Способ формирования видеосигнала тепловизора с многоэлементным фотоприемником

 

Использование: в телевизионной технике, в тепловизионных системах, содержащих линейные и матричные фотоприемники. Сущность изобретения: в способе реализуются три режима работы, режим формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника, режим формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента фотоприемника и режим приема внешнего излучения. В первых двух режимах фотоприемник принимает только опорные излучения и при этом формирует корректирующие коды методом последовательных приближений с использованием оперативной памяти. В режиме формирования видеосигнала корректирующие коды считывают из оперативной памяти и используют для компенсации отрицательных факторов, вызванных разбросом параметров элементов фотоприемника, неоднородностью пропускания оптического тракта, собственным фоновым излучением оптического тракта и внешним фоновым излучением. Изобретение позволяет повысить качество формируемого видеосигнала тепловизионного сигнала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике и может использоваться в тепловизионных системах, содержащих линейные и матричные фотоприемники.

Известен способ формирования видеосигнала тепловизора с многоэлементным фотоприемником из описания функциональных схем тепловизоров, приведенных в работе [1] Согласно этому способу осуществляют прием внешнего потока излучения и преобразование его в электрический сигнал. Каждый раз после формирования кадра изображения осуществляют прием фотоприемником опорного потока излучения, встроенного в оптико-механический блок теплового источника, для получения привязки черного уровня видеосигнала к определенному уровню напряжения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ формирования видеосигнала тепловизора, описанный в работе [2] Особенностью инфракрасного диапазона спектра является малая контрастность теплового изображения в фокальной плоскости оптической системы в связи с тем, что фоновое излучение велико по сравнению с излучением, несущим полезную информацию. Поэтому для хорошей передачи контраста осуществляют компенсацию фоновой составляющей сигнала фотоприемника. Для этого, после преобразования приходящего излучения в электрический сигнал, усиливают последний только по переменной составляющей. При этом постоянная составляющая сигнала, характеризующая величину фона, блокируется с помощью конденсатора. Для уменьшения возникающих при этом искажений видеосигнала осуществляют прием фотоприемником опорного потока изучения внутреннего источника на неактивном участке сканирования и одновременно запоминают с помощью конденсатора напряжение, характеризующее реакцию фотоэлектрического тракта на опорное излучение. Во время приема внешнего потока излучения усиливается только переменная составляющая сигнала, который наложен на запомненное напряжение.

Недостатком описанных выше способов является то, что при использовании многоэлементных фотоприемников возникают искажения видеосигнала, вызванные, в частности, различной величиной фонового сигнала на выходе каждого чувствительного элемента фотоприемника. При использовании известных способов формирования сигнала тепловизора устраняется только среднее значение фонового сигнала от всех элементов фотоприемника.

Цель изобретения повышение качества формируемого видеосигнала тепловизионного изображения за счет более полной компенсации фонового сигнала для каждого элемента фотоприемника, а также за счет проведения коррекции сигнала с учетом наличия разброса элементов фотоприемника по чувствительности и неоднородности пропускания оптического тракта при величине опорного потока излучения, приходящегося на информационный диапазон излучения визируемых объектов.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования видеосигнала тепловизора с многоэлементным фотоприемником, включающем прием фотоприемником первого опорного потока излучения во время отсутствия приема внешнего потока излучения, запоминание электрического сигнала, соответствующего реакции приемного тракта на первый опорный поток излучения, и компенсацию фоновой составляющей сигнала фотоприемника при приеме внешнего потока излучения путем суммирования электрического сигнала от принятого внешнего потока излучения с запомненным электрическим сигналом, за время приема первого опорного потока излучения осуществляют формирование и запоминание электрического сигнала компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника, дополнительно при отсутствии приема внешнего потока излучения за время приема второго опорного потока излучения осуществляют формирование и запоминание электрического сигнала коррекции чувствительности для каждого элемента фотоприемника, при приеме внешнего потока излучения одновременно с компенсацией фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника путем суммирования предварительно обработанного сигнала соответствующего элемента фотоприемника с запомненным сигналом компенсации его фонового сигнала и дрейфа сигнала, осуществляют коррекцию чувствительности для каждого элемента фотоприемника путем изменения амплитуды просуммированного сигнала для каждого элемента фотоприемника в соответствии с запомненным сигналом коррекции его чувствительности, при этом величину первого опорного потока излучения устанавливают пропорционально величине потока внешнего фонового излучения, а во время приема первого опорного потока излучения, в течение которого формируют сигнал компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала в виде цифрового кода для каждого элемента фотоприемника, считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек, организуемой первой цифровой оперативной памяти, число ячеек делают равным числу элементов фотоприемника, считывают по заданному адресу цифровой код, запоминают его и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно обработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, просуммированный сигнал сравнивают с нулевым напряжением, по результату сравнения уменьшают или увеличивают запомненный код на единицу младшего разряда и записывают его в ту ячейку памяти, из которой он был считан, во время приема второго опорного потока излучения, в течение которого формируют сигнал коррекции чувствительности в виде цифрового кода для каждого элемента фотоприемника, считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек первой цифровой оперативной памяти и организуемой второй цифровой оперативной памяти, число ячеек которой делают равным числу элементов фотоприемника, считывают по заданному адресу цифровой код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала из первой памяти и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно обработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, одновременно считывают по тому же адресу цифровой код из второй памяти, запоминают его и с помощью его уменьшают или увеличивают по амплитуде просуммированный сигнал, который сравнивают с опорным напряжением, по результату сравнения уменьшают или увеличивают запомненный код на единицу младшего разряда и записывают его в ту ячейку второй памяти, из которой он был считан, во время приема внешнего потока излучения считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек первой памяти и второй памяти, считывают по заданному адресу цифровой код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала из первой памяти и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно отработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, одновременно считывают по тому же адресу цифровой код коррекции чувствительности из второй памяти и с помощью его уменьшают или увеличивают по амплитуде просуммированный сигнал.

