Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурная схема тепловизионного прибора и его элементы. Схемотехнические решения 17
1.1. Структурная схема тепловизионного прибора 17
1.2. Оптика, используемая в инфракрасной области 21
1.2.1. Зеркальные телескопические системы 22
1.2.2. Зеркально-линзовые телескопы 23
1.2.3. Линзовая оптика 23
1.3. Различные типы систем сканирования 26
1.3.1. Строчная развертка (строчные сканирующие устройства) 27
1.3.2. Сканирование изображения 38
1.3.3. Восстановление изображения 39
1.3.4. Двумерное сканирование одноэлементным приемником 41
1.3.5. Параллельное сканирование линейным приемником с числом элементов п 42
1.3.6. Последовательное сканирование линейным приемником с числом элементов/? 44
1.3.7. Последовательно-параллельное сканирование с помощью матричного приемника 45
1.3.8. Электронное сканирование 46
1.4. Приемники оптического излучения 47
1.4.1. Наиболее употребительные в тепловидении приемники оптического излучения 48
1.4.2. Фоточувствительные приборы с переносом заряда 50
1.4.3. Основные типы топологических построений приемников оптического излучения 57
1.4.4. Субматричные микросхемы 67
1.5. Основные типы оптико-электронных сканирующих приборов 69
1.5.1. Теплопеленгатори 69
1.5.2. Обзорные тепловизионные системы 71
1.5.3. Тепловизионные приборы наблюдения и прицеливания 79
1.6. Схемотехнические решения приборов 79
1.6.1. Схемотехнические решения зарубежных приборов. Программа Synergy 79
1.6.2. Схемотехнические решения отечественных приборов 84
Выводы 86
Глава 2. Российская программа унификации и стандартизации ТВП и их общих модулей. Сравнительный анализ критериев эффективности ТВП 87
2.1. Российская программа унификации и стандартизации ТВП и их общих
модулей 87
Выводы по разделу 95
2.2. Сравнительный анализ критериев эффективности ТВП 96
2.2.1. Критерий Сендалла 98
2.2.2. Показатель сравнения ТВП по тактико-экономическим характеристикам 99
2.2.3. Критерий "информационной емкости" 100
2.2.4. Критерий "дальности действия" 100
2.2.5. Оценка эффективности ТВП в лабораторных и цеховых условиях. Сравнение различных образцов ТВП по тест-объектам в лабораторных и цеховых условиях 102
2.2.6. Критерий "многофункционального ТВП" ПО
2.2.7. Критерий "эффективности решения задачи" 111
2.2.8. Критерий "сравнительной эффективности" 112
2.2.9. Критерий "универсальности применения" 114
Выводы по разделу 120
Глава 3. Исследование путей совершенствования развертывающего устройства 122
3.1. Состав и структура развертывающего устройства 122
3.1.1. Функциональные связи модуля развертывающего устройства с модулями тепловизионного прибора 122
3.1.2. Базовая конфигурация взаимного расположения модулей 122
3.1.3. Функциональный состав основных компонентов оптико-механической сканирующей системы и технические характеристики развертывающего устройства 123
3.1.4. Состав и структурная схема модуля развертывающего устройства 126
3.1.5. Компоновка составных частей модуля развертывающего устройства 127
3.2. Математическая модель формирования растра развертывающим устройством совместно с приемником оптического излучения 128
3.2.1. Принципиальная схема развертывающего устройства и принципы формирования растра 128
3.2.2. Математическая модель формирования растра развертывающего устройства совместно с приемником оптического излучения 136
3.3. Поиск технических решений аппаратной реализации развертывающего устройства с учетом требований унификации 146
Выводы по главе 156
Глава 4. Пути повышения чувствительности и эффективности тепловизионного прибора 158
4.1. Анализ распределения облученности в плоскости изображения 158
4.1.1. Влияние распределения облученности в плоскости теплового изображения 158
4.1.2. Анализ оптических систем с точки зрения распределения облученности плоскости изображения 160
4.1.3. Общий случай распределения облученности, когда изображение передается от плоскости на плоскость 162
4.1.4. Распределение облученности на линейном приемнике оптического излучения в оптико-механических сканирующих системах 164
4.1.5. Вычисление масштабных изменений в результате дисторсии изображения 165
Выводы по разделу 167
4.2. Влияние относительного отверстия оптической системы и охлаждаемой диафрагмы на эффективность тепловизионного прибора .168
4.2.1. Повышение эффективности тепловизионного прибора путем изменения относительного отверстия оптической системы 168
4.2.2. Охлаждаемая диафрагма в оптико-электронных системах с линейными многоэлементными приемниками оптического излучения..169
4.3. Поиск эффективной пары "оптико-механическая сканирующая система -приемник оптического излучения" 174
4.3.1 Постановка задачи 174
4.3.2. Критерии выбора топологии приемника оптического излучения 177
