СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИДИМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ СКАНИРОВАНИИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРПУСА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И ПЕРЕДАЮЩАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H04N5/225 

Изобретение относится к области телевизионной техники и может быть использовано при контроле состояния внутренней поверхности корпуса высокого давления ядерного реактора.

Телевизионный способ контроля является одним из методов неразрушающего контроля, основанный на преобразовании оптического изображения поверхности контролируемого объекта в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о состоянии поверхности контролируемого объекта. Большим преимуществом этого способа контроля являются возможность осуществления записи контролируемой поверхности, длительное хранение и возможность сравнения результатов контроля, выполненных в различные периоды времени.

Однако при создании телевизионных средств контроля внутренней поверхности корпуса высокого давления ядерного реактора сталкиваются с такими проблемами, как высокая радиационная активность объекта контроля, большая протяженность поверхности, подлежащей контролю, и ограниченный промежуток времени, в течение которого должен быть проведен контроль. Телекамеры с твердотельными полупроводниковыми элементами плохо работают в радиационных полях. Поэтому, несмотря на их известные преимущества, которыми они обладают при скоростном сканировании поверхностей, они не могут быть использованы для контроля внутренней поверхности корпуса ядерного реактора. Для целей контроля в радиационных полях наиболее предпочтительными в настоящее время продолжают оставаться телевизионные передающие трубки типа "видикон". Эти трубки обладают большой чувствительностью, имеют простое устройство и малые размеры. Но они же имеют серьезный недостаток - значительную инерционность. Этот недостаток становится особенно ощутимым при проведении осмотра поверхностей большой протяженности в ограниченный промежуток времени, т.е. при скоростном сканировании.

Известен способ снижения коммутационной и фотоэлектрической инерционности передающей телевизионной трубки типа "видикон" [1], согласно которому в промежуток времени между операциями считывания и записи изображения мишень видикона засвечивают сначала световым лучом, а затем развертываемым электронным лучом. Недостатками этого способа являются малое снижение инерционности и длительность процесса.

Ранее была предложена телевизионная камера [2], содержащая передающую трубку, перед мишенью которой последовательно расположены объектив, затвор, лампочка для стирания. Мишень передающей трубки соединена с видеоусилителем, а фокусирующе-отклоняющая система соединена с генератором строчной и кадровой разверток. Повышение качества записываемого изображения в данной камере достигается за счет снижения фотопроводниковой инерционности в результате подсветки мишени лампочкой для стирания, а коммутационной - за счет многократного считывания потенциального рельефа каждого элемента мишени передающей трубки.

Однако вышеуказанные способ и телевизионная камера [1, 2] не могут быть применены для записи изображения при высокоскоростном сканировании.

Известно также устройство [3], применяемое в телевизионных системах летательных аппаратов для реализации способа автоматической компенсации скоростного смазывания изображения. Устройство содержит передающую телевизионную камеру, видеоконтрольный блок, объектив, подвижное зеркало и блок синхронизации. Выход передающей телевизионной камеры соединен с видеоконтрольным блоком, блоком синхронизации и управляющим приводом подвижного зеркала, в котором компенсация движения изображения достигается путем смещения отраженного от подвижного зеркала изображения в соответствии со скоростью движения, осуществляемого колебательным или вращательным движением подвижного зеркала.

Недостатком вышеуказанного решения является наличие механических частей, обуславливающих низкую надежность и точность системы, а также трудность осуществления режима колебаний с кадровой частотой, что обуславливает применение данной системы в основном в малокадровом режиме.

Было предложено устройство [4], в котором реализуется способ компенсации смазывания изображения. Скоростное смазывание изображения, обусловленное инерционностью передающей трубки, приводит к уменьшению видеосигнала, а в частотной области и к уменьшению верхних пространственных частот изображения. Поэтому предложено по величине видеосигнала оценивать степень смазывания изображения и вырабатывать соответствующий сигнал.

Отсутствие механических частей придает этому решению определенные преимущества по сравнению с решением [3], но сам способ компенсации смазывания изображения приемлем в основном для записи в малокадровом режиме.