Достоинством предлагаемого способа является то, что кроме компенсации фонового сигнала (вызванного излучением внешнего фона и собственным фоновым излучением оптико-механического блока) и разброса параметров фоточувствительных элементов приемника, происходит компенсация неоднородности пропускания оптического тракта, вызванная виньетированием входного потока излучения и, возможно, другими причинами. В связи с тем, передаточные характеристики чувствительных элементов фотоприемника могут иметь различную нелинейность, нахождение корректирующих кодов при величине второго опорного потока излучения примерно равной величине потока излучения от визируемых объектов позволяет также уменьшить искажения видеосигнала. Искажения уменьшаются в связи с возможностью формирования видеосигнала без использования разделительных конденсаторов в цепях передачи сигнала. Тепловизор, в котором реализован предложенный способ, будет нормально функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды.

На фиг. представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит оптико-механический блок 1, в состав которого входят источник 2 первого опорного потока излучения и источник 3 второго опорного потока излучения, многоэлементный фотоприемник 4, устройство предварительной обработки сигнала 5, сумматор 6, регулируемый усилитель 7 (регулируется коэффициент передачи), первый 8 и второй 9 блоки оперативной памяти, первый 10 и второй 11 реверсивные счетчики, имеющие по выходу третье, высокоимпедансное состояние, первый 12 и второй 13 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), источник 14 опорного напряжения, первый 15 и второй 16 компараторы, синхрогенератор 17, адресный счетчик 18, 19 нулевая шина. Источники излучения 2, 3 могут быть построены на базе термоэлектрических модулей, температура которых может быть изменена в широких пределах (включая минусовые температуры).

Способ формирования видеосигнала тепловизора с многоэлементным фотоприемником осуществляется следующим образом. В течение периода формирования кадра изображения (периода кадров) существуют три режима работы устройства: режим формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника, режим формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента фотоприемника и режим приема внешнего потока излучения, в течении которого формируется рабочий информационный видеосигнал. Если величина внешнего фонового излучения и параметры фотоприемника изменяются с течением времени при изменении температуры окружающей среды не столь быстро, упомянутые выше два первых режима могут существовать не в каждом периоде кадров. В любом режиме работы под воздействием тактовых импульсов синхрогенератора 17 и с помощью адресного счетчика 18 осуществляется последовательная выборка адреса ячеек блоков 8, 9 оперативной памяти синхронно со считыванием сигнала с элементов приемника 4. Для каждого элемента приемника 4 имеется одна ячейка памяти в блоке 8 для хранения кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала, одна ячейка памяти в блоке 9 для хранения кода коррекции чувствительности. После подачи питания на устройство в ячейках памяти блоков 8, 9 окажутся случайные значения кодов. Формирование корректирующих кодов осуществляется методом последовательных приближений. В зависимости от типа фотоприемника 4 и возложенных на тепловизор задач, устройство 5 предварительной обработки сигнала может выполнять функции усиления, интегрирования, фильтрации, выборки, смещения (с целью компенсации определенного постоянного напряжения) (и т.д.) сигнала фотоприемника 4.