4.3.3. Моделирование процесса сканирования оптико-механическим системами сканирования с приемниками оптического излучения 179
4.3.4. Применение матрицы фоточувствительных элементов 187
Выводы по разделу 194
Глава 5. Новые технические решения на основе проведенных исследований 198
5.1. Тепловизионная оптическая система 198
5.2. Оптическая сканирующая система 199
5.3. Оптическая система зонного сканирования с уменьшенными пропусками и переналожениями зон 203
5.4. Оптическая система зонного сканирования с одновременным сканированием в нескольких спектральных диапазонах 208
5.5. Тепловизионный прибор с двумя сканирующими блоками 211
Заключение 214
Литература
- Оптика, используемая в инфракрасной области
- Сравнительный анализ критериев эффективности ТВП
- Состав и структурная схема модуля развертывающего устройства
- Влияние относительного отверстия оптической системы и охлаждаемой диафрагмы на эффективность тепловизионного прибора
Введение к работе
Оптико-электронные системы формирования, обработки и визуализации инфракрасных изображений, или инфракрасные системы (ИКС), находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники [112,113]. Их можно разделить на системы тепловидения, использующие фотоэлектрические полупроводниковые приемники оптического излучения (ФЭПП) [76], и приборы ночного видения, в которых используются электровакуумные фотоэлектронные приемники, например, электронно-оптические преобразователи или передающие телевизионные трубки [59,155]. В последних изданиях [112] приводится другой вариант классификации ИКС по способу анализа пространства предметов. Их разделяют на ИКС "смотрящего" типа, где пространство анализируется многоэлементными матричными приемниками оптического излучения (ПОИ), и на сканирующие ИКС, в которых происходит относительное взаимное перемещение изображения пространства предметов и многоэлементного линейного ПОИ. В настоящей работе будем рассматривать сканирующие ИКС с многоэлементными ФЭПП, называя эти системы для краткости тепловизионными приборами (ТВП). ТВП, обеспечивающие наблюдение объектов и прилегающего фона за счет их собственного теплового излучения, составляют основу многих современных оптико-электронных систем и комплексов различного назначения. Эта уникальная особенность работы ТВП обусловила значительный интерес к ним различных научных и технических ведомств развитых стран мира.
Анализ показал, что успехи ведущих зарубежных стран в массовом оснащении такими ТВП служб, занимающихся навигацией, диспетчированием движения, поисково-спасательными работами, контролем качества и эксплуатационными свойствами промышленных и жилых объектов (зданий, теплосетей, линий электропередач), экологическим контролем, спектрозональной съемкой, а также обеспечением безопасности и охраны таких объектов, как АЭС, взлетно-посадочные полосы аэропортов и т. д., достигнуты за счет своевременной реализации специальных программ разработки наиболее дорогостоящих и сложных в изготовлении узлов тепловизионной техники, обеспечивающих оптимальное соотношение между техническими и стоимостными показателями, упрощение задач эксплуатации и возможность совершенствования технических характеристик системы за счет улучшения параметров отдельных узлов.
В нашей стране, несмотря на значительные усилия, предпринимавшиеся для развития данного вида техники, до сих пор не удалось решить задачу рентабельного промышленного выпуска ТВП массового применения. Кроме того, отсутствие серийных отечественных приборов приводит к усилению тенденции использования зарубежных ТВП в различных отраслях хозяйства РФ, что подрывает экономическое положение предприятий оптического приборостроения, приводит к неспособности России удерживать внешние рынки, связанные с оснащением тепловизионными системами экспортной техники.
Данная работа посвящена исследованию принципов построения ТВП, позволяющих найти пути решения указанной задачи. При этом основное внимание уделено вопросам создания развертывающих устройств (РУ) для ТВП с зонной разверткой как наиболее универсальной схемы, принятой за основу для построения ТВП различного назначения, а также вопросам согласования РУ с приемником оптического излучения (ПОИ) и оптической системой (ОС).
Целью работы является научное обоснование принципов построения ТВП с последовательно-параллельным сканированием на основе субматричных ПОИ.
В задачи исследования входят:
1. Аналитический обзор основных типов ТВП и их схемотехнических решений.
2. Анализ тенденций развития схемотехнических решений ТВП.
3. Анализ структуры РУ ТВП.
4. Анализ факторов, влияющих на работу ТВП.
5. Сравнительный анализ критериев эффективности ТВП.
6. Разработка алгоритма поиска технических решений оптико-механических сканирующих систем (ОМСС).
7. Исследование способов улучшения технических характеристик ТВП.
В первой главе рассмотрена структурная схема ТВП и дан аналитический обзор ее основных элементов: ОС, систем сканирования, ПОИ. Проведен сравнительный анализ основных вариантов топологического построения ПОИ. Рассмотрены характерные особенности основных вариантов построения растра ТВП. Приведены циклограммы формирования сигналов и развертки и таблицы основных характеристик ТВП для каждого варианта. Сравнение этих характеристик показало, что выбор той или иной схемотехники построения ТВП в значительной степени определяется наличием в стране соответствующих материалов, элементов и технологий.
Дается обоснование перспективности применения малых субматричных микросхем с последовательно-параллельным сканированием, имеющих меньшее число элементов в строке, чем в строке телевизионного кадра.
Далее рассматриваются основные типы сканирующих ТВП и схемотехнические решения зарубежных и отечественных ТВП.
На основании проведенного обзора и анализа тенденций развития ТВП было установлено, что наиболее перспективными для отечественных промышленности и потребителей являются модульные ТВП с последовательно-параллельным сканированием на основе субматричных ПОИ, и были поставлены задачи дальнейшего исследования: анализ и совершенствование структуры ТВП и, в частности, РУ; сравнительный анализ критериев эффективности ТВП; анализ факторов, влияющих на работу ТВП; разработка алгоритма поиска технических решений ОМСС; исследование способов улучшения технических характеристик ТВП.
Во второй главе рассматривается отечественная программа, основной задачей которой была организация промышленного производства ТВП через унификацию и стандартизацию ТВП и его основных функциональных узлов -общих модулей. В рамках программы были выполнены следующие работы: разработана базовая система ТВП; определено деление ТВП на общие и дополнительные модули; определены характеристики общих и дополнительных модулей; определены характеристики ТВП, построенные на модулях; разработан технический облик и конструкция модулей; разработана методика стыковки модулей с целью формирования ТВП; разработаны общие технические требования к тепловизионным модулям.
В программе были сформулированы довольно жесткие требования к снижению диаметра входного зрачка. Но снижение диаметра зрачка возможно только за счет уменьшения относительного отверстия оптической системы, что приводит к снижению чувствительности тепловизионного канала. Наиболее перспективными направлениями компенсации уменьшения чувствительности являются повышение эффективности ОМСС путем совершенствования РУ, оптимизация согласования ПОИ с ОС, поиск эффективной пары "ПОИ - ОМСС".
Для выбора оптимальных схемотехнических решений на основе разработанной базовой структурной схемы необходимо было сравнить эффективность различных вариантов построения ТВП. Поэтому далее проводится сравнительный анализ критериев эффективности ТВП, который приводит к выводам, что в наиболее предпочтителен критерий дальности действия, обладающий (к настоящему времени) наилучшим соотношением достоинств и недостатков, более других критериев апробированный и достаточно универсальный.
На основании анализа имеющихся аналитических, физических, экономических и математических моделей процессов функционирования системы "объект - атмосфера - ТВП - оператор", предлагаемых различными авторами, а также методик проведения экспериментальных исследований процесса функционирования этого звена, результатов проведения натурных испытаний и сравнительной оценки показателей эффективности функционирования различных вариантов и схем построения ТВП практически по всем имеющимся критериям, в том числе на основе расчетов значений основной характеристики ТВП - зависимости дальности действия в функции вероятности от значений приведенного к входному зрачку радиационного контраста "объект — фон", сделан вывод о преимуществе схемы построения ТВП с последовательно-параллельным сканированием на основе субматричных ПОИ с "шахматным" расположением ФЧЭ и возможности обеспечения ею требуемых технических характеристик.
В третьей главе рассматриваются состав и структура РУ, на основе анализа функциональных связей РУ с различными модулями ТВП выбирается базовая конфигурация взаимного расположения модулей ТВП, разрабатывается функциональный состав, структурная схема и компоновка частей модуля РУ и предлагается комплекс характеристик РУ как модуля, входящего в состав ТВП.
В результате изучения принципов формирования растра и рассмотрения вариантов построения схем РУ разработана математическая модель формирования растра РУ совместно с ПОИ.
На основании методики ориентировочной оценки оптимальной номенклатуры приборов с учетом интересов потребителей и затрат производства предлагается алгоритм поиска технических решений аппаратной реализации РУ.
В четвертой главе исследуются пути повышения чувствительности и эффективности ТВП. Проводится анализ распределения облученности в плоскости изображения, рассматривается влияние на эффективность ТВП относительного отверстия ОС и охлаждаемой диафрагмы. Сформулированы критерии выбора топологии ПОИ и разработана программа расчета ОМСС, моделирующая процесс сканирования, для выбора эффективной пары "ОМСС-ПОИ".
Показано, что облученность по полю изменяется по косинусному закону и не зависит от положения зрачка в системе при условии его совмещения с выходным зрачком ТН. Показано, что в конструкцию ПОИ следует ввести охлаждаемую диафрагму, устанавливаемую непосредственно перед ФЧЭ, совмещенную с выходным зрачком объектива ПОИ и имеющую круглую форму. Показано, что имеется возможность достижения сканирующими ТВП максимальной чувствительности за счет применения малоформатной сканирующей матрицы при сохранении приемлемого качества изображения по полю. Целесообразнее применять "короткие" линейные ПОИ, чем "длинные", так как это приводит к более эффективному согласованию зрачков и уменьшению полевых углов засветок и позволяет создать малогабаритную криогенную систему.
Использование субматричных многоэлементных ПОИ с N ступенями временной задержки и накопления (ВЗН) и накопления позволяет увеличить пороговую чувствительность в -JN раз по сравнению линейным ПОИ. Ещё более сильный эффект достигается в режиме ВЗН на ПОИ, в которых режим ограничения фоном на линейке ФЧЭ реализовать не удается. В этом случае выигрыш может превышать VN И достигать величины, близкой к N. Разработанная топология позволяет сравнительно легко решить задачу
линейности развертки как по времени, так и по пространству для тепловизионных систем с последовательно-параллельным сканированием.
В пятой главе представлены новые технические решения ОМСС, разработанные на основе проведенных исследований и запатентованные в России. В их число входят тепловизионная оптическая система, оптическая сканирующая система, оптическая система зонного сканирования с уменьшенными пропусками и переналожениями зон, оптическая система зонного сканирования с одновременным сканированием в нескольких спектральных диапазонах и тепловизионный прибор с двумя сканирующими блоками.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований, сведения о публикациях результатов работы и практической реализации разработок.
Научная новизна диссертации заключается в том, что разработаны принципы построения и базовая структура сканирующих ТВП и РУ, математическая модель РУ, алгоритм поиска технических решений аппаратной реализации РУ и способы улучшения эффективности и технических характеристик ТВП.
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Разработана базовая структурная схема ТВП, произведено разделение ТВП на общие и дополнительные модули, определены характеристики общих и дополнительных модулей, определены характеристики ТВП, построенных на модулях, разработаны конструкции модулей, разработана методика стыковки модулей с целью формирования ТВП, разработаны общие технические требования к тепловизионным модулям, что позволило разработать образцы модульных ТВП 1-го поколения с минимальными массогабаритными характеристиками и предельными значениями по основным характеристикам, а также приступить к их практической реализации на отечественной элементной базе.
2. Проведен сравнительный анализ критериев эффективности ТВП, выявлен наиболее предпочтительный и предложены пути совершенствования критерия, что позволило более обоснованно сравнивать различные образцы ТВП производства различных фирм, в том числе с учетом массогабаритных характеристик образца и его стоимости.
3. На основе анализа функциональных связей РУ с различными модулями ТВП выбрана базовая конфигурация взаимного расположения модулей ТВП, разработаны функциональный состав, структурная схема и компоновка частей модуля РУ и предложен комплекс характеристик РУ как модуля, входящего в состав ТВП.
4. Разработаны математическая модель формирования растра РУ, работающего совместно с ПОИ различной топологии, и соответствующая компьютерная программа, с помощью которой проведены расчеты различных вариантов сканирующей системы и определены условия оптимальной стыковки ОС ТВП с модулем фотоприемного устройства, что позволило как повысить эффективность и улучшить технические характеристики ТВП в целом, так и предъявить технические требования к отдельным узлам, блокам и модулям.
5. На основании методики ориентировочной оценки оптимальной номенклатуры приборов с учетом интересов потребителей и затрат производства предложен алгоритм поиска технических решений аппаратной реализации РУ, дающий возможность одновременно учесть требования различных потребителей к каждому из приборов и реальные возможности отечественной промышленности на существующем уровне технологии серийного изготовления и контроля параметров ТВП.
6. Исследовано распределение облученности по полю в плоскости изображения и предложены пути уменьшения его неравномерности, что позволяет улучшить характеристики ТВП.
7. Исследована связь топологии ПОИ с параметрами РУ и ТВП и предложено для ТВП с последовательно-параллельным сканированием, построенных по базовой схеме 1-го поколения, использовать в качестве ПОИ субматричные микросхемы, позволяющие применить более простую и дешёвую ОС и уменьшить фоновую засветку ПОИ.
8. Разработано охлаждаемое фотоприемное устройство (ФПУ) на основе субматричной фоточувствительной микросхемы, работающей в режиме временной задержки и накопления и состоящей из матрицы ФЧЭ, сочлененной с интегральным матричным мультиплексором, обеспечивающее более высокие обнаружительные характеристики с сохранением основных конструктивных, массогабаритных и эксплуатационных параметров
Выражаю благодарность сотрудникам научных коллективов, в совместной работе с которыми был получен ряд представляемых в диссертации результатов: Митину В.П., Романову О.Г., Шевцову С.Е., Дегтяреву Е.В., Товбину Б.С., Блюдникову Л.М.
Оптика, используемая в инфракрасной области
Несколько увеличить поле можно путем введения корректирующих преломляющих элементов. В зеркально-линзовых (катадиоптрических) телескопических системах коррекция ограничивает и ухудшает спектральное пропускание, которое зависит от материала преломляющих элементов, введенных в систему.
Для широкоугольной оптики применяются, в основном, преломляющие элементы. Для достаточной коррекции хроматических и геометрических аберраций в линзовых телескопических системах требуется применение относительно большого числа сферических преломляющих поверхностей. Введение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшить число элементов в системах, предназначенных для решения конкретной задачи. Оптическое пропускание можно улучшить путем обработки преломляющих поверхностей (просветления), особенно когда применяемые материалы имеют высокие показатели преломления. Спектральные ограничения определяются, главным образом, внутренним поглощением в материалах.
Зеркальные телескопические системы, имеющие малое угловое поле, используются для объективов, работающих в широкой спектральной области, в системах обнаружения удаленных объектов (спектрометрия, радиометрия). Они применяются также в системах с большим диаметром входного зрачка. Коррекция геометрических аберраций в диапазоне расстояний до предмета от бесконечности до фокусного расстояния системы может быть достигнута с помощью зеркал, профили которых представляют собой конические сечения (рис. 1.5).
В некоторых системах желательно устранить экранировку центра зрачка вторичным зеркалом или ПОИ. Это особенно важно для радиометрических систем, работающих по схеме сопряжения зрачка и ФЧЭ ПОИ, в которой экранировка приводит к потере чувствительности, максимальной как раз в центре поверхности ФЧЭ.
Апланатический телескоп. Это телескоп, скорригированный на оси и к тому же имеющий довольно большое угловое поле благодаря тому, что скорригирована кома. Телескоп этого типа получается на основе телескопа Кассегрена, в котором зеркала подшлифовываются так, чтобы их профиль в меридиональном сечении удовлетворял условию синусов (телескоп Ритчи — Кретьена).
Рассмотренные выше приборы с асферическими зеркалами иногда трудно изготовить. Для более широкоугольных систем часто предпочтительнее применение сферических зеркал, аберрации которых скорригированы системой преломляющих элементов. Существует большое число способов корригирования. На рис. 1.6 указаны наиболее часто встречающиеся зеркально-линзовые телескопические системы.
Во всех случаях используются зеркала, позволяющие получить систему с большим входным зрачком без чрезмерного удорожания системы.
В настоящее время в инфракрасной области часто используются линзовые системы. Разнообразие материалов и возможности эффективной обработки поверхностей позволяют реализовать компактные оптические системы с высокими характеристиками. способность инфракрасной оптики, в общем случае, ниже, чем оптики для видимого участка спектра.
Хорошо скорригированная линзовая оптика, содержащая несколько оптических компонентов, может обеспечить мгновенное угловое поле, близкое к дифракционному пределу, то есть 0,5 мрад в спектральном диапазоне 8...13 мкм. Размер пятна рассеяния в фокальной плоскости составляет тогда 0,05 мм (для фокусного расстояния / = 100 мм), что соответствует разрешению 20 штрихов на миллиметр. В видимой области идеальная коррекция объектива такого типа дает разрешение 400 штрихов на миллиметр.
Преломляющие компоненты, в общем случае, выбирают не слишком толстыми, чтобы максимально уменьшить поглощение, а число компонентов стараются ограничить, чтобы минимизировать потери на отражение. Весьма часто используется германий, поскольку он обладает малыми потерями на поглощение и малой дисперсией в спектральном диапазоне 2...16 мкм. Однако высокий показатель преломления этого материала требует нанесения просветляющего покрытия, уменьшающего потери на отражение для рабочей спектральной области.
Наконец, наличие линзы как первого компонента системы позволяет отказаться от дополнительной установки входного окна. Линза сама тогда обеспечивает герметичность прибора, отделяя внутренний объем системы от внешнего окружающего пространства.
При получении теплового изображения отклонение мгновенного ПОЛЯ осуществляется с помощью оптико-механических устройств, то есть путем использования систем отклонения зеркал или преломляющих элементов, приводимых в механическое движение [37]. Имеются системы, в которых оптико-механическое сканирование заменено электронным. Речь идет о пировидиконах или многоэлементных фоточувствительных приборах с переносом заряда.
Оптико-механические устройства 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, то есть для получения строчной развертки. Упомянем здесь некоторые из них, хотя совершенно очевидно, что приведенный список не является исчерпывающим, так как можно представить очень много разнообразных систем отклонения оптических пучков (рис. 1.7).
Речь идет о вращении системы, состоящей из оптики и ПОИ (рис. 1.8). 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. Необходимо отметить, что на конечных расстояниях сканируемое пространство объектов имеет цилиндрическую форму.
Сравнительный анализ критериев эффективности ТВП
Сравнивая эти характеристики, можно увидеть характерные различия между ТВП трех типов: 1. Для формирования растра большого формата "длинные" линейные ПОИ требуют большого числа ФЧЭ и соответствующей технологической подготовки от промышленности. 2. По мере снижения длины линейного ПОИ сокращается длительность элементарного импульса, что требует повышения быстродействия электроники. 3. Для получения требуемой чувствительности ТВП при малых значениях Мк требуется увеличивать значение М , то есть формировать ПОИ в виде матрицы с достаточным общим числом ФЧЭ, что возможно при достаточно высоком уровне технологии. 4. Выбор той или иной схемотехники построения ТВП определяется наличием в стране соответствующих материалов, элементов и технологий.
Малые субматричные микросхемы с последовательно-параллельным сканированием, имеющие число ФЧЭ в строке меньше, чем в строке телевизионного кадра, уступая по ряду характеристик "длинным" субматрицам, имеют в то же время и свои преимущества. К числу последних относится возможность применения более простой и дешёвой оптики из-за отсутствия необходимости обеспечивать высокое разрешение в фокальной плоскости по большому полю. Другим достоинством малоразмерных микросхем является возможность обеспечить лучшую экранировку их от внешнего фона в ФПУ, что важно для приборов, работающих в режиме ограничения фоном (ОФ).
В настоящее время в ряде тепловизионных каналов используются линейные ПОИ формата 2x32 с ячейками 35x35 мкм на основе теллурида кадмия — ртути и германия, легированного ртутью [10]. Их спектральные характеристики чувствительности приведены на рис. 1.49 и 1.50. Причём для германия прогнозируется достижение удельной обнаружительной способности = 8-10 см- Вт_1-Гц1/2, что отвечает работе в режиме ОФ. Канал не имеет электронной схемы предварительной обработки сигнала в холодной зоне ФПУ. Линейный ПОИ размещён на фланце замкнутой газовой криогенной машины (ГКМ) типа МСМГ-8Б-0,4/30.
Перпективными являются фоточувствительные микросхемы (ФМС), которые представляют собой матрицу ФЧЭ (МФЧЭ), сочлененную с интегральным матричным мультиплексором, осуществляющим накопление, предварительную обработку, усиление и считывание информации с МФЧЭ. ФМС выполняется в бескорпусном исполнении и интегрирована с ГКМ.
Основными функциями оптико-электронных приборов является обнаружение, распознавание, а также определение координат объектов. Свойства приборов описываются большим числом параметров, многие из которых не позволяют создание некоторого универсального устройства, способного обеспечить те или иные сочетания некоторых параметров. Например, трудно обеспечить одновременно угловое поле в пределах десятков градусов (например, 100...150) и одновременно угловое разрешение в несколько угловых секунд.
Сложно также решить задачу создания быстродействующего прибора с высоким значением температурного разрешения (например, частота кадров FK= 100 Гц, пороговая чувствительность AT = 0,01 К). По этой причине на практике определились три типа оптико-электронных сканирующих приборов, каждому из которых присущи определенные, оптимальные для данного типа, значения параметров, определяемые назначением.
Теплопеленгаторы относятся к наиболее малочисленной группе оптико-электронных приборов. Теплопеленгаторы строятся по той же принципиальной схеме, что и тепловизионные системы. Главной особенностью теплопеленгаторов является развитость датчиков отсчета угловых перемещенийоптической оси, а также требования к оптической схеме в части формирования больших угловых полей (до 360). Для теплопеленгаторов также характерны большие дальности обнаружения объектов и, следовательно, большие значения диаметров входных зрачков. Отсюда следует чрезвычайная сложность или даже невозможность использования каких либо блоков сканирования из числа рассмотренных выше. Типичным способом развертки является вращение оптического канала и ФПУ вокруг оптической оси (рис. 1.51). Связь между ФПУ и блоком электронной обработки осуществляется через оптронную систему.
