ТЕПЛОВИЗОР Советский патент 2014 года по МПК G01S17/00 

Предлагаемое изобретение относится к области пеленгационных средств и может быть использовано при разработке систем освещения окружающей тепловой обстановки, обнаружения на ее фоне малоразмерных объектов и определение их координат в оптическом и инфракрасном диапазонах волн излучения.

В известных устройствах подобного типа, использующих многоканальные приемники излучения (линейки, решетки), электрические сигналы элементов приемника излучения через предварительные усилители поступают на электронный коммутатор, а с него на основной усилитель (см., например, Борлей и Гилфорд, "Стострочный тепловизор", "Зарубежная радиоэлектроника", 1970 г., стр. 86-89; патент ФРГ №2031972; патент Великобритании №1355975; патент США №4209699; авт. свид. СССР №809658).

Основным недостатком всех этих устройств является широкая полоса частот основного усилителя, обусловленная большой частотой опроса элементов приемника излучения электронным коммутатором. Как известно, в системах обнаружения, использующих многоэлементные приемники излучения, рабочую полосу частот основного усилителя выбирают исходя из обеспечения максимального отношения сигнал/шум.

Известно также, что фоновый и собственный шумы элементов приемника излучения пропорциональны корню квадратному ширины полосы частот приемного тракта. Таким образом, уменьшая полосу частот электронного тракта, мы повышаем отношение сигнал/шум и тем самым повышаем чувствительность устройства в целом.

В некоторых случаях большая частота опроса элементов приемника излучения ставит под сомнение возможность построения устройства с необходимыми параметрами, поскольку тенденция увеличения количества элементов приемников излучения не прекращается.

Приведем пример. Пусть, частота кадров устройства, количество строк в кадре и количество элементов в приемнике излучения, соответственно равны: F_кадров=25, N_строк=400 и N_{элементов}=100.

Тогда частота импульсов опроса элементов приемника излучения будет равна F_{имп. опроса}=25·400·100=1·10⁶ Гц=1 МГц при максимальной длительности импульса опроса, равной τ_{опроса max}=1 мкс. Даже при этих скромных параметрах устройства частота опроса приближается к практическому пределу.

Устройство, которое принято за прототип, описано в авт. свид. СССР №874887 от 13 марта 1981 г.

В данном тепловизоре при анализе тепловой картины исследуемого пространства электрические сигналы с элементов линейного многоэлементного приемника лучистой энергии (ЛМПЛЭ) непосредственно поступают на вход общего усилителя, а с него на видеоконтрольное устройство (ВКУ). С синхронизатора на управляющие входы ключей поступают импульсы поочередного подключения блоков питания к питающим входам элементов ЛМПЛЭ, т.е. производится анализ изображения в строке.

При подаче на привод импульса синхронизации развертывающий блок поворачивается на определенный угол и производится анализ изображения в следующей строке и т.д. С синхронизатора на ВКУ подаются импульсы синхронизации по строкам и кадрам.

Недостатком вышеописанного устройства является широкая полоса частот приемного электронного тракта, обусловленная, как уже было сказано в описании аналогов, большой частотой опроса элементов ЛМПЛЭ, которая понижает чувствительность устройства.

Другим недостатком этого устройства является большая входная емкость усилителя, получаемая за счет параллельного подключения всех сигнальных выходов ЛМПЛЭ ко входу усилителя, которая понижает коэффициент усиления усилителя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности устройства с одновременным повышением качества изображения.

Поставленная цель достигается за счет того, что в тепловизор, содержащий входной объектив, сканирующее зеркало с редуктором и исполнительным электродвигателем, ЛМПЛЭ с блоками питания, ключи, усилитель, синхронизатор и ВКУ, при этом ЛМПЛЭ оптически связан с входным объективом и сканирующим зеркалом, сигнальный выход первого элемента ЛМПЛЭ непосредственно соединен со входом усилителя, выход которого соединен с первым выходом ВКУ, второй и третий входы которого связаны с третьим и четвертым выходами синхронизатора, второй выход которого соединен с исполнительным электродвигателем сканирующего устройства, а первый - с входами блоков питания, введены между сигнальными выходами элементов приемника излучения (кроме первого элемента) и входами ключей первые N-1 линии задержек, а между первым выходом синхронизатора и управляющими входами ключей вторые N-1 линии задержек, причем времена задержки двух линий задержек, подключенных к одному ключу, равны и выполнены с временами задержек, равными N·t_з, где N - порядковый номер элемента приемника излучения, а t_з - время задержки второго элемента приемника излучения.

Суть введения линий задержек заключается в том, что первые N-1 и вторые N-1 линии задержек понижают частоту опроса элементов приемника излучения и ключей соответственно, а вторые N-1 линии задержек служат также для того, чтобы в каждый данный момент ко входу усилителя был подключен только один сигнальный выход ЛМПЛЭ. За счет этого понижается входная емкость усилителя, а тем самым повышается его коэффициент усиления.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного тепловизора, а на фиг. 2 показаны эпюры напряжений в точках U_синхр., U_С1, U_С2, U_С3, U_С(N-1), U_К1, U_К2, U_К3, U_К(N-1) и U_ус.