Наиболее близким по технической сущности по отношению к заявляемому является техническое решение [5], с помощью которого реализуется способ получения качественного изображения быстро перемещающихся переднеплановых объектов, заключающийся в том, что поверхность сканирования облучают источником импульсного света, осуществляют прием отраженного от поверхности светового потока, формируют на мишени видикона зарядовый рельеф, считывают его, преобразуют в телевизионный сигнал и передают в записывающее устройство, а также осуществляют подсвет мишени видикона.

Передающая телевизионная камера, с помощью которой реализуется вышеприведенный способ, содержит видикон, перед мишенью которого расположены объектив и источник подсвета, синхрогенератор, выход которого через блок разверток соединен с входом видикона, выход которого соединен с записывающим устройством, и источник импульсного света для освещения поверхности сканирования, вход которого соединен с выходом блока управления.

В этом решении источник импульсного света включают только в момент появления перед объективом видикона переднепланового объекта по команде устройства управления. Само же устройство управления включается в работу после приема сигнала, выработанного устройством определения положения движущегося переднепланового объекта и переданного через элемент задержки. Устройство определения положения движущегося переднепланового объекта в данном решении выполнено в виде третьего источника света, светового экрана с прорезью и фоточувствительного элемента. При перемещении переднепланового объекта между экраном и фоточувствительным элементов последний вырабатывает импульс, который используется для включения источника импульсного света и синхронизации работы блока кадровой развертки синхрогенератора.

Данное устройство и реализуемый на его основе способ не могут быть использованы при проведении скоростного сканирования внутренней поверхности корпуса высокого давления.

Что касается способа получения видимого изображения, то, во-первых, возникают определенные трудности с точки зрения выработки фоточувствительным элементом импульса, возникающего как реакция на прохождение перед ним переднепланового объекта, во-вторых, источник подсвета, предназначенный для смещения чувствительности видикона в области уровня черного, создает малую освещенность мишени видикона, а поэтому снижение фотоэлектрической инерционности происходит в незначительной степени.

Что касается устройства передающей телевизионной камеры, то наличие в ней устройства определения положения переднепланового объекта усложняет конструкцию камеры, поскольку необходимо предусмотреть место для фоточувствительного элемента, блока задержки и кабелей для их соединения. Относительно третьего источника света и светового экрана с прорезью устройства определения положения переднепланового объекта, то необходимо предусмотреть средство для их синхронного перемещения с перемещением передающей телевизионной камеры в процессе скоростного сканирования.

Целью изобретения является получение качественного изображения при скоростном сканировании внутренней поверхности корпуса высокого давления ядерного реактора.

Другой целью изобретения является упрощение конструкции передающей телевизионной камеры.

В основу изобретения была положена задача разработать способ получения видимого изображения внутренней поверхности корпуса ядерного реактора при скоростном сканировании его поверхности с обеспечением качественного изображения всех отклонений, отличных от общего фона сканируемой поверхности.

Указанная задача решается тем, что по способу получения видимого изображения при сканировании внутренней поверхности корпуса ядерного реактора, по которому поверхность сканирования освещают источником импульсного света, осуществляют прием отраженного от поверхности светового потока, формируют на мишени видикона зарядовый рельеф, считывают его, преобразуют в телевизионный сигнал и передают в записывающее устройство, а также осуществляют подвес мишени видикона, согласно изобретению поверхности сканирования освещают источником импульсного света во время кадрового гасящего импульса рабочего кадра, а длительность импульсного освещения определяют из соотношения

где
τ - длительность импульсного освещения, с;
Δ - шаг развертки, мм;
Z_акт - число активных строк разложения;
M_o - отсчетный уровень глубины модуляции, принимаемый ≥ 0,15;
m_o - размещающая способность видикона при передаче изображения неподвижного объекта, ТВЛ;
m_v - допустимая разрешающая способность при передаче изображения движущегося объекта, мм;
V - скорость перемещения проекции изображения на мишени видикона, мм/с,
при этом считывание осуществляют с применением построчной разверстки, а подсвет мишени видикона осуществляют во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра, причем экспозиция на мишени видикона, создаваемая этим источником света, составляет 20 - 50% экспозиции на мишени, создаваемой отраженным от поверхности сканирования световым потоком первого источника импульсного света.