Состав и структурная схема модуля развертывающего устройства
МРУ представляет собой комплекс элементов, обеспечивающих функционирование блока сканирования и его взаимодействие с другими модулями, входящими в состав ТВП. На рис. 3.3 показана структурная схема МРУ, в состав которого входят следующие элементы: блок сканирования (БС); электродвигатель (ЭД); датчик углового положения блока сканирования (ДУ), предназначенный для формирования сигналов начала оборота блока сканирования ("начало") и сигналов синхронизации вращения блока сканирования ("счет"); блок управления приводом (БУП), предназначенный для формирования сигналов рассогласования между опорной частотой синхроимпульсов, вырабатываемых синхрогенератором БЭО, и частотой сигналов "счёт" с целью синхронизации вращения блока сканирования; элементы сведения оптических каналов (ЭСОК); оптический коммутатор (ОК), управляющий очередностью работы оптических каналов; объектив ПОИ (ОБ), формирующий в фокальной плоскости элементы изображения пространства предметов; разъём для передачи сигналов дистанционного управления телескопической насадкой ТН (перефокусировка, смена увеличения); вторичный источник питания (ВИП)
Компоновка составных частей модуля развертывающего устройства Компоновка составных частей РУ определяется из следующих соображений: модуль РУ представляет собой составную часть тепловизионного канала, элементы которого устанавливаются в общем корпусе ТВП; модуль РУ стыкуется с ТН, масса которой может варьироваться в широких пределах (от 0,5 кг при увеличении Iх до 15 кг при увеличении 15...20х). По этой причине стыковка РУ с ТН должна происходить через промежуточный элемент корпуса ТВП, соответствующий массе ТН; модуль РУ стыкуется с ФПУ также через элементы конструкции корпуса ТВП, что связано с различными массогабаритными характеристиками микрокриогенных систем (МКС), входящих в состав ФПУ, и различными способами стыковки МКС и ФП.
На рис. 3.4 приведена принципиальная компоновка РУ. Конструкция РУ размещается на несущей плате 1. Она же является элементом присоединения РУ к корпусу ТВП. На плате размещаются элементы сведения оптических каналов 6, корпус блока сканирования 2, несущий элементы электромеханики и блока сканирования, объектив 7 и разъем 10 для передачи сигналов дистанционного управления ТН 9. На корпусе 2 размещены узлы подшипников, в которых установлена ось вращения. На оси вращения размещены: блок сканирования 3, оптический коммутатор 6, а также элементы датчика угла 4 и электродвигатель 5. Плата управления 8 размещается на задней стенке корпуса 2.
Принципиальная схема РУ определяется, прежде всего, топологией ПОИ и порядком формирования растра в процессе развертки ПОИ сканирующей системой, входящей в состав РУ. В отечественной программе унификации и стандартизации ТВП и их модулей определен ПОИ, топологически выполненный, как "шахматный" линейный ПОИ (рис. 3.5), составленный из двух и более чересстрочных линеек ФЧЭ. Размер линейки ФЧЭ меньше размера растра вдоль кадра, а это предъявляет к блоку сканирования следующие требования:
Элемент разложения (пиксель - пкс) - минимальный элемент дискретизации плоскости предметов, равный проекции ФЧЭ ПОИ. Растр - совокупность элементов разложения, формируемых РУ за время кадра. Кадр - изображение на экране, передаваемое за полный цикл развертки. Скан - элементарный кадр, формируемый за единичный цикл развертки. Зона - совокупность элементов разложения, формируемых за время одного скана. Длительность элементарного импульса (т) - время прохождения проекцией ФЧЭ пути, равного его размеру.
Процесс развертки заключается в перемещении в пространстве предметов проекции ФЧЭ ПОИ таким образом, чтобы каждая точка пространства была проанализирована (опрошена), по крайней мере, одним из ФЧЭ. Примем за начальное положение проекции ПОИ положение, показанное на рис. 3.6 (крайнее левое). В этом положении первая линейка ФЧЭ находится в пределах заданного поля, вторая - вне поля. Строчная развертка блока сканирования обеспечивает перемещение проекции до крайнего правого положения, когда первая линейка выходит из поля, вторая -остается в поле. Дальнейшее перемещение проекции является нерабочим. В это время должно произойти смещение проекции ПОИ вниз на ширину одной зоны, после чего процесс развертки повторяется вплоть до последней зоны. Наиболее просто такая развертка обеспечивается с помощью системы сканирования, известной под названием "колесо Вейлера" (рис. 3.7).
