УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА Российский патент 2025 года по МПК G01J5/48 G01J5/80 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в тепловизионных приборах (ТВП) для коррекции тепловизионного изображения, связанной с компенсацией разброса характеристик фоточувствительных элементов (ФЭ) матричных фотоприемных устройств инфракрасного излучения (МФПУ).

Известно калибровочное устройство прибора ориентации по Земле на основе микроболометрической матрицы (МБМ), установленное между оптической системой и МБМ (патент RU 132887 U1, МПК G01C 21/24, опубл. 27.09.2013).

Калибровочное устройство состоит из непрозрачной легкой шторки, механически связанной с приводом, обеспечивающим ее перемещение. Для калибровки прибора привод приводит в действие шторку, которая перекрывает поток излучения и препятствует его попаданию на МБМ.

Известен калибровочный затвор датчика звездной ориентации (патент RU 154706 U1, МПК G01C 21/24, G01S5/16, опубл. 10.09.2015).

Калибровочный затвор установлен между оптической системой и матричным приемником излучения таким образом, чтобы при снятии электропитания с механизма управления затвором он возвращался в исходное (открытое) положение.

Известно устройство для калибровки ТВП, выполненного на микроболометрической матрице - МБМ, (патент RU 2569170, МПК G01K 15/00, G01J 5/28, опубл. 20.11.2015), содержащее непрозрачную шторку, установленную снаружи ТВП перед его объективом и снабженную приводом ее перемещения и блоком управления приводом.

Известен тепловизор, выполненный на МБМ, (патент RU 49664 U1, МПК H04N 5/33, опубликован 27.11.2005), который для его калибровки снабжен непрозрачной шторкой с приводом ее перемещения и блоком управления приводом.

В известных калибровочных устройствах непрозрачная шторка с помощью привода шторки устанавливается так, что блокирует внешний оптический поток и обеспечивает подачу на МБМ собственного равномерного, одинакового для каждого элемента МБМ, излучения от шторки, что обеспечивает возможность автоматического учета прибором разброса характеристик ФЭ МБМ и последующую его компенсацию. Мощность потребления привода шторки, как правило, равна 38 Вт.

Общим недостатком этих устройств является то, что характеристики ФЭ выравниваются при величине наблюдаемой температуры, равной температуре шторки. Однако разброс характеристик ФЭ существенно разный при наблюдении разных температур, и температура реально наблюдаемой ТВП текущей "сцены" может сильно отличаться от температуры шторки и, в этом случае, качество тепловизионного изображения, полученного с использованием результатов калибровки по шторке, и, соответственно, разрешение будут невысокими, что в ряде случаев критично и недопустимо.

Известен способ компенсации неоднородности сигнала ФЭ многоэлементного фотоприемника (патент RU 2449491, МПК H04N 5/33, опубликован 27.04.2012), при котором, для реализации режима калибровки, массив постоянных составляющих сигналов с ФЭ МФПУ получают в результате расфокусирования за счет введения при помощи узла ввода-вывода в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора оптического расфокусирующего элемента (ОРЭ), формирующего на входе фотоприемника равномерный, усредненный поток излучения от наблюдаемой "сцены".

Известны оптические системы для тепловизионных приборов, выполненных на МФПУ, (патент RU 2449328, МПК G02B 5/14, опубл. 27.04.2012, патент RU 2543693, МПК G02B 5/14, опубл. 10.03.2015, патент RU 2567126, МПК G02B 5/14, опубл. 10.11.2015, патент RU 2646401, МПК G02B 5/14, опубл. 05.03.2018, патент RU 2783763, МПК G02B 5/14, опубл. 17.11.2022), снабженные ОРЭ, установленным с возможностью ввода-вывода его в оптический тракт, с помощью которого осуществляется необходимая при работе инфракрасных систем компенсация неоднородности параметров ФЭ приемника излучения (калибровка), что позволяет повысить качество тепловизионного изображения и, соответственно, разрешение.