Указанная задача решается также тем, что в передающей телевизионной камере, содержащей видикон, перед мишенью которого расположены объектив и источник подсвета мишени видикона, синхрогенератор, выход которого через блок разверток соединен с входом видикона, выход которого соединен с записывающим устройством, и источник импульсного света для освещения поверхности сканирования, вход которого соединен с выходом блока управления, согласно изобретению в качестве источника подсвета мишени видикона применен дополнительный импульсный источник света, в качестве синхрогенератора применен генератор с построчным разложением, блок управления своим вторым выходом соединен с источником подсвета мишени видикона, а синхрогенератор соединен с входом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом записывающего устройства.

Применение двух источников импульсного света, один из которых применен для освещения поверхности сканирования с длительностью освещения, выбираемой в зависимости от скорости сканирования, а второй - для подсвета мишени видикона с созданием на его мишени экспозиции, составляющей часть экспозиции от источника освещения поверхности сканирования, позволило разнести во времени процессы создания зарядового рельефа на мишени видикона и нейтрализации остаточного рельефа, остающегося после считывания зарядового рельефа, и осуществить первый из них в течение рабочего (информационного) кадра, а второй - в течение нерабочих кадров. При этом все рабочий и нерабочие кадры осуществляют за время перемещения телевизионной камеры на величину засвеченной поверхности сканирования. В итоге это позволило получить видимое изображение поверхности сканирования и осуществить его запись, при этом имеющий место смаз изображения позволяет выявить погрешность в состоянии поверхности сканирования.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема передающей телевизионной камеры; на фиг. 2 - временная диаграмма работы передающей телевизионной камеры.

Предающая телевизионная камера содержит видикон 1, включающий в себя мишень 2, электронный прожектор 3, фокусирующую и отклоняющую систему 4, источник 5 питания, объектив 6, источник 7 импульсного света для освещения поверхности 8 сканирования, импульсный источник 9 подсвета мишени видикона, блок 10 управления, блок 11 развертки, генератор 12 с построчным разложением, видиотракт 13 и записывающее устройство 14.

Способ осуществляют следующим образом. Известны
S - площадь внутренней поверхности корпуса ядерного реактора, состояние которой нужно проконтролировать с помощью передающей телевизионной камеры, м²;
T - время, в течение которого внутренняя поверхность должна быть осмотрена, с;
m_o - разрешающая способность телевизионной камеры, ТВЛ (телевизионные линии);
m_v - заданная (допустимая) разрешающая способность на контролируемой поверхности во время перемещения телевизионной камеры, мм;
h - высота растра мишени видикона, мм.

Определяем коэффициента линейного увеличения β передающей телевизионной камеры:
.

Определяем высоту полоски H на внутренней поверхности корпуса ядерного реактора, которую захватывает передающая телевизионная камера во время сканирования, мм:
.

Определяем длину сканирования Z_ск, мм: Z_ск = S/H.

Определяем скорость сканирования V_ск, мм/с: V_ск = Z_ск/T.

Определяем скорость сканирования проекции изображения на мишени видикона V, мм/с:
V = V_ск•β.
Определяем дистанцию визирования, расстояния между передающей телевизионной камерой и внутренней поверхностью корпуса ядерного реактора L, мм:

где
f - фокусное расстояние объектива телевизионной камеры, мм.

Внутренняя поверхность корпуса ядерного реактора освещается источником 7 импульсного света. Отраженный поверхностью 8 световой поток преобразуется в зарядовый рельеф на мишени видикона, при этом рельеф может возникнуть только в момент освещения поверхности. Следовательно, длительность импульсного освещения равна времени накопления зарядового рельефа. Это время определяется из соотношения

где
Δ - шаг разложения, мм;
Z_акт - число активных строк разложения;
M_o - отсчетный уровень глубины модуляции, принимаемый ≥ 0,15;
m_o - разрешающая способность передающей телевизионной камеры, ТВЛ;
m_v - допустимая разрешающая способность на контролируемой поверхности во время перемещения телевизионной камеры, мм;
V - скорость перемещения проекции изображения на мишени видикона, мм/с.

m_v - это тот допустимый смаз изображения поверхности сканирования, который всегда имеет место при скоростном сканировании и который позволяет выявить и идентифицировать изменения в состоянии поверхности сканирования.

Определяем длину полоски, которую захватывает передающая телевизионная камера во время осмотра в направлении сканирования, l, мм: l = H/0,75, где 0,75 - правомерно только для телевизионных камер с соотношением длины и высоты телевизионного кадра 4:3.