Эта система представляет собой зеркальный многогранник, каждая грань которого наклонена к оси вращения на угол, необходимый на смещение зоны по кадру. Строчная развертка обеспечивается за счет вращения многогранника вокруг оси, развертка по кадру - за счет различного наклона граней к оси вращения. Эта система проста, но эффективна только при малых углах сканирования (до 10...15). При больших углах форма растра сильно отличается от прямоугольной, что приводит к большим геометрическим искажениям изображения при регистрации его на стандартном телевизоре, определенном в программе в качестве системы отображения информации.
Влияние относительного отверстия оптической системы и охлаждаемой диафрагмы на эффективность тепловизионного прибора
Традиционным для отечественной промышленности является прямое перенесение опыта создания опытных образцов ТВП на предполагаемую организацию их серийного производства. Попытки приспособить технические решения, оправдавшие себя при создании отдельных (макетных и опытных) образцов, к особенностям серийного производства на практике приводили либо к необходимости существенных доработок прибора (в том числе, разработки и изготовления отсутствующей в стране элементной базы, необходимой только для данной схемотехники ТВП), либо к изменению технологического процесса на предприятии-изготовителе ТВП. Это привело к существенному увеличению сроков производства и затрат, что, в свою очередь, сделало проблему серийного производства ТВП одной из важнейших и актуальнейших проблем отечественного оптико-электронного приборостроения.
На практике понятие "выбор технических вариантов" означает поиск компромисса между принципиальным техническим решением функциональной задачи и реализуемым на существующем технологическом уровне серийного производства образцом модуля ТВП или его узла или блока. Основные предпосылки при выборе компромиссных решений состоят в том, что параметры модулей ТВП находятся во взаимной связи явным и неявным образом.
Вследствие этого у разработчика ТВП существует определённая свобода в выборе вариантов построения, позволяющая несколько компенсировать недостаточно высокий технологический уровень, например, ПОИ, за счет увеличения функциональной нагрузки и усложнения конструкции РУ. Таким образом, выбор разработчиком технического решения конкретного узла или блока оказывается прямым образом включенным в процедуру выбора базовой технологии серийного производства модулей ТВП и, в свою очередь, служит инструментом корректировки при оптимизации базовой технологии серийного производства модульных ТВП.
Особенностью настоящей работы является то, что она ориентирована на поиск вариантов построения РУ и их аппаратной реализации для построения ТВП, одновременно учитывающих и требования различных групп потребителей к каждому из приборов, и реальные возможности отечественной промышленности на существующем уровне технологии серийного изготовления и контроля параметров ТВП.
Эта особенность заключается в том, что в технологический цикл создания прибора включается непосредственно процесс разработки отдельных узлов и блоков (модулей) ТВП и, в том числе, модуля РУ (МРУ).
Проделанный анализ позволяет утверждать, что все многообразие оптико-механических систем сканирования (ОМСС) может быть построено на базе счетного числа агрегатных узлов.
В литературе применению методов унификации уделено достаточно большое внимание, так как идея унификации достаточно универсальна, а проведение целенаправленной унификации на стадии проектирования весьма эффективно, если она рассматривается как метод проектирования.
Успешное промышленное освоение ТВП может быть достигнуто за счет своевременной разработки и реализации программ унификации наиболее дорогостоящих и сложных в изготовлении узлов (модулей) тепловизионной техники, обеспечивающих оптимальное соотношение между техническими и стоимостными показателями, упрощение задач эксплуатации и возможность совершенствования технических характеристик системы за счет улучшения параметров отдельных модулей.
Актуальность и большой объем работы, предваряющий аппаратную реализацию изделий, определяются тем, что МРУ является сложным оптико механическим изделием, во многом определяющим как архитектуру ТВП, так и вопросы их применения.
Поэтому возникла необходимость проведения исследований, направленных на создание ОМСС для ТВП различного назначения в виде ряда МРУ на основе методов унификации и разработку практических рекомендаций по созданию системы унифицированных модулей различного применения с учетом требований перспективных заказчиков и связи этих требований с экономическими показателями разработки и производства приборов, а также комплектующих элементов.
Выбор системы тепловидения обусловлен наличием имеющейся элементной базы и технологическим уровнем трех основных составляющих, необходимых для реализации потребительских характеристик, соединение которых в единое целое ("ядро") является постоянной составляющей тепловизионного канала: ФПУ; оптического канала (РУ); формирователя видеосигнала.
Выбор этих «агрегатных» узлов, распределение функциональной нагрузки и соединение их в единую тепловизионную камеру определяют облик ТВП и его потребительские свойства.
Очевидно, что главным звеном ТВП является ФПУ, параметры которого определяют технологию приема и преобразования ИК излучения в видеосигнал, то есть задают требования к элементной базе электронного тракта и к оптическому каналу.