Прототипом является устройство калибровки тепловизионного прибора, реализованное в оптико-электронном устройстве по патенту RU 2663537, МПК G01S 3/78, H04N 5/335, опубл. 07.08.2018, содержащем оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположено МФПУ. Оптическая система включает в себя ряд зеркал и линз, образующих объектив, и ряд расфокусирующих линз, а также устройство их перемещения. При этом устройство перемещения расфокусирующих линз выполнено на релейном механизме (электромагните, снабженном возвратным механизмом), реализующем их быстрый ввод при калибровке в оптический канал, что обеспечивает поступление одинаковых оптических сигналов на все ФЭ МФПУ, и вывод из него после калибровки. Для того, чтобы калибровка не привела к срыву выполнения боевой задачи, время на ее проведение не должно превышать, как правило, 0,5 секунды. При этом время для ввода в оптический тракт и вывода из него ОРЭ должно занимать не более, чем по 0,1 секунды. Остальное время - на прием и обработку сигнала с выхода МФПУ.

Общим недостатком известных тепловизионных приборов и прототипа, является высокая мощность потребления ТВП в режиме калибровки, обусловленная тем, что ОРЭ достаточно массивен (до 120 грамм), и поэтому для калибровки необходимо использовать сравнительно мощный электромагнит, например, ОМ-1039Т-12, потребляющий во время введения и удержания в оптическом тракте ОРЭ в условиях воздействия механических нагрузок, мощность порядка 38 Вт.

Таким образом, при собственном потреблении тепловизионных приборов в режиме наблюдения мощности порядка 20 Вт, в режиме ввода ОРЭ в оптический тракт и калибровки (на 0,4 секунды, необходимые для ввода и удержания ОРЭ в положении "Калибровка") потребляемая мощность возрастает, до величины 58 Вт, что часто недопустимо для некоторых применений ТВП.

Влияние этой возросшей мощности на суммарное потребление энергии за длительное время работы ТПВ после его включения незначительно, но максимальное пиковое значение возрастает в 2, 9 раз.

Как правило, для получения качественного изображения (исключения помех от других приборов) питание ТВП осуществляется от отдельного источника питания. Запас по мощности такого источника питания берется, как правило, равным 50%.

Потребление известных калибровочных устройств, выполненных в виде непрозрачной легкой шторки, составляет обычно 3 Вт, то есть общее потребление ТВП в этом случае не превышает в режиме калибровки 23 Вт, и источник питания, с учетом запаса 50%, берется с мощностью 34,5 Вт.

Техническим результатом изобретения является уменьшение мощности потребления ТВП в режиме калибровки с использованием ОРЭ.

Технический результат достигается тем, что в устройство калибровки тепловизионного прибора, содержащее оптический расфокусирующий элемент, размещенный между объективом и матричным фотоприемным устройством с возможностью ввода-вывода его из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма, согласно настоящему изобретению, дополнительно введен фиксатор оптического расфокусирующего элемента, снабженный блоком управления и возвратным механизмом фиксатора, причем блок перемещения оптического расфокусирующего элемента выполнен с возможностью накопления энергии и содержит механизм перемещения оптического расфокусирующего элемента, первый вход которого подключен к выходу первого ключа, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода первого конденсатора и первого вывода первого ограничителя тока, второй вывод которого является первым входом блока перемещения, а второй вывод первого конденсатора соединен со вторым входом механизма перемещения оптического расфокусирующего элемента и является вторым входом блока его перемещения, третьим входом которого является второй вход первого ключа.

А также тем, что блок управления содержит механизм перемещения фиксатора, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, первый и второй входы которого являются, соответственно, первым и третьим входами блока управления, вторым входом которого является второй вход механизма перемещения фиксатора.

А также тем, что блок управления выполнен с возможностью накопления энергии и содержит механизм перемещения фиксатора, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода второго конденсатора и первого вывода второго ограничителя тока, второй вывод которого является первым входом блока управления, а второй вывод второго конденсатора соединен со вторым входом механизма перемещения фиксатора и является вторым входом блока управления, третьим входом которого является второй вход второго ключа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства в положении "Работа ТВП".

На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого устройства в положении "Калибровка ТВП".

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого устройства в момент разблокировки ОРЭ.

На фиг. 4 представлена функциональная схема блока перемещения.

На фиг. 5 представлена функциональная схема блока управления, выполненного без накопления энергии.

На фиг. 6 представлена функциональная схема блока управления, выполненного с возможностью накопления энергии.

Устройство калибровки ТВП содержит ОРЭ 1, установленный между объективом 2 и МФПУ 3 с возможностью ввода-вывода его из оптического тракта с помощью блока 4 перемещения и возвратного механизма 5 ОРЭ 1.