Зная скорость перемещения проекции изображения на мишени видикона и длину захвата поверхности сканирования телевизионной камерой, можно определить время следующей импульсной засветки поверхности сканирования t_o, с:

где
α - коэффициент перекрытия телевизионного кадра, необходимый для удобства монтажа записываемого изображения, выбираемый в пределах до 10%.

Таким образом передающая телевизионная камера за время t_o должна сместиться на расстояние l (с учетом коэффициента перекрытия) с тем, чтобы после нового освещения импульсным источником света поверхности сканирования создавать на мишени видикона зарядовый рельеф следующего, примыкающего к первому участка поверхности сканирования. За время этого перемещения передающая телевизионная камера с учетом времени разложения телевизионного кадра сможет передать N кадров, определяемых из формулы N = t_o/t_разл.

Из этих N кадров один кадр используют в качестве рабочего (информационного) для его передачи в записывающее устройство, а остальные (N - 1) нерабочие кадры используют для подготовки мишени видикона (эти кадры не передают в записывающее устройство) к созданию на ней зарядового рельефа следующего участка поверхности сканирования от следующего информационного кадра.

Подготовка мишени видикона осуществляется путем освещения мишени дополнительным импульсным источником света во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра, причем экспозиция на мишени, создаваемая этим источником света, составляет 20 - 50% экспозиции на мишени, создаваемой отраженным от поверхности сканирования световым потоком первого источника импульсного света.

При величине экспозиции менее 20% качественное стирание остаточного рельефа, остающегося после считывания зарядового рельефа информационного кадра, достичь невозможно, поскольку уменьшается уровень заполнения центров захвата носителей заряда - ловушек и увеличивается фотоэлектрическая составляющая инерционности и одновременно увеличивается уровень потенциала поверхности мишени по отношению к катоду, увеличивается коммутационная составляющая инерционности.

При величине экспозиции более 50% дополнительный импульсный источник создает на мишени видикона свой зарядовый рельеф, который приводит к снижению контрастности изображения при освещении поверхности сканирования основным импульсным источником света.

Передающая телевизионная камера работает следующим образом. В исходном положении мишень видикона разряжена, электрическое поле на ней отсутствует. В рабочем состоянии от источника 5 на видикон 1 подают постоянное напряжение питания, от блока 11 разверток на фокусирующую и отклоняющую систему 4 подают пилообразные токи кадровой и строчной разверток, а с выхода генератора 12 подают строчные и кадровые синхроимпульсы на вход блока 10 управления.

Начнем рассматривать с операции освещения поверхности 8 сканирования источником 7 импульсного света. Во время этой операции с блока 10 управления с первого выхода поступает сигнал на источник 7 импульсного света для освещения внутренней поверхности корпуса ядерного реактора импульсом света и одновременно с блока 10 управления с второго выхода поступает сигнал на запирание импульсного источника 9 подсвета мишени 2 видикона. Отраженный поверхностью 8 световой поток проецируется объективом 6 на мишень видикона и преобразуется в зарядовый рельеф. При этом время освещения поверхности сканирования определяют из ранее приведенного соотношения и выбирают таким, чтобы при вычисленной скорости сканирования внутренней поверхности ядерного реактора передающей телевизионной камерой смаз зарядового рельефа не превышал заданной величины. Освещение поверхности 8 сканирования производят только во время обратного хода кадровой развертки (фиг. 2a).

Во время прямого хода кадровой развертки (фиг. 2a) зарядовый рельеф считывают электронным лучом, преобразуют в видеотракте 13 и записывают записывающим устройство 14 (фиг. 2c). Считывание проводят построчно для исключения сдвига рельефа в двух полях, который наблюдался бы в случае применения чересстрочной развертки.

Для нейтрализации остаточного рельефа рабочие кадры чередуют с нерабочими (фиг, 2a). Во время выполнения операции считывания остаточного зарядового рельефа рабочего кадра во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра (фиг. 2a) с второго выхода блока 10 управления поступает напряжение питания на дополнительный импульсный источник подсвета 9, который равномерно освещает мишень видикона (фиг. 2b). При этом с первого и с третьего выходов блока 10 управления поступают сигналы на запирание источника 7 импульсного света освещения поверхности 8 сканирования и записывающего устройства 14. При считывании зарядового рельефа электронным лучом во время прямого хода кадровой развертки зарядовый рельеф уменьшается. Нерабочие кадры с циклами нейтрализации остаточного рельефа повторяют один или несколько раз для его уменьшения до требуемой величины (фиг. 2b).