Рассмотрим режим формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника 4, при котором отсутствует прием внешнего потока излучения и на фотоприемник падает только первый равномерный поток излучения от источника 2, задающего уровень черного в тепловизоре. Следует отметить, что чем ближе к входу оптического тракта блока 1 вводятся опорные излучения, тем выше точность проводимой коррекции, т.е. при этом учитывается собственное фоновое излучение и неоднородность пропускания оптического тракта блока 1. В рассматриваемом режиме чувствительные элементы фотоприемника 4 принимают также фоновое излучение оптического тракта. Пусть в этом режиме на первый вход сумматора 6 поступает сигнал с выхода устройства 5 предварительной обработки сигнала, соответствующий первому элементу приемника 4. Одновременно с первой ячейки блока 8 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания, считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 12 и в параллельном виде в реверсивный счетчик 10, который в это время по выходу находится в третьем, высокоимпедансном состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 12 поступает на второй вход сумматора 6, выходной сигнал которого сравнивается на компараторе 15 с нулевым напряжением шины 19. Результат сравнения в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 10, причем, если сигнал с выхода сумматора 6 больше нулевого напряжения, содержимое реверсивного счетчика уменьшается, если меньше увеличивается. После этого блок 8 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третье, высокоимпедансное состояние по выходу реверсивного счетчика 10 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 10 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое первой ячейки блока 8 оперативной памяти обновляется. При поступлении на первый вход сумматора 6 сигналов, соответствующих другим элементам фотоприемника 4, процесс повторяется по описанному выше алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 8 оперативной памяти.

Очевидно, что с увеличением числа опросов каждого элемента фотоприемника 4 сигнал на выходе сумматора 6 будет приближаться к напряжению шины 19 и сравняется с ним в последующих кадрах изображения. Привязка сигнала (от всех элементов фотоприемника 4) на выходе сумматора 6 к нулевому напряжению свидетельствует об устранении сигнала, вызванного первым опорным потоком излучения от источника 2, фоновым излучением оптического тракта блока 1, а также свидетельствует об устранении дрейфа сигнала элементов фотоприемника 4. Для обеспечения возможности работы ЦАП 12 в биполярном режиме учитывается инверсное значение старшего разряда реверсивного счетчика 10, выполняющего роль знакового разряда.

Сформированный код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника 4 хранится в ячейках блока 8 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра (или не столь часто, а через некоторое время) с изменением не более, чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента фотоприемника 4.

В режиме формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента фотоприемника 4 на последний подается только второй равномерный поток излучения от источника 3, причем его величину устанавливают выше величины первого опорного потока излучения от источника 2. В этом режиме реверсивный счетчик 10 по выходу находится в третьем состоянии, а блок 8 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника 4. Считываемый код записывается в ЦАП 12 синхронно со считыванием сигнала с элементов фотоприемника 4. Пусть в этом режиме на вход регулируемого усилителя 7 поступает сигнал с выхода сумматора 6, соответствующий первому элементу фотоприемника 4. Одновременно с первой ячейки блока 9 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания, считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 13 и в параллельном виде в реверсивный счетчик 11, который в это время по выходу находится в третьем состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 13 поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 7, который под действием управляющего сигнала изменяет свой коэффициент передачи. Выходной сигнал регулируемого усилителя 7 сравнивается на компараторе 16 с опорным напряжением источника 14. Результат сравнения в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 11. Пусть коэффициент передачи регулируемого усилителя 7 увеличивается с увеличением управляющего напряжения, тогда, если сигнал с выхода регулируемого усилителя 7 больше опорного напряжения, содержимое реверсивного счетчика 11 уменьшается, если меньше увеличивается. После этого блок 9 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третье состояние по выходу реверсивного счетчика 11 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 11 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое перовой ячейки блока 9 оперативной памяти обновляется. При поступлении на вход регулируемого усилителя 7 сигналов, соответствующих другим элементам фотоприемника 4, процесс повторяется по описанному выше алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 9 оперативной памяти. С увеличением числа опросов каждого элемента приемника 4 сигнал на выходе регулируемого усилителя 7 будет приближаться к опорному напряжению источника 14 и сравняется с ним в последующих кадрах изображения. Таким образом, для каждого элемента фотоприемника 4 методом последовательных приближений формируется свой код коррекции чувствительности, который хранится в соответствующей ячейке блока 9 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра (или не столь часто, а через некоторое время) с изменением не более, чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента фотоприемника 4. Сформированные коды коррекции чувствительности обеспечивают компенсацию разброса чувствительности элементов фотоприемников 4 и компенсацию неоднородности пропускания оптического тракта блока 1. В режиме формирования кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника 4 реверсивный счетчик 11 по выходу находится в третьем состоянии, а блок 9 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода коррекции чувствительности.