В качестве возвратного механизма 5 ОРЭ 1 может быть использована, например, пружина.

Отличием предлагаемого устройства калибровки ТВП является то, что в него дополнительно введен фиксатор 6 ОРЭ 1, снабженный блоком 7 управления и возвратным механизмом 8 фиксатора 6, причем блок 4 перемещения выполнен с возможностью накопления энергии.

В качестве возвратного механизма 8 фиксатора 6 может быть использована, например, пружина.

Блок 4 перемещения содержит механизм 9 перемещения ОРЭ 1, первый вход которого подключен к выходу первого ключа 10, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода I первого конденсатора 11, и первого вывода I первого ограничителя 12 тока, второй вывод II которого является первым входом I блока 4 перемещения, а второй вывод II первого конденсатора 11 соединен со вторым входом II механизма 9 перемещения ОРЭ 1 и является вторым входом II блока 4 перемещения, третьим входом III которого является второй вход II первого ключа 10 (см. фиг. 4).

Блок 7 управления может быть выполнен, как без накопления энергии, так и с возможностью накопления энергии.

Блок 7 управления, выполненный без накопления энергии, содержит механизм 13 перемещения фиксатора 6, первый вход которого подключен к выходу второго ключа 14, первый и второй входы которого являются, соответственно, первым и третьим входами блока 7 управления, вторым входом которого является второй вход механизма 13 перемещения фиксатора 6 (см. фиг. 5).

Блок 7 управления, выполненный с возможностью накопления энергии, содержит механизм 13 перемещения фиксатора 6, первый вход которого подключен к выходу второго ключа 14, первый вход I которого подключен к точке соединения первого вывода I второго конденсатора 15, и первого вывода I второго ограничителя 16 тока, второй вывод II которого является первым входом I блока 7 управления фиксатора 6, а второй вывод II второго конденсатора 15 соединен со вторым входом II механизма 13 перемещения фиксатора 6 и является вторым входом II блока 7 управления фиксатора 6, третьим входом III которого является второй вход второго ключа 14(см. фиг. 6).

ОРЭ 1 выполнен в виде узла, который включает в себя оправку 17 с установленной в нее расфокусирующей линзой 18, и якорь 19 электромагнита, механически связанный с оправкой 17, при этом механизм 9 перемещения ОРЭ 1 выполнен в виде соленоида электромагнита (см. фиг. 1-4), то есть якорь 19 электромагнита является нижней частью оправки 17.

Фиксатор 6 может быть выполнен, например, в виде якоря электромагнита, при этом механизм 13 перемещения фиксатора 6 выполнен в виде соленоида электромагнита.

Работает устройство калибровки ТВП следующим образом.

До подачи на ТВП питания и после включения питания ТВП, до момента выхода МФПУ 3 на рабочий режим (например, достижения требуемого уровня охлаждения МФПУ), за счет действия пружины 5 ОРЭ 1 находится вне зоны оптического потока от объектива 2 к МФПУ 3, то есть в положении "Работа ТВП" (см. фиг. 1).

Пружина 5 ОРЭ 1 при этом находится в свободном состоянии, а пружина 8 фиксатора 6 - в сжатом состоянии (с возможностью еще большего сжатия).

Также сразу после подачи на ТВП напряжения питания начинают работать первый формирователь напряжения питания, питающий блок 4 перемещения и второй формирователь напряжения питания, питающий блок 7 управления (формирователи на фиг. 1-6 не показаны).

Напряжение с выхода первого формирователя поступает на входы I и II блока 4 перемещения и заряжает первый конденсатор 11 через первый ограничитель 12 тока.

Напряжение с выхода второго формирователя поступает на входы I и II блока 7 управления и подается или непосредственно на первый вход I ключа 14, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, или заряжает второй конденсатор 15 через второй ограничитель 16 тока при выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии.

Выходное напряжение формирователей, например, при использовании толкающего электромагнита ОМ-1039Т-12 в качестве механизма 9 перемещения ОРЭ 1 блока 4 перемещения и втягивающего электромагнита ОМ-0730 В-24 в качестве механизма 13 перемещения фиксатора 6 блока 7 управления составляет, как правило, величину порядка 38 В.

Ток заряда первого конденсатора 11 блока 4 перемещения, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, выбирается, как правило, порядка 40 мА (ограничивается в начале заряда конденсатора 11 ограничителем 12 тока), мощность потребления от первого формирователя составит кратковременно, на время заряда конденсатора 11, величину 1,5 Вт.

При этом ток через механизм перемещения 13 фиксатора, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, кратковременно, на время перемещения фиксатора 6 (0,1 секунды), составит при использовании электромагнита ОМ-0730 В-24 величину порядка 210 мА.

Мощность потребления от второго формирователя составит при этом 8 Вт.

Общая потребляемая мощность ТВП не превысит 29,5 Вт, что является максимальным потреблением во всех режимах работы ТВП при выполнении блока 7 управления без накопления энергии.

При выполнении блока 7 управления без накопления энергии могут использоваться первый и второй формирователи с выходной мощностью соответственно 1,5 Вт и 8 Вт.

При мощности питающего ТВП источника в 34,5 Вт запас по мощности потребления ТВП, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, составит 17%.

При выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии, ток заряда конденсаторов 11 и 15 выбирается, как правило, равным порядка 40 мА (ограничивается первым и вторым ограничителями тока 12 и 16 в начальный момент заряда первого и второго конденсаторов 11 и 15), то есть мощность потребления от каждого из формирователей кратковременно, на время заряда конденсаторов, составит величину порядка 1,5 Вт.

Общая потребляемая мощность не превысит при всех режимах работы 23 Вт, что является максимальным потреблением при выполнении блока 7 управления с накоплением энергии.

При выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии, могут использоваться первый и второй формирователи с выходной мощностью по 1,5 Вт.

Запас по мощности потребления, при выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии, при мощности питающего ТВП источника в 34,5 Вт, составит 50%.

Использование блока 7 управления без накопления энергии, предпочтительно в случае сложности с размещением электронных элементов в ТВП, в том числе второго конденсатора 15 и второго ограничителя 16 тока.

Использование блока 7 управления, выполненного с возможностью накопления энергии, позволяет добиться предельного уменьшения максимальной пиковой мощности потребления ТВП.

После выхода МФПУ 3 на рабочий режим через третий вход III блока 4 перемещения на второй вход II первого ключа 10 поступает с устройства управления ТВП (на фиг.1 - 6 не показано) сигнал отпирания первого ключа 10, в качестве которого может использоваться, например, оптореле CPC1918J.

При этом напряжение с первого конденсатора 11 поступает на входы I и II механизма 9 перемещения ОРЭ 1 (на обмотку соленоида электромагнита).

Через обмотку соленоида электромагнита начинает протекать ток, что приведет к выталкиванию якоря 19 электромагнита.

Так как оправка 17 ОРЭ 1 механически связана с якорем 19 электромагнита, ОРЭ 1 быстро переместится в положение "Калибровка ТВП", при котором оптический поток через объектив 2 и расфокусирующую линзу 18 поступает на МФПУ 3, что обеспечивает подачу на все ФЭ МФПУ 3 одинаковых оптических сигналов (см. фиг. 2).

При этом пружина 5 (возвратный механизм ОРЭ 1) растягивается за счет усилия, создаваемого механизмом 9 перемещения ОРЭ 1, а затем, при достижении ОРЭ 1 положения "Калибровка ТВП", фиксатор 6 за счет разжимания пружины 8 блокирует возможность возвращения ОРЭ 1 в положение "Работа ТВП".

Затем сигнал отпирания с третьего входа III блока 4 перемещения снимается.

Время на установку ОРЭ 1 из положения "Работа ТВП" в положение "Калибровка ТВП" занимает, как правило, не более 0,1 секунды.

По окончании процесса калибровки через время, порядка 0,3 секунды после установки ОРЭ 1 в положение "Калибровка ТВП", устройство управления ТВП выдает сигнал отпирания через вход III блока 7 управления фиксатора 6 на второй вход II второго ключа 14, в качестве которого может использоваться, например, оптореле CPC1918J.

Второй ключ 14 кратковременно открывается и пропускает напряжение на вход механизма 13 перемещения фиксатора 6 (на обмотку соленоида электромагнита), либо, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, непосредственно с выхода второго формирователя напряжения, либо, при выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии, с конденсатора 15.

Через обмотку соленоида электромагнита механизма 13 перемещения фиксатора 6 начинает протекать ток, что ведет к перемещению фиксатора 6, полному сжатию пружины 8, разблокировке ОРЭ 1 (см. фиг. 3) и установке его, за счет возвращения в свободное состояние растянутой ранее пружины возвратного механизма 5, в положение "Работа ТВП" (см. фиг. 1).

Время между поступлением отпирающего сигнала на второй ключ 14 и установкой ОРЭ 1 в положение "Работа ТВП" занимает, как правило, не более 0,1 секунды.

По истечении этого времени устройство управления ТВП снимает отпирающий сигнал второго ключа 14, ключ 14 закрывается, обмотка соленоида электромагнита механизма 13 перемещения обесточивается, пружина 8 фиксатора 6 разжимается, фиксатор 6 возвращается в исходное состояние (см. фиг. 1).

Цикл калибровки ТВП завершается.

Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом, выполнение устройства калибровки ТВП в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет, при высоком качестве калибровки, значительно уменьшить мощность, потребляемую ТВП в режиме калибровки - с 58 Вт до 29,5 Вт, при выполнении блока 7 управления без накопления энергии, и до 23 Вт, при выполнении блока 7 управления с возможностью накопления энергии, и тем самым значительно уменьшить максимальное пиковое значение потребляемой ТВП мощности в течение всего времени работы ТВП за счет применения блока 4 перемещения, использующего энергию, накопленную первым конденсатором 11 в течение сравнительно продолжительного времени в режиме работы ТВП для последующего быстрого разряда в режиме калибровки ТВП без заметного повышения общего и пикового потребления ТВП, а также за счет наличия автоматически управляемого фиксатора 6, позволяющего удерживать ОРЭ 1 в течение требуемого времени в положении "Калибровка ТВП" без энергозатрат на удержание.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах для коррекции тепловизионного изображения, связанной с компенсацией разброса характеристик фоточувствительных элементов матричных фотоприемных устройств (МФПУ) инфракрасного излучения. Устройство содержит оптический расфокусирующий элемент (ОРЭ), размещенный между объективом и МФПУ с возможностью ввода-вывода его из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма, а также фиксатор ОРЭ, снабженный блоком управления и возвратным механизмом фиксатора, причем блок перемещения ОРЭ выполнен с возможностью накопления энергии. Блок перемещения содержит механизм перемещения ОРЭ, первый вход которого подключен к выходу первого ключа, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода первого конденсатора и первого вывода первого ограничителя тока, второй вывод которого является первым входом блока перемещения, а второй вывод первого конденсатора соединен со вторым входом механизма перемещения ОРЭ и является вторым входом блока его перемещения, третьим входом которого является второй вход первого ключа. Технический результат: устройство позволяет уменьшить мощность, потребляемую ТВП в режиме калибровки, с 58 Вт до 29,5 Вт, при выполнении блока управления без накопления энергии, и до 23 Вт, при выполнении блока управления с возможностью накопления энергии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство калибровки тепловизионного прибора, содержащее оптический расфокусирующий элемент, размещенный между объективом и матричным фотоприемным устройством с возможностью ввода-вывода его из оптического тракта с помощью блока перемещения и возвратного механизма, отличающееся тем, что в него дополнительно введен фиксатор оптического расфокусирующего элемента, снабженный блоком управления и возвратным механизмом фиксатора, причем блок перемещения оптического расфокусирующего элемента выполнен с возможностью накопления энергии и содержит механизм перемещения оптического расфокусирующего элемента, первый вход которого подключен к выходу первого ключа, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода первого конденсатора и первого вывода первого ограничителя тока, второй вывод которого является первым входом блока перемещения, а второй вывод первого конденсатора соединен со вторым входом механизма перемещения оптического расфокусирующего элемента и является вторым входом блока его перемещения, третьим входом которого является второй вход первого ключа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит механизм перемещения фиксатора, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, первый и второй входы которого являются, соответственно, первым и третьим входами блока управления, вторым входом которого является второй вход механизма перемещения фиксатора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью накопления энергии и содержит механизм перемещения фиксатора, первый вход которого подключен к выходу второго ключа, первый вход которого подключен к точке соединения первого вывода второго конденсатора и первого вывода второго ограничителя тока, второй вывод которого является первым входом блока управления, а второй вывод второго конденсатора соединен со вторым входом механизма перемещения фиксатора и является вторым входом блока управления, третьим входом которого является второй вход второго ключа.