Так как источник подсвета мишени видикона работает только во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра (фиг. 2a, b), это не вызывает появления паразитного сигнала во время рабочего (информационного) кадра. Во время нерабочего кадра видеосигнал в записывающемся устройстве не записывают (фиг. 2c).

Таким образом, предложенные способ получения видимого изображения при сканировании внутренней поверхности корпуса ядерного реактора и устройство передающей камеры для его осуществления позволяют получить высокое качество изображения внутренней поверхности и одновременно позволяют упростить конструкцию передающей телевизионной камеры. Как показали экспериментальные работы, запись состояния внутренней поверхности корпуса ядерного реактора Запорожской АЭС диаметром 4 м и высотой 10 м была осуществлена всего за 3,5 ч.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Авт.св. СССР N 183243, кл. 21а¹ 32/35.

2. Авт.св. СССР N 489260, кл. H 04 N 5/26.

3. Патент US N 4021847, кл. H 04 N 5/30.

4. Авт.св. СССР N 1126189, кл. H 04 N 5/21.

5. Авт.св. СССР N 319159, кл. H 04 N 5/26.

Предложенный способ заключается в освещении поверхности сканирования источником импульсного света во время кадрового гасящего импульса рабочего кадра, при этом длительность импульсного освещения выбирают такой, чтобы при выбранной скорости сканирования внутренней поверхности корпуса ядерного реактора передающей телевизионной камерой смаз зарядового рельефа не превышал заданной величины, затем осуществляют прием отраженного от поверхности сканирования светового потока, формируют на мишени видикона зарядовый рельеф, считывают его с применением построчной развертки и передают после обработки в записывающее устройство, при этом во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра осуществляют подсвет мишени видикона дополнительным источником света. Для осуществления способа передающая телевизионная камера снабжена импульсным источником подсвета мишени видикона, блок управления соединен с импульсным источником подсвета, синхрогенератор соединен с блоком управления, который, в свою очередь, соединен с записывающим устройством. Техническим результатом является получение качественного изображения при скоростном сканировании. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения видимого изображения при сканировании внутренней поверхности корпуса ядерного реактора, при котором поверхность сканирования освещают источником импульсного света, осуществляют прием отраженного от поверхности светового потока, формируют на мишени видикона зарядовой рельеф, считывают его, преобразуют в телевизионный сигнал и передают в записывающее устройство, а также осуществляют подсвет мишени видикона, отличающийся тем, что поверхность сканирования освещают источником импульсного света во время кадрового гасящего импульса, совпадающего во времени с рабочим кадром при создании зарядового рельефа, а длительность импульсного освещения определяют из соотношения

где τ - длительность импульсного освещения, с;
Δ - шаг разложения;
z - число активных строк разложения;
M_o - отсчетный уровень глубины модуляции, равный 0,15;
m_o - разрешающая способность видикона при передаче изображения неподвижного объекта, твл;
m_v - допустимая разрешающая способность при передаче изображения движущегося объекта, м;
v - скорость перемещения проекции изображения на мишени видикона, мм/с,
при этом считывание осуществляют с применением построчной развертки, а подсвет мишени видикона осуществляют во время кадрового гасящего импульса нерабочего кадра, при этом нерабочий кадр соответствует времени стирания остаточного рельефа, причем экспозиция на мишени видикона, создаваемая этим источником света, составляет 20 - 50% от экспозиции на мишени, создаваемой отраженным от поверхности сканирования световым потоком первого источника импульсного света. 2. Передающая телевизионная камера для осуществления способа по п.1, содержащая видикон, перед мишенью которого расположены объектив и источник подсвета мишени видикона, синхрогенератор, выход которого через блок разверток соединен с входом видикона, выход которого соединен с записывающим устройством, и источник импульсного света для освещения поверхности сканирования, вход которого соединен с выходом блока управления, отличающаяся тем, что в качестве источника подсвета мишени видикона применен дополнительный импульсный источник света, в качестве синхрогенератора - генератор с построчным разложением, блок управления своим вторым выходом соединен с источником подсвета мишени видикона, а выход синхрогенератора соединен с входом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом записывающего устройства.