В режиме приема внешнего потока излучения оптико-механическим блоком 1 и фотоприемником 4 на последний не воздействуют опорные излучения источников 2, 3, но используются корректирующие коды, сформированные в предыдущих двух режимах. В этом режиме реверсивные счетчики 10, 11 находятся по выходу в третьем состоянии, а с ячеек блоков 8, 9 оперативной памяти считываются коды и осуществляется их запись во внутренние регистры ЦАП 12, 13 синхронно со считыванием сигнала с элементов фотоприемника 4. Таким образом, для каждого элемента фотоприемника 4 будет выставлен свой код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала и свой код коррекции чувствительности, что в конечном итоге приводит к компенсации отрицательных факторов, вызванных разбросом параметров элементов фотоприемника 4, неоднородностью пропускания оптического тракта блока 1, собственным фоновым излучением оптического тракта блока 1 и внешним фоновым излучением, если величина его потока равна величине первого опорного потока излучения источника 2. Что дополнительно отнести к внешнему фону, может решить, в частности, оператор тепловизора, наблюдая тепловизионное изображение на телевизионном индикаторе. Изменяя величину первого опорного потока излучения от источника 2 и синхронно величину второго опорного потока излучения от источника 3, он может убрать из тепловизионного изображения не интересующие его фрагменты, при этом улучшив воспроизведение наблюдаемых объектов. Изменением в небольших пределах только величины второго опорного потока излучения от источника 3 (на уровне потока излучения от визируемых объектов) достигают улучшения воспроизведения отдельных участков визируемых объектов.

Очередность режимов работы в течение периода формирования кадра не имеет существенного значения и зависит от построения тепловизора, в котором реализован предложенный способ.

Источники информации 1. Криксунов Л. З. Падалко Г. А. Тепловизоры: Справочник. К. Техника, 1987, с. 56-61.

2. Дж. Длойд. Системы тепловидения. /Пер. с англ. М: Мир, 1978, с. 300-308.

Формула изобретения

1. Способ формирования видеосигнала тепловизора с многоэлементным фотоприемником, включающий прием фотоприемником первого опорного потока излучения во время отсутствия приема внешнего потока излучения, запоминание электрического сигнала, соответствующего реакции приемного тракта на первый опорный поток излучения, и компенсацию фоновой составляющей сигнала фотоприемника при приеме внешнего потока излучения путем суммирования электрического сигнала от принятого внешнего потока излучения с запомненным электрическим сигналом, отличающийся тем, что за время приема первого опорного потока излучения осуществляют формирование и запоминание электрического сигнала компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника, дополнительно при отсутствии приема внешнего потока излучения за время приема второго опорного потока излучения осуществляют формирование и запоминание электрического сигнала коррекции чувствительности для каждого элемента фотоприемника, при приеме внешнего потока излучения одновременно с компенсацией фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого элемента фотоприемника путем суммирования предварительно обработанного сигнала соответствующего элемента фотоприемника с запомненным сигналом компенсации его фонового сигнала и дрейфа сигнала осуществляют коррекцию чувствительности для каждого элемента фотоприемника путем изменения амплитуды просуммированного сигнала для каждого элемента фотоприемника в соответствии с запомненным сигналом коррекции его чувствительности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину первого опорного потока излучения устанавливают пропорционально величине потока внешнего фонового излучения.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что во время приема первого опорного потока излучения, в течение которого формируют сигнал компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала в виде цифрового кода для каждого элемента фотоприемника, считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек организуемой первой цифровой оперативной памяти, число ячеек которой делают равным числу элементов фотоприемника, считывают по заданному адресу цифровой код, запоминают его и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно обработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, просуммированный сигнал сравнивают с нулевым напряжением, по результату сравнения уменьшают или увеличивают запомненный код на единицу младшего разряда и записывают его в ту ячейку памяти, из которой он был считан, во время приема второго опорного потока излучения, в течение которого формируют сигнал коррекции чувствительности в виде цифрового кода для каждого элемента фотоприемника, считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек первой цифровой оперативной памяти и организуемой второй цифровой оперативной памяти, число ячеек которой делают равным числу элементов фотоприемника, считывают по заданному адресу цифровой код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала из первой памяти и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно обработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, одновременно считывают по тому же адресу цифровой код из второй памяти, запоминают его и с помощью его уменьшают или увеличивают по амплитуде просуммированный сигнал, который сравнивают с опорным напряжением, по результату сравнения уменьшают или увеличивают запомненный код на единицу младшего разряда и записывают его в ту ячейку второй памяти, из которой он был считан, во время приема внешнего потока излучения считывают сигнал с элементов фотоприемника синхронно с последовательной выборкой адреса ячеек первой памяти и второй памяти, считывают по заданному адресу цифровой код компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала из первой памяти и, преобразовав в аналоговое напряжение, суммируют с предварительно обработанным сигналом соответствующего элемента фотоприемника, одновременно считывают по тому же адресу цифровой код коррекции чувствительности из второй памяти и с помощью его уменьшают или увеличивают по амплитуде просуммированный сигнал.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 21.07.2000

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2003

Извещение опубликовано: 20.03.2003        

---