В серийных тепловизорах отечественного производства типа «Рубин» и других для регистрации видеосигнала в виде термограммы используется электрохимическая запись изображения с применением электрохимической бумаги ЭХБ-4 или ЭХБ-6, позволяющей получать термограммы высокого качества с числом различимых градаций порядка десяти. В электрохимической бумаге (ЭХБ) оптическая плотность изображения D зависит от линейной скорости записи Vs и тока 13 через ЭХБ, приводящего к электрохимическому растворению пишущего электрода. Графики зависимости D = D (1а) при различных V3 (рис. 31,с) показывают, что оптическая плотность нелинейно увеличивается с ростом тока записи и уменьшается при увеличении скорости записи.
Рис. 31. Фототелеграфные характеристики электрохимической бумаги ЭХБ-4 (а) (/ —V3 = 0,5 м/с; 2—1 м/с; 3—2 м/с; 4—3 м/с) и графики зависимости сопротивления электрохимической бумаги ЭХБ-3 от скорости записи и оптической плотности (б) (1 — Ia = / (Vs), D — Dmax; 2 — R — = D = Dmax; 3—IB = f(Va), D = 0,2; 4— R = f(V3), D = 0,2)
Для правильного выбора режима работы выходного каскада усилителя записи регистрирующего устройства необходимо знать зависимость сопротивления ЭХБ от скорости записи. Из графика зависимости
(рис. 31,6) следует, что сопротивление R растет с увеличением оптической плотности отпечатка. Это объясняется тем, что для роста оптической плотности необходимо увеличивать ток записи, что приводит к разогреву электролита в месте контакта и к увеличению сопротивления ЭХБ.
Графики, изображенные на рис. 31,а и б, характерны для фототелеграфного режима записи, при котором получают полутоновые изображения. На термограмме кроме изображения содержится и знаковая информация, для качественной записи которой необходимо знать так называемые импульсные характеристики ЭХБ, представляющие зависимость плотности от длительности импульса (рис. 32).
В цепь питания ЭХБ включают ограничительный резистор сопротивлением 1000...1200 Ом, предохраняющий от перегрузок источник питания и, в некоторой степени, линеаризующий характеристику электрохимического регистратора.
В тепловизорах «Рубин-1», «Рубин-2 и «Статор» использован электрохимический регистратор (рис. 33). Видеосигнал подается на клеммы/, соединенные с пишущим электродом 4 и спиральным электродом 6 строчной развертки, находящимся на барабане 7. Электрохимическая бумага 2 протягивается между электродами 4 и 6 со скоростью протяжки V3. Для обеспечения надежного контакта с ЭХБ пишущий электрод прижимается пружинами 3 и 5. Вращение барабана 7 и сканера тепловизора синхронизируется.
Возврат строчной развертки с конца в начало строки может осуществляться практически мгновенно, в то время как в сканерах тепловизоров
КПД сканирования, равный отношению времени рабочего хода к периоду сканирования, редко превышает 0,75. Поэтому время нерабочего хода в сканерах при использовании электрохимического регистратора используется для нанесения различной дополнительной информации. Например, в тепловизоре «Рубин-2» — для получения опорного дискретного оптического клина; он необходим для количественной оценки термограмм, контрастность которых в процессе хранения может меняться. При этом оптическая плотность клина и термограммы изменяется одновременно.
Для получения возможности измерения параметров тепловых полей по виду термограмм в электрохимический регистратор вводят устройство, линеаризующее функцию D — D (Ugx), где UBX— входное напряжение регистратора, так что получается зависимость D = 1/вх — коэффициент преобразования).
Рис. 32, Импульсные характеристики электрохимической бумаги
Рис. 33. Схема электрохимического регистратора
Из технологических соображений величина £/вх в регистраторе, задается р виде кусочно-линейной функции Fx, аппроксимирующей реальную функцию F2 (рис. 34). Функцию F2 (1/вх) находят с учетом экспериментально определенной нелинейной функции D = D (1а) при Va — const (см. рис. 31, с) и заданного значения klm Аппроксимирующую функцию Fj подбирают таким образом, чтобы максимальная погрешность аппроксимации Д/тах вызывала такую погрешность воспроизведения оптической плотности ADmax, при которой выполнялось условие (Dmax— Dmin)fh = (3...5) ДDm3x (Dmax, Dmln- максимальное и минимальное значения оптической плотности ЭХБ, h — число различимых градаций). Чтобы избежать подгорания ЭХБ, функцию F± ограничивают при значениях l/EX> Uwax. Так как в процессе работы электрохимического регистратора сопротивление участка цепи между пишущим электродом (линейкой) и подвижным (барабаном) изменяется в больших пределах, оконечный каскад регистратора должен работать в режиме генератора тока при повышенном напряжении питания. Нестабильность сопротивления регистратора вызывается различными причинами: подсыханием ЭХБ, нестабильностью давления электродов на нее из-за их вибрации, вызванной неравномерным износом линейки, прорывом бумаги, приводящим к короткому замыканию, и т. д.
В тепловизоре «Рубин-3» применено сканирование в двух направлениях по синусоидальному закону плоским зеркалом на торсионном подвесе с электромагнитным возбуждением. Электрохимический регистратор также производит запись в двух направлениях с синусоидальной коррекцией геометрических искажений. При синусоидальной развертке изменяется линейная скорость записи Va электрохимического регистратора, что ведет к паразитной яркостной модуляции растра (он более светлый в центре и темный по краям). Чтобы избежать этого, корректируют амплитуду видеосигнала синхронно с разверткой, пропуская видеосигнал через управляемый нелинейный аттенюатор, коэффициент передачи которого регулируется синусоидальным напряжением.
Реализацию лииейно-кусочной функции, подобно изображенной на рис. 34, можно осуществить простейшим усилителем с регулируемым коэффициентом усиления (рис. 35), который позволяет получить три участка аппроксимации заданной функции Fg(t/Bx). Усилитель состоит из усилительного каскада на транзисторе Га и звеиа нелинейной отрицательной связи на транзисторах Т1 и Та. Значения напряжений Ux и 1/а определяют точки излома на аппроксимирующей функции Flt а сопротивления резисторов R3, RS и R6 — углы а2 и а8.
Рис. 2,34. Графики зависимостей 13 от UBX электрохимического регистратора
Рис. 35. Принципиальная схема усилителя электрохимического регистратора тепловизора «Рубин-2»
Когда падение напряжения на резисторе R5 не превышает U1 и U2, транзисторы Тх и Т2 закрыты. По мере увеличения напряжений до значений Uх и U2 транзисторы Т1 и Та открываются, в цепь эмиттера Т2 включаются резисторы RS и R6, что ведет к увеличению коэффициента усиления каскада и к формированию необходимого вида функции Fa. Средний динамический коэффициент усиления по напряжению равен 4 при работе с бумагой ЭХБ-4, ток через которую не превышает 120 мА.
В последних моделях тепловизоров «Рубин-3» число участков аппроксимации увеличено до четырех; усилитель записи построен на операционных усилителях с выходным каскадом, работающим в режиме источника тока, питаемого повышенным напряжением.
В тепловизоре «Рубин-3» использован способ двустороннего сканирования по синусоидальному закону, что потребовало создания электрохимического регистратора, производящего запись также в двух направлениях при синусоидальной развертке.
Регистратор (рис. 36) содержит развертывающий барабан 6 с двумя спиральными гребнями 5, пишущий качающийся электрод 8, ЭХБ-4, электромагниты 3, ось 4, диск синхронизации 7 с отверстиями 9, оптоэлектронную пару 1, формирователь импульсов 2. При пропускании тока между спиральными гребнями 5 и пишущим электродом 8 на бумаге, которая протягивается между барабаном 6 и электродом 8, формируются строки записи, образующие растр. При этом синхронизирующие импульсы с оптоэлектронной пары I в формирователе импульсов 2 преобразуются в импульсы Uвых 1 и Ub1х2, подаваемые поочередно в электромагниты 3, установленные с некоторым зазором относительно концов электрода 8.
Использование в регистраторе импульсной электромагнитной системы правления положением пишущего электрода обеспечивает стабильное периодическое перемещение концов качающегося пишущего электрода на величину шага h между строками растра и позволяет получить равномерный по яркости растр с параллельными строками и равномерным расстоянием между ними по всей ширине барабана (рис. 37).
Параметры описанных электрохимических регистраторов: плотность записи 2.5...3,3 строк/мм, ширина ЭХБ 120мм, скорость регистрации 2,5 строки/с, скорость записи 0,3 м/с, число различимых градаций 10, толщина пишущего электрода 0,3...0,4 мм.
Рис. 36. Схема электрохимического регистратора с записью в двух направлениях
Появление цифровых запоминающих устройств позволило развязать по масштабам времени регистрирующую и приемную части тепловизора и со« едать унифицированный электрохимический регистратор, конструктивно выполненный из двух модулей — записи и управления. Этот регистратор используется в тепловизорах модульного ряда «Радуга».
Рис. 37. Форма растра на электрохимическом регистраторе
Для визуального наблюдения термограмм в тепловизорах кроме электрических регистраторов применяют и ВКУ с различными электронно-лучевыми трубками, черно-белыми и цветными кинескопами. С появлением цифровых запоминающих устройств стало возможным применение стандартных ВКУ, используемых в телевидении, а также при необходимости и самих телевизоров. При этом включают высокочастотный тракт последних и подают на видеовход сигналы с синхронизирующими импульсами от тепловизора.
В коммутаторе 7 ВКУ тепловизора ТВ-03 (рис. 38) происходит временная селекция видеосигнала; далее он разделяется на три сигнала, которые усиливаются и подаются на кинескоп с размером по диагонали 25 см. Кинескоп позволяет получить десятицветное изображение, отображающее перепад температур 2 °С при максимальном усилении видеотракта, соответствующим порогу температурной чувствительности 0,2 °С. При использовании выносного опорного излучателя его изображение можно окрасить в любой из десяти цветов, привязанных к шкале температур Если все цвета не обеспечивают передачу температур по объекту, оставшиеся области отображаются черным цветом.
Видеоконтрольное устройство тепловизора «Радуга» обеспечивает развертку отличную от телевизионной, и, так же как АЦП этого тепловизора, имеет две шкалы Н и L, Шкала Н имеет 10 уровней сигнала, а шкала L — 5. Предусмотрены два режима работы ВКУ: первый режим — шкала Я черно-белая, шкала L цветная; второй режим — шкала Я цветная, шкала L черно- белая.
Таким образом, ВКУ имеет два основных варианта отображения информации: 10 цветных и 5 черно-белых градаций, 10 черно-белых и 5 цветных. Переход с одного варианта на другой осуществляется кнопкой «Инверсия». По сигналу от кнопки цветные градации становятся яркостными, а яркостные — цветными. Наличие двух режимов обеспечивает просмотр одной и той же термограммы как в полутоновом, так и в цветном вариантах. Дополнительные варианты отображения образуются с помощью десяти кнопок шкалы Я и пяти кнопок шкалы L.
При нажатии любой из этих кнопок происходит инверсия цвета или градация яркости, соответствующая одному из 15 чисел цифрового кода АЦП. Например, если выключить цветную шкалу L, а на шкале Я нажать кнопку, то на полутоневое изображение вместо яркостной градации наложится цветная изотерма.
Рис. 38. Структурная схема ВКУ тепловизора ТВ-03:
1 — синхронизатор: 2— блок развертки; 3. 5— аттенюаторы; 4, 6 — усилители; 7 — коммутатор; преобразователь монохромного сигнала в цветной; В, 10, 11 — усилители цветности; 12 — статический блок сведения сигналов; 13 — отклоняющая система
Для выделения этой изотермы можно использовать режим прерывистого ее появления. Для этого предусмотрена специальная кнопка. Нажимая остальные 9 кнопок, можно постепенно перейти от черно-белого изображения шкалы Я к цветному. Аналогичные режимы можно получить со шкалой L или с общими шкалами одновременно. В этом случае, когда требуется упростить изображение, можно нажатием специальной кнопки добиться гашения шкал Я и L. При нажатии кнопок шкал Я и L происходит прерывистое или постоянное гашение градации цвета или яркости, соответствующее выбранной кнопке.
Все эти функции позволяют, кроме получения дополнительных режимов отображения информации, эффективно выделить изотермы объекта, а по цвету или яркости определить температуру участков объекта.