Тепловизор содержит входной объектив 1, сканирующее зеркало 2, редуктор 3, исполнительный электродвигатель 4, ЛМПЛЭ 5, блоки питания 6, 7, 8, 9, линии задержек 10, 11, 12, 13, 14, 15, ключи 16, 17, 18, усилитель 19, синхронизатор 20 и ВКУ 21.

Входной объектив 1 и сканирующее зеркало 2 оптически связаны с ЛМПЛЭ 5. Сигнальные выходы элементов ЛМПЛЭ через линии задержек 10, 11, 12 и ключи 16, 17, 18 подсоединены ко входу усилителя 19.

Питающие входы ЛМПЛЭ 5 подсоединены к выходам блоков питания 6, 7, 8, 9, входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу синхронизатора 20, который через линии задержек 13, 14, 15 связан так же с управляющими входами ключей 16, 17, 18. Второй выход синхронизатора 20 подключен к исполнительному электродвигателю 4. Выход усилителя 19, третий и четвертый выходы синхронизатора 20 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам ВКУ 21.

Предлагаемый тепловизор работает следующим образцом. При помощи входного объектива 1, сканирующего зеркала 2 и исполнительного электродвигателя 4 с редуктором 3 анализируется тепловая картина на исследуемом участке пространства. Тепловое излучение строки анализируемого пространства поступает на ЛМПЛЭ 5, элементы которого выдают электрические сигналы, пропорциональные величине поступающего потока излучения. Электрические сигналы с элементов ЛМПЛЭ 5, проходя линии задержки 10, 11, 12 и ключи 16, 17, 18, формируют строку изображения, которая через усилитель 19 поступает на ВКУ 21.

При повороте зеркала 2 снова на определенный угол будет формироваться следующая строка изображения и т.д. Со второго выхода синхронизатора 20 подаются электрические сигналы на исполнительный электродвигатель 4 для поворота зеркала 2. С первого выхода синхронизатора 20 поступают импульсы включения блоков питания 6, 7, 8, 9 для анализа изображения в данной строке. Эти же импульсы через линии задержек 13, 14, 15 поступают на управляющие входы ключей 16, 17, 18. С выхода усилителя 19 на первый вход ВКУ 21 поступают строки изображения анализируемого пространства, а с первого и четвертого выходов синхронизатора 20 соответственно на второй и третий входы ВКУ 21 поступают импульсы синхронизации по строкам и кадрам.

Предложенное устройство по сравнению с известными имеет следующие существенные преимущества.

Как известно, в настоящее время применяются многоэлементные приемники лучистой энергии с количеством элементов 100 и более. В случае применения в предлагаемом изобретении 100-элементного приемника излучения, полоса частот электронного приемного тракта понижается на два порядка, тем самым чувствительность устройства, как уже говорилось при обсуждении аналогов и прототипа, повышается на порядок.

В предложенном устройстве съем сигналов строки изображения производится одновременно.

За счет этого повышается качество изображения анализируемого пространства.

В предлагаемом устройстве в качестве оптической системы можно использовать зеркальные, зеркально-линзовые или линзовые объективы типа "ПИКАР-11М", "Иртал-4", В-1604.

В качестве приемников излучения, охлаждаемых до 80 K, можно применить приемники из антимонида индия, свинец-олово-теллура, ртуть-кадмий-теллура и др., например, ФУЛ-132 ОС2.003.025ТУ, ФРО-152П ОС4.681.070ТУ "Арга-2" и др.

Б предлагаемом устройстве можно применить в качестве линий задержек ПЗС типа ИС528БФ1, усилителя - ИСК538УН1 и операционный усилитель К140УД8.

Изобретение относится к области пеленгационных средств и может быть использовано в системах освещения окружающей тепловой обстановки. Достигаемый технический результат - повышение качества изображения. Указанный результат достигается за счет того, что тепловизор содержит последовательно установленные и оптически сопряженные входной объектив, сканирующее зеркало с редуктором и исполнительным электродвигателем, линейный приемник лучистой энергии с N элементами и блоками питания, N электронных ключей, усилитель, видеоконтрольное устройство, синхронизатор, первые N-1 линий задержки, вторые N-1 линии задержки. Все перечисленные средства соединены между собой определенным образом, при этом времена задержки линий задержки, соединенных с одним и тем же ключом, равны. 2 ил.

Тепловизор, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные входной объектив, сканирующее зеркало с редуктором и исполнительным электродвигателем и линейный приемник лучистой энергии с N элементами и блоками питания, N электронных ключей, усилитель, видеоконтрольное устройство и синхронизатор, при этом выход усилителя соединен с первым входом видеоконтрольного устройства, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронизатора, третий выход которого соединен с входом исполнительного электродвигателя, а четвертый выход - с входами N блоков питания приемника лучистой энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изображения, в него введены первые N-1 линий задержки, включенные последовательно между выходами N-1 элементов приемника лучистой энергии, и соответствующими входами ключей, и вторые N-1 линии задержки, включенные последовательно между четвертым выходом синхронизатора и управляющими входами /N-1/ ключей соответственно, выход первого элемента приемника лучистой энергии соединен с входом усилителя, причем времена задержки линий задержки, соединенных с одним и тем же ключем, равны и составляют (N-1)τ_з, где N - порядковый номер элемента приемника лучистой энергии, а τ_з - время задержки, равное длительности импульсов напряжения на четвертом выходе синхронизатора.