходе работы получены следующие практические результаты:
Создана модель работы мишени пировидикона для сравнительной и прогностической оценки различных режимов работы ПЭВ.
Созданы специализированные программируемые устройства, обеспечившие создание макета многорежимного пировидиконного тепловизора. Разработаны и реализованы на практике алгоритмы работы этих устройств.
Разработан экспериментальный макет многорежимного тепловизора на основе пировидикона, позволяющий исследовать режимы работы пировидиконных тепловизоров.
Получены экспериментальные результаты, подтвердившие предположение, что использование нетрадиционных режимов работы ПЭВ позволяет оказывать существенное положительное влияние на его характеристики.
Созданный макет показывает одно из направлений создания ниротепловизоров нового поколения. Макет может быть положен в основу экспериментальных установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Предложен и реализован на практике новый режим работы пировидикона, позволяющий увеличить пороговую чувствительность и отношение сигнал/шум на его выходе без внесения технологических и конструктивных доработок.
-
Разработана математическая модель цикла работы пировидикона, позволяющая прогнозировать тенденции изменения характеристик и параметров пировидикон-ньгх тепловизоров при изменении режимов работы пировидикона
-
Результаты исследований, которые показывают, что при использовании нетрадиционных режимов работы пировидикона достигается существенное улучшение его характеристик.
Апробация работы. О результатах работы делались сообщения на следующих научно-технических конференциях:
-
Ежегодная научно-техническая конференция студентов и аспирантов вузов России «Радиотехника и электроника в народном хозяйстве», Москва, 1998.
-
Шестая международная научно-техническая конференция, студентов и аспирантов: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2000.
-
Семинар «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования, зданий и сооружений на основе приема излучений в инфракрасном спектре», Санкт-Петербург, 2002.
-
Одиннадцатая всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2003.
Публикации. По материалам диссертации получен патент РФ, опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 239 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 73 наименований и двух приложений. Основное содержание изложено на 158 страницах машинописного текста, включая 39 рисунков и 22 таблицы. Приложения включают 33 рисунка и одну таблицу.
