Тепловое излучение рассматриваемого объекта формируется зеркальным объективом на чувствительный элемент трубки (рис. 3.18). Одновременно посредством линзы и зеркала на нем отображается Г интенсивное световое пятно от вспомогательного кинескопа, которое благодаря воздействию на его ФОС напряжений генераторов развертки обегает рабочую поверхность ЧЭ. Эмитируемые электроны усиливаются фотоумножителем, выходной сигнал которого модулирует по интенсивности луч кинескопа наблюдения синхронно с бегущим световым пятном, создавая видимое f-изображение объекта.
Параметры тепловