Тепловизоры - Схемы и параметры тепловизоров с оптико-механическим сканированием

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВИЗОРОВ С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ
Одним из первых в нашей стране был выпущен опытной партией тепловизор «Филин», где в качестве приемника излучения использовался неохлаждаемый болометр. Время развертки по кадру исчислялось минутами, и регистрация термограммы велась на фотопленку. Функциональная схема, используемая в этом тепловизоре, была применена и при создании последующей модели, получившей наименование «Рубин-МТ». Первоначально этот тепловизор имел функциональную схему, изображенную на рис. 12. Конструктивно он был выполнен из двух блоков: оптической головки, устанавливаемой на штативе, и электронного блока на радиолампах, где устанавливался и электрохимический регистратор, работающий с бумагой ЭХБ-4 шириной 120 мм. ИК излучение через сканирующее зеркало 16 и объектив 13 подавали через бленду 10 на ПИ 6, откуда сигнал поступал на предусилитель 1. От синхронного электродвигателя сканирование кадра по строке осуществлялось по пилообразному закону с помощью кулачкового механизма при соотношении длительности прямого и обратного ходов 3/1, Для переноса спектра сигнала из области низкочастотных шумов приемника в более высокочастотную (1360 ± 300 Гц) использовался симметричный четырехлопастный модулятор 41, вращающийся от синхронного привода 7 с частотой 20 400 мин-1 и создающий значительный уровень акустического шума. От лопастей модулятора 11 работал и оптоэлектронный датчик 12 опорного напряжения, подключаемый к формирователю опорного напряжения 8; он вырабатывал прямоугольные импульсы для ключей в синхронном детекторе 4 схемы вычитания среднего уровня видеосигнала и в предусилителе 1 переменного напряжения. Изменяя амплитуду прямоугольных импульсов, подаваемых на вычитающий вход предусилителя, можно было менять так называемый «уровень компенсации», впоследствии названный «уровнем отсчета регистрируемых температур». Изменением ослабления в основном усилителе 3 изменялся диапазон регистрируемых температур. Полосовой фильтр 2 пропускал видеосигнал в полосе 1360 ±360 Гц, выделяемый далее в синхронном детекторе 4 с трехступенчатой регулировкой постоянной времени.

Рис. 12. Функциональная схема тепловизора «Рубин-1» («Рубин-МТ»)

Для подавления паразитного сигнала, обусловленного отсутствием симметричности модулятора, к выходу синхронного детектора подключался низкочастотный фильтр-пробка 5, настроенный на частоту /фП = /и/^= 1360/4 = 340 Гц, где /м — частота модуляции, N — число лопастей модулятора. Видеосигнал с выхода синхронного детектора через фильтр-пробку подавался на усилитель записи 9. Последний представлял собой ламповый усилитель постоянного тока с коррекцией передаточного коэффициента за счет вольт-амперных характеристик диодов, включаемых в цепь обратной связи.
Электромеханический блок регистрации 14 синхронизируется со сканирующим зеркалом 16 с помощью датчика фазирования 17. Последний выдает сигнал на запуск вращения пишущего барабана, который осуществляет развертку изображения с линейной скоростью 0,3 м/с, что на применяемой бумаге ЭХБ-4 позволяет получить термограммы с большим перепадом плотностей почернения. Визир 15 предназначен для наблюдения местоположения мгновенного угла зрения и его ориентировочных границ, более точно наблюдаемых через рамочный видеоискатель. Наводку на резкость выполняли по Шкале расстояний рукояткой фокусировки и более точно устанавливали методом проб, как и оптимальный подбор положений переключателей «Компенсация» и «Ослабление», влияющих на уровень и размах видеосигнала, подаваемого на строчный индикатор.
Заливной приемник излучения 6 (на InSb) с ЧЭ 0,3X0,3 мм охлаждался жидким азотом.
На рис. 13 показаны временные диаграммы напряжений на входах и выходах отдельных блоков.
В процессе серийного выпуска была модернизирована оптическая схема тепловизора (рис. 14) для уменьшения создаваемого модулятором акустического шума и уменьшения дрейфа видеосигнала. В конструкцию был Введен конденсор 2, уменьшенный модулятор 3 был наклонен на угол 45°, помещен в плоскость промежуточного изображения и своими зеркальными лопастями подавал на приемник 1 опорный ИК поток от встроенного излучателя 5 через конденсор 4. Хотя тепловизор и не имел в выходных каскадах схемы привязки опорного уровня сигнала, введение в конструкцию встроенного излучателя уменьшило дрейф сигнала, так как менее заметно стал сказываться прогрев оптической головки. Конструкции сканирующего зеркала 8, объектива 6 и визира 7 не изменились.

Рис. 13. Временные диаграммы напряжения Uny на входе предусилителя, напряжения UK компенсации на вычитающем входе предусилителя, напряжений на выходах основного усилителя UQ у и синхронного детектора Uc д
Рис. 14. Модернизированная оптическая схема тепловизора «Рубин-МТ»

Тепловизор «Рубин-МТ» явился основой для развития тепловидения в стране. Последующая модель «Рубин-МТ» имела идентичные «Рубин-МТ» оптическую и функциональную схемы. Вследствие перехода от электронных ламп на транзисторы и микросхемы масса тепловизора была уменьшена в четыре раза, значительно сократились габаритные размеры. В состав тепловизора ввели выносной ИК излучатель, а встроенный выполнили по единой электрической схеме [73]. Это позволило проводить измерения методом сравнения, помещая рядом с объектом выносной излучатель. Визир снабдили рамкой, перекрестием и дальномером, работающим через отверстие в середине сканирующего зеркала. Несколько расширен угол зрения по кадру и, соответственно, ширина термограммы, на которую стали впечатывать дискретный оптический клин. Усилитель записи выполнен с линейно-кусочной аппроксимацией требуемого коэффициента усиления для согласования с оптическими характеристиками электрохимической бумаги.
Функциональные характеристики тепловизора приведены в табл. 5, а основные параметры — в табл. 6. Тепловизор широко применялся в медицине, промышленности, технике неразрушающего контроля благодаря высокой чувствительности, удобству документирования термограмм, простоте конструкции.

С появлением в тепловидении требований к количественным измерениям радиационных температур в последующей модели «Рубин-3» («Факел») были приняты меры по созданию информационно-измерительного канала тепловизора, улучшению его основных параметров и функциональных возможностей. В результате было уменьшено время сканирования по кадру при одновременном увеличении числа строк; снижен и нормирован дрейф сигнала, что позволило реализовать возможность прямых измерений радиационных температур; Обеспечена переориентация направления угла зрения в любую точку пространства, исключена необходимость, повышена точность наводки на резкость , и увеличен верхний предел регистрируемых температур. На термограмму стали наносить в виде цифр четыре параметра термографирования: уровень отсчета и диапазон регистрируемых температур, ширину изотермы, номер кадра, а также вертикальный термопрофиль и линию его выборки, изотермические зоны, шкалу полутонов, что позволило по виду термограммы определять температуру в любой ее точке. В конструкцию введен электронно-лучевой индикатор видеосигнала, двухсторонние синусоидальный сканер и электрохимический регистратор, цифровой процессор. Исключена необходимость использования выносного зеркала.

Тепловизор «Рубин-3» («Факел») состоит из оптической головки и блока- питания, укрепленных на качающемся коромысле и штативе. В блок электроники вмонтирован электронно-лучевой индикатор, в блоке электрохимической регистрации получают термограммы на бумаге типа ЭХБ-4. Характеристики тепловизора приведены в табл. 5, а функциональная схема показана на рис. 15.
Инфракрасное излучение от сканирующего зеркала 1 через объектив 3, зеркало 2 и конденсор 4 попадает на приемник 5, откуда видеосигнал поступает на предусилитель 7, ко второму входу которого через интегрирующую цепь R1C1 подключен следящий усилитель 8. На выходе предусилителя 7 среднее значение напряжения и за время строки близко к нулю, так как

Рис. 15. Функциональная схема тепловизора «Рубин-3» («Факел»)
второй вход следящего усилителя 8 имеет нулевой потенциал. [74]. Для исключения завала амплитудно-частотной характеристики предусилителя 7 на низких частотах и во избежание искажения видеосигнала постоянная времени R1CJ определяется из условия

где Еп— напряжение питания предусилителя; /и— нижняя частота видеосигнала; S — вольтовая чувствительность приемника; Фпор — пороговый поток.
Из-за большого значения т требуется применять электролитические конденсаторы и мегаомные резисторы, вследствие чего в момент включения тепловизора сопротивление утечки конденсатора С1 соизмеримо с RJ, заряд на конденсаторе не формируется и система может не входить в режим. Во избежание этого введен ключ /(/, который замыкают в момент включения тепловизора на время порядка 10 с, что обеспечивает ускоренное формирование заряда конденсатора С1 и выход системы на режим, после чего ключ К1 размыкают.
В тепловизоре применен способ синусоидального сканирования и регистрации, причем в моменты нерабочего хода по строке обтюратор 6 с помощью электромагнита 15 перекрывает измеряемый поток Фх от объекта и подает на приемник собственный поток Фсв качестве опорного. Для уменьшения неконтролируемых фоновых засветок приемника на обратной стороне контрзеркала объектива, перед приемником 5, установлено небольшое сферическое зеркало, отражающее на приемник его собственное излучение. Величина ф0 измеряется косвенно датчиком температуры. Использование излучения обтюратора в качестве опорного потока Фс вместо обычно применяемого встречного инфракрасного излучателя обусловлено тем, что в высокочувствительных тепловизорах на стабильный опорный поток излучателя в оптическом канале накладывается значительный нестабильный и неконтролируемый поток <Dn от элементов конструкции, что вызывает дрейф сигнала. В моменты времени, когда на приемник подается поток Ф0, видеосигнал U2 после схемы привязки на конденсаторе и ключе К2 равен нулю (t/2= 0). Так как Фс изменяется нелинейно от прогрева конструкции и температуры окружающей среды, это изменение учитывается подачей на сумматор 9 через функциональный усилитель коррекции 16 сигнала поправки Un от датчика температуры. На этот же сумматор через функциональный усилитель уровня отсчета 19 подается и сигнал UD уровня отсчета температур TQ от аттенюатора уровня 22, вследствие чего после ключа КЗ в разомкнутом состоянии суммарный сигнал Us= = U,+ Ut+ U0.
Значение UD выбирается аттенюатором 22 «Уровень». Прн этом видеосигнал на электронно-лучевом индикаторе 10 наблюдается симметрично относительно середины масштабной сетки экрана, не выходя по амплитуде за пределы экрана, что достигается с помощью регулятора фазы 11 и аттенюатора 12 («Диапазон»), изменяющего коэффициент усиления видеоканала. Видеосигнал зависит от температуры объекта нелинейно, вследствие чего равным приращениям температуры при различных уровнях ее отсчета соответствуют неравные приращения напряжения видеосигнала. Поэтому коэффициент передачи аттенюатора 12 зависит и от напряжения Ua, задаваемого аттенюатором 22.
Передаточный коэффициент усилителя 19 нелинеен и аппроксимируется линейно-кусочной функцией при настройке тепловизора по выносным ИК излучателям. В тепловизоре передаточные коэффициенты всех нелинейных усилителей задаются в линейно-кусочном виде с достаточной точностью аппроксимации, что позволяет упростить процесс настройки измерительного канала.

Отсекая шумы на частотах выше верхней частоты fB спектра видеосигнала, фильтр верхних частот на этой частоте сдвигает фазу видеосигнала на А/в, что при используемом в тепловизоре способе двухстороннего сканирования и регистрации вызывало бы двоение изображения на величину Д/. Для исключения двоения изображения регулятор фазы 27 через сканер 28 сдвигает фазу Афс колебаний зеркала 1 относительно барабана электрохимического регистратора 24 такой величины, что ДI = 0. При этом Афс необходимо периодически корректировать, так как привод регистратора 24 синхронизируется изменяющейся (в небольших пределах) частотой сети 50 Гц, что при высокой добротности механической колебательной системы сканера вызывает значительный уход его фазы. Если не подстраивать фазу сканера, т. е. Дфс=0, величину
А/ определяют из выражения где V3 — линейная скорость развертки регистратора.
В связи с тем что сканирование в тепловизоре синусоидально, для исключения модуляции оптической плотности термограммы в направлении строки служит корректор яркости 14, через который проходит сигнал с видеоусилителя 13. Корректор яркости управляется синусоидальным напряжением, "получаемым в строчном синхронизаторе 23, кинематически связанным с регистратором 24.
Процессор цифровой информации 25 по сигналам аттенюаторов 12 и 28, кадрового 26 и строчного 23 синхронизаторов посылает цифровую информацию через коммутатор 18 на регистратор 24. В результате на термограмме в цифровом виде записываются уровень отсчета, диапазон регистрируемых температур, ширина изотермы и номер кадра. Во время нерабочего хода сканера по строке на термограмму наносятся: оптический клин с помощью генератора пилообразного напряжения 21, вертикальный термопрофиль —
формирователем термопрофиля 20, изотермы — формирователем изотерм 17- В формирователе термопрофиля происходит выборка видеосигнала в заданный» момент времени относительно начала строки, запоминание его амплитуды и преобразование в длительность импульса. Ключи К.1...К4 синхронизируются строчной частотой и обеспечивают устранение дрейфа сигнала и привязку его к заданному уровню.
В процессе серийного производства к тепловизору «Рубнн-3» («Факел»>- разработана встраиваемая электронная схема, позволяющая получать термограммы, квантованные на пять, градаций яркости. Тепловизор позволил внести в тепловизионные исследования элементы метрологии, повысил производительность при термографированин.
Одним из первых быстросканирующих тепловизоров был «Янтарь-МТ» в котором, подобно первым тепловизорам, для развертки изображения использовался диск Нипкова из 45 линз, расположенных по спирали Архимеда.

Рис. 16. Функциональная схема тепловизора «Янтарь-МТ»

Из них 40 использовались собственно для сканирования, а 5 — для уменьшения скачка видеосигнала во время обратного, хода сканирования и возмущающих переходных процессов в тракте видеосигнала. Сканирующий диск выполнен со сравнительно однородным по излучательной способности покрытием их черного хрома, исключающим паразитную модуляцию видеосигнала. Функциональная схема тепловизора «Янтарь-МТ» показана на рис. 16. В первых образцах тепловизора использовался одноэлементный заливной приемник излучения и число строк с 40 до 80 удваивалось зеркалом 4, колеблющимся по кадру на шаг одной строки с частотой 25 Гц. Впоследствии , был использован двухэлементный (0,7 X 0,7 мм) приемник из InSb, качание зеркала исключено и удвоение числа строк получилось поочередным опросом а площадок и воспроизведением двух подкадров, образующих полные кадры ; на ЭЛТ частотой следования 12,5 Гц. С учетом интегрирующих свойств глаза: подкадровое воспроизведение со сдвигом развертки ЭЛТ на шаг строки обеспечивало приемлемое по качеству изображение, хотя эффект его мелькания и был заметен.
Инфракрасное излучение черезтрехкомпонентный объектив 1, диафрагму 2, линзы 17 в диске 3, зеркало 4 и конденсор 5 попадает на ПИ 6, подключенный к входам предуснлителей 11 и 15 переменного напряжения. Работающий от синхронизирующих отверстий в диске 3 оптронный датчик 7 кадровой и строчной синхронизации обеспечивает с помощью ключей 12 поочередную, с подкадровой частотой 25 Гц, подачу видеосигнала с предусилителей 11, 15 на видеоусилитель 13, имеющий в своем составе формирователь изотермы с регулируемой шириной. Сканирующий диск вращается с частотой
25 с-1, полный кадр формируется за два оборота диска. Блоки кадровой 10 и строчной 14 разверток электронно-лучевой трубки 16 типа23ЛК2Б обеспечивают генерирование пилообразных напряжений таким образом, что растр предыдущего подкадра располагается между растром последующего по сигналам схемы черезстрочной развертки 8 и блока синхронизации 9.
Электрическая схема тепловизора выполнена на транзисторах. Технические характеристики приведены в табл. 6.
С появлением современной элементной базы, развитием принципов цифрового тепловидения на базе оптической головки «Янтарь-МТ» был изготовлен тепловизор «Янтарь-2». При этом ставилась цель создания в нем измерительного канала и улучшения основных и функциональных характеристик. Как показали исследования, нестабильность видеосигнала зависит от температур диска 3, внутреннего объема оптической головки и диафрагмы 2, изменяющихся в процессе работы.

Рис. 17. Функциональная схема тепловизора «Алмаз»

Измеряя эти температуры, вводят поправку в периодически контролируемый уровень привязки видеосигнала, формируемый суммарным ИК потоком от межлинзовых промежутков диска и диафрагмы во время обратного хода по строке. Для исключения паразитной модуляции уровня привязки за счет флуктуаций излучательной способности межлинзовых промежутков используют покадровую привязку, хотя построчная могла обеспечить отсечку низкочастотных шумов приемника на более высоких частотах. Кадр изображения формируется за одни оборот диска с частотой 25 Гц и состоит из 240 строк за счет четырехкратного опроса содержимого строки в цифровой памяти тепловизора. Температурное разрешение повысилось за счет цифрового покадрового накопления видеосигнала.
В следующей модели быстродействующего тепловизора «Алмаз» поэлементное формирование изображения теплового поля обеспечивается вращающимся с частотой 25 с двенадцатигранным барабаном 2 (рис. 2.17) с разно- наклонными гранями и последующим опросом 11-элементного приемника 5, ша котором излучение фокусируется объективом 3. Порядок установки граней выполнен не по мере нарастания их заклона, а с чередованием четных и нечетных граней, приводящих к черезподкадровому сканированию для облегчения динамической балансировки сканера. На экране кинескопа формируется кадр, состоящий из 12 подкадров (по числу граней), образованных из вертикальных строчек, количество которых определяет число элементов разложения, равное 140. В кадре 12 X 11 = 132 горизонтальные строки. Видеосигналы от ПИ 5 через предусилитель 7 поступают последовательно во времени через ключи аналоговых коммутаторов 8 и 9 на вход основного усилителя 12 с управлением от аттенюатора усиления 25 и далее через комларатор 15 и оконечный видеоусилитель 16 — на катод кинескопа 19.
Для получения привязки черного уровня видеосигнала имеется регулируемый с помощью переключателя 24 встроенный источник опорного излучения (лампа накаливания ТРШ 1500-2300), калибруемый в диапазоне - 35...50 °С первоначально по выносным излучателям. Излучение от этой лампы; поступает через оптический опорный канал в моменты обратного хода сканера через отверстия в синхродиске 4 одновременно с излучением от двух навесных излучателей / со стабилизированной температурой. Последние предотвращают попадание постороннего излучения в моменты привязки уровня видеосигнала конденсаторами и ключом 11, переключающимся с подкадровой частотой 25 X 11 = 275 Гц. Быстродействующий коммутатор 8, управляемый от распределителя импульсов 10, обеспечивает формирование видеосигнала, а измерительный коммутатор 9 подключается один раз в кадр к одному, из выбранных каналов предусилителей 7. Рассматриваемая в данный момент точка объекта отмечается на экране перекрестием маркера, формируемого в генераторе меток 10.
Устройство выборки и хранения 18 запоминает амплитуду видеосигнала, преобразуемую во время импульсном АЦП 23 в цифровой код с усреднением результатов по десяти отсчетам. Усиление тракта калибруется по выносным источникам излучения, причем каждому значению коэффициента усиления соответствует свое значение диапазона регистрируемых температур, набираемого кодовыми переключателями 25. Данные об уровнях отсчета, диапазоне температур, порядковом номере кадра, амплитуде видеосигнала в обозначаемой маркером точке считываются в двоично-десятичном коде с переключателей 24, 25 и 26, выходов АЦП 23 и знакогенераторов 22. Синхронизатором 27 они вводятся в видеосигнал через коммутатор 15, отображаясь в свободной от изображения зоне на экране. В синхронизирующем диске 4 имеются отверстия для формирования синхронизирующих импульсов, определяющих начало и конец разверток, моменты ввода опорного излучения, включения знакогенератора, опроса генератора полутоновой шкалы.
Для фотографирования быстроменяющихся тепловых полей предусмотрен режим воспроизведения одиночного кадра. Имеются блоки строчной 17, кадровой 20, подкадровой 21 и дополнительной 18 разверток, обеспечивающие заслон вертикальных строк для коррекции геометрических искажений сканера. В тепловизоре имеется также формирователь изотерм 14, уровень которых совпадает с уровнем видеосигнала в момент генерации перекрестия, маркера 6.
Тепловизор «Алмаз», его оптико-механическая головка послужили базой для следующей модели цифрового тепловизора «Радуга-МТ» (рис. 18). Этот тепловизор состоит из оптической головки, блока преобразования стандартов разложения (БПСР), блока отображения информации (БОИ), двухплощадочного выносного ИК излучателя, фотоприставки, штатива, тележки, диапроектора, сосуда Дьюара.
Оптическая головка I в «Радуге-МТ» отличается от тепловизора «Алмаз»- отсутствием оптического опорного канала и тем, что грани сканера 10 установлены в порядке увеличения их заклона.
При вращении каждая грань сканера обеспечивает развертку изображения по горизонтали, что приводит к поочередному опросу 11 элементов приемника 6 по вертикали и одновременной записи информации в цифровые запоминающие устройства 19 и 27. В блоке преобразования стандартов разложения II при считывании из запоминающих устройств учитывается закон сканирования и, в итоге, с выхода запоминающих устройств цифровой видео» сигнал подается в построчный растр с коррекцией геометрических искажений сканера, приводящих к наклону вертикальных линий изображении на краях поля зрения. На одной оси со сканером 10 закреплен кодовый синхронизирующий диск 9 с отверстиями для оптронных датчиков формирователя синхронизирующих импульсов 8. Один ряд отверстий служит для формирования пачки синхронизирующих импульсов (ПСИ), содержащих информацию о началах и концах полей зрения, ввода опорных излучений; в другом ряду имеется лишь одно отверстие для опознавания начала кадра. По сторонам от входного окна тепловизора для получения опорного потока расположены два навесных излучателя с температурой, стабилизированной терморегулятором 11. Фокусировка объектива 7 осуществляется от исполнительного двигателя постоянного тока. Приемник 6 подключен к 11-канальному блоку предусилителей 2—5, откуда сигналы поступают на БПСР. Питается приемник 6 от стабилизатора 1.

Рис. 2.18. Функциональная схема тепловизора «Радуга-МТ»

В БПСР II видеосигналы поступают на масштабные усилители 12г в которых производится привязка видеосигнала к нулю в момент ввода опорного ИК потока. Импульсы привязки поступают из синхронизатора 16, осуществляющего дешифрацию ПСИ и формирование временных интервалов, соответствующих началу кадра, подкадра, вводу опорного излучения, левой и правой частям подкадра. Здесь же формируются построчные синхронизирующие импульсы (ССИ), строчные гасящие импульсы (СГИ), импульсы метки перекрестия (ФИМП), сигналы запрета записи в цифровую память, импульсы, определяющие время индикации результатов измерения, импульсы запуска термопрофиля и полутоновой шкалы, а также импульсы «дс», «у» для перемещения маркера, разрешения счета РСТ и импульсы, осуществляющие запуск процесса измерения температуры и разрешения считывания изображения (РСИ).
Аналоговый коммутатор 13 преобразует 11-канальный видеосигнал в одноканальный, подаваемый на четырехразрядный аналого-цифровой преобразователь 37 и далее на запоминающие устройства 19 низа и 27 верха кадра, работающие во время процесса считывания записи поочередно, обеспечивая непрерывную подачу цифрового видеосигнала на БОИ III. Запоминание кадра обеспечивается подачей импульса 33, запрещающего запись, начиная с некоторого кадра. Опрос запоминающих устройств осуществляется от блоков адресации 20, 28. Корректор 24 геометрических искажений по командам формирователя импульсов выборки 26 осуществляет пропуск нескольких элементов в строке в зависимости от номера строки и подкадра с целью обеспечения коррекции. Цифровой видеосигнал может фильтроваться цифровым фильтром 21 усреднением содержимого предыдущего и последующих кадров для подавления высокочастотных шумов и далее через распределитель вывода информации 29 подается на преобразователь кода 31, который вырабатывает сигналы цветности, усиливаемые в видеоусилителе 32 и управляющие током лучей цветного кинескопа типа 25ЛК2Ц. В БОИ III содержатся схемы 33 строчной (3600 Гц) и кадровой 34 (25 Гц) разверток, высоковольтный стабилизатор 35 и собственный блок питания 36. В БПСР II имеются также блок питания 17, переключатель номера кадров 18, формирователь термопрофиля, 25, знакогенератор 30, накопитель 22 и вычислитель 23 для измерения температуры в точке перекрестия маркера, данные от которых поступают на входы распределителя 29 вывода информации и далее в БОИ III. Для синхронизации схем тепловизора с частотой вращения сканера 10 имеется умножитель частоты 15 и формирователь импульсов 14, вырабатывающие импульсы выборки каналов предусилителей (907,2 кГц), строчные (3600 Гц) и кадровые синхронизирующие импульсы (25 Гц), а также другие служебные импульсы. В тепловизоре имеются потенциометры для периодической калибровки измерительного канала. Запоминающие устройства 19 и 27 на микросхемах типа. К-134РУ6 работают поочередно на запись и воспроизведение. Считывание осуществляется с частотой 907,2 кГц, получаемой с формирователя импульсов записи 18.
В БОИ осуществляется позитивное и негативное кодирование, а также инверсия цветов в результате смены порядка цветового, кодирования. Часть динамического диапазона квантуется грубо на 10 уровней, которым соответствует 10 цветов, а один из этих уровней (зона точного квантования) — на. пять уровней, отображаемых пятью черно-белыми градациями. Предусмотрен режим, когда динамический диапазон разбивается на пять черно-белых градаций, одна из которых замещается десятью цветными.
Тепловизор может работать в калиброванном или некалиброванном режиме, при этом уровни на компараторах АЦП 37 изменяются аттенюаторами- соответственно дискретно или плавно. Возможно подключение второго.
На поле термограммы в виде цифр отображаются шесть параметров термо- графирования: номер кадра, температура в перекрестии маркера, уровень отсчета температур, диапазон регистрируемых температур, цена деления цветной и черно-белой шкал. Обе шкалы воспроизводятся на экране. Вместо них может воспроизводиться вертикальный термопрофиль и линия его выборки маркером, цвет которого может задаваться любым. Для расширения диапазона регистрируемых температур объектив 7 снабжен регулируемой диафраграмой.
Основные параметры и функциональные характеристики тепловизора -«Радуга-МТ» даны в табл. 5; 2.6.
Последующая модель -«Радуга-МТ» отличается от предыдущей тем, что число черно-белых градаций увеличено до десяти, несколько усовершенствован измерительный канал и расширены функциональные возможности. Так, стали возможными операции препарирования запомненного изображения: исключение цветов, смена цветокодирования, перемещение маркера и линии выборки термопрофиля с точкой замера температуры. Введены новые электрические схемы. С целью повышения точности измерений в оптическом канале увеличена поглощающая способность элементов конструкции, введена кольцевая бленда в объектив, выполнены требования на идентичность отражательной способности всех 12 граней сканирующего барабана, покрыты технологические фаски граней сканера, отражающих излучение от объекта на приемник в моменты привязки уровня видеосигнала, установлен более жесткий допуск на линейные размеры граней. Это позволило уменьшить паразитную подкадровую модуляцию, видеосигнала. Привязка уровня видеосигнала стала осуществляться не после каждого подкадра, а один раз за кадр. При этом несколько увеличилась полоса пропускания электронного тракта в области низких частот, но уменьшилась паразитная модуляция уровня, возникающая за счет неравномерности теплового поля навесных опорных излучателей.
В быстросканирующем тепловизоре «Радуга-2» расширены функциональные возможности и реализована регистрация термограмм на медленно пишущем электрохимическом регистраторе. Возможно также их наблюдение на стандартном телевизионном кинескопе и обычном телевизоре через антенный или видеовход. Это стало возможным благодаря применению цифровой памяти для развязки по масштабам времени приемного, воспроизводящего и регистрирующего каналов.
На экране телевизора отображается термограмма, дискретный калибровочный оптический клин из десяти градаций, цифровая информация о параметрах термографирования (уровень отсчета и диапазон регистрируемых температур, цена одной градации, порядковый номер кадра). Так как кинескоп телевизора не позволяет четко различить десять градаций яркости, используется способ «высвечивания» любой или некоторых из них в виде мигающих с заданной частотой изортермических зон. Численные значения изотерм определяются по их номеру, значениям уровня отсчета и диапазона температур. Поскольку любая точка на термограмме может быть выделена как относящаяся к зоне изотермы, температуру можно определить в любой точке объекта.
В «Радуге-2», как и в предыдущей модели, используется квадрантный способ запоминания термограмм, причем один из квадрантов может воспроизводиться на весь экран с помощью так называемой электронной лупы, применяемой при исследовании небольших объектов.
Используется и цифровое интегрирование видеосигнала для снижения заметности шумов на термограмме, что эквивалентно улучшению температурного разрешения тепловизора. При этом для формирования видеосигнала находят среднее значение от сложения двух или четырех кадров. С учетом интегрирующего действия глаза положительный эффект от такой операции очевиден даже на экране телевизора и еще более нагляден на термограмме, получаемой в электрохимическом регистраторе.
Применение электрохимического регистратора позволило отказаться от дорогостоящего фотопроцесса регистрации термограмм. Отличительными особенностями регистратора являются: долговечный пишущий электрод в виде замкнутой ленты; повышенная скорость записи; работа в старт-стопном режиме; наличие автономного модуля управления, где сосредоточены схемы питания, декодирования, усиления, линеаризации, синхронизации и выдачи контрольных тестов. В результате исключена необходимость частой смены пишущего электрода, что характерно для предыдущих моделей тепловизора, экономнее расходуется электрохимическая бумага, так как ее протяжка начинается и оканчивается одновременно с записью термограммы, осуществляемой по команде оператора или импульсом управления, например от ЭВМ.
Тепловизор (рис. 19) состоит из оптической головки, установленной на штативе; телевизора, на экране которого наблюдается термограмма; электронного блока; блока питания; электрохимического регистратора с модулем управления и двухплощадочного инфракрасного излучателя, устанавливаемых на тележке.
Излучение объекта зеркальным объективом б фокусируется на чувствительные площадки 11-элементного фотодиода 4, охлаждаемого жидким азотом. Сканирование поля обзора осуществляется с помощью вращающегося с частотой 25 с"1 барабана 7 с 12 разнонаклонными зеркальными гранями. Видеосигнал с приемника 4, усиленный предусилителя ми 3, поступает на аналоговый коммутатор 2, управляемый формирователем сигналов управления 12. В функциональном усилителе 1 корректируется зависимость амплитуды видеосигнала от температуры объекта.

Рис. 19. Функциональная схема тепловизора «Радуга-2»

Передаточный коэффициент подбирают при регулировке тепловизора по черному телу с изменяемой температурой. Уровни и диапазон исследуемых температур выбирают декадными аттенюаторами уровня 9 и диапазона 10, которые, соответственно, управляют уровнем привязки и усилением усилителя основного канала 11. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код в шестиразрядном АЦП 15. Информация об объекте записывается в два массива ОЗУ 18, 21, с помощью которых производится преобразование закона разложения, а также цифровая обработка изображения. ОЗУ может работать в двух режимах: в реальном масштабе времени, когда информация выводится на унифицированный черно-белый телевизор и с выводом информации на электрохимическую бумагу, когда запись в ОЗУ прекращается, и с одного куба памяти информация выводится на телевизор, а с другого — на электрохимический регистратор 32.
С помощью ОЗУ осуществляется цифровое интегрирование по двум или четырем кадрам, необходимое для улучшения отношения сигнал/шум, и, следовательно, уменьшения порога температурной чувствительности. Переадресация содержимого ячеек памяти производится в помощью адресных узлов 19. 22; геометрическая коррекция искажений, вносимых сканирующим устройством,— формирователями геометрической Коррекции 20, 23. в пределах трех элементов разложения по строке. Коммутация кода, поочередно поступающего с блоков ОЗУ 18, 21, работающих на вывод информации, происходит в коммутаторах 24, 25, где информация адресуется в канал телевизора или: регистратора.

Рис. 20. Оптическая (а) и структурная (б) схемы тепловизора БТВ-1 (ТВ-03)

Цифровой код преобразуется в аналоговый сигнал в цифроаналоговых преобразователях 26 (в тракте формирования телевизионного изображения) и 28 (в тракте электрохимической записи). Служебная информация, выводимая на термограмму в виде символов и цифр, а также полутоновой клин формируются в формирователе знаков 31. Блок изотерм 27 формирует изотермы, ширина которых может изменяться дискретно с шагом, составляющим 10 % от выбранного диапазона температур. Телевизионный сигнал формируется в формирователе 30 и наблюдается в виде термограммы на экране телевизора 33. Переход тепловизора в режим записи на электрохимическую бумагу осуществляется с помощью блока управления записью 29. Изображение записывается в электрохимическом
регистраторе 32, синхронизация записи ведется формирователем синхронизирующих импульсов 34. Удвоение числа наблюдаемых строк относительно Строк сканирования достигается повторным ускоренным опросом соответствующих массивов цифровой памяти.
Синхронизация работы тепловизора осуществляется с помощью вращающегося синхронизирующего диска 6, прерывающего световой поток от источников HI, Н2, НЗ на фотодатчики ФД1, ФД2, ФДЗ, сигналы которых усиливаются усилителем 17. Кроме того, синхронизирующие сигналы вырабатываются генераторами тактовых импульсов 14, 13 и формирователем сигналов управления 12 и распределяются коммутатором 16. Для калибровки и стабилизации выходных сигналов тепловизора используются навесные ИК излучатели 8.
Несмотря на то что черно-белые термограммы с тепловизора «Радуга-2» менее эффектны по сравнению с цветными в «Радуге-МТ», они позволяют более оперативно визуально оценить тепловые поля наблюдаемого объекта.
В пределах тепловизионного модульного ряда «Радуга» изготовлены комплексы типа «Тепловизор-ЭВМ». Это комплексы «Радуга-3» и «Радуга-4», выполненные на основе тепловизоров «Радуга-МТ», «Радуга-2» и предназначенные для целей медицины и неразрушающего контроля.
Одним из широко распространенных является серийный тепловизор ТВ-03 (БТВ), оптическая схема которого построена на основе зеркально- линзового объектива 4 (рис. 20,а). Сканирование кадра осуществляется плоским зеркалом 2 от электродвигателя 8 через редуктор и кулачок. Оптическая система фокусируется перемещением рычага с плоским зеркалом, общий угол качания которого не более 3°, что обеспечивает поле зрения 4,5 X 4,5° (в варианте без сменных линз), частота качания 16 Гц. Строчное сканирование осуществляется восьмигранной призмой 3 с частотой вращения 200 с-1, что обеспечивает частоту строк 1600 Гц при 100 строках в кадре; призма вращается от электродвигателя 7 через эластичную муфту. Для изменения таких параметров, как угол зрения и минимальное рабочее расстояние, в комплект тепловизора введены сменные насадочные линзы 1 (БТВ-2). С отрицательной линзой из стекла ИКС-23 угол зрения составляет 7°, минимальное рабочее расстояние 0,8 м, линейное разрешение 1—1,5 мм. Положительная линза из стекла ИКС-23 обеспечивает увеличение 1,3, плоскость предмета располагается на расстоянии 170...240 мм от вершины внешней поверхности линзы. На минимальном расстоянии линейное поле зрения 30 X 30 мм, линейное разрешение — 0,3 мм. Насадочная линза из германия обеспечивает поле зрения 13 X 13 мм. Излучение наблюдаемого объекта фокусируется на ПИ 5 линзовым коллективом 6. Структурная схема основного варианта тепловизора показана на рис. 20,6. Сигнал с приемника излучения 1, усиленный предварительным усилителем 2, поступает на усилитель 3 видеоконтрольного устройства (ВКУ) и далее, через калиброванный делитель 4,— на устройство сравнения 5, в которое подается и сигнал градуировочной шкалы серого, расположенной в нижней части растра. Устройство формирования изотермы 10 позволяет зафиксировать любой уровень сигнала, чтобы в дальнейшем выделить его в виде яркостных линий любой ширины на экране ВКУ. Предусмотрено включение одной или двух изотерм одновременно. Вспомогательные устройства электронной шкалы 14 и выделения метки 17 создают на экране ВКУ две вертикальные светлые линии в начале и конце строк. По этим ярким линиям перемещается (в зависимости от положения переключателя чувствительности 16) темновая метка. Сравнивая ее с цифрами, нанесенными на экране ВКУ, можно определить, в каком температурном диапазоне работает тепловизор, что особенно важно при фотографировании изображения с экрана ВКУ. Сигналы этих вспомогательных устройств, а также сигнал с выбранным изотермическим уровнем суммируются в интеграторе 11 и поступают на выходной усилитель 6, где проходит основной сигнал изображения. С выходного усилителя полный тепловизионный сигнал поступает на модули- монитор ЭЛТ, питаемой блоком 7.

Кадровая и строчная развертки индикатора 15 работают синхронно со сканирующим устройством. Работа ВКУ управляется и синхронизируется кадровыми и строчными синхронизирующими импульсами, вырабатываемыми фотодиодами ФД-2 (12, 8) и усиливаемыми усилителями 9 и 13. Устройства синхронизации работают следующим образом. Луч света от лампы накаливания, пройдя через механизм модуляции, попадает на фотодиод, который вырабатывает усиливаемый затем электрический импульс. Механизм модуляции синхронизатора кадровой развертки представляет собой диск с прорезью. Он вращается двигателем, питаемым блоком 18. Один оборот диска соответствует периоду отклонения зеркала, ширина прорези—времени обратного отклонения зеркала. Луч от лампы накаливания попадает на фотодиод только во время обратного хода ИК луча. Для строчной синхронизации используется свет лампы накаливания, который, отражаясь от призмы, попадает на фотодиод только в нерабочее время во время попадания ИК излучения на границу двух граней призмы).
Параметры и функциональные характеристики тепловизора БТВ-1 приведены в табл. 5; 2.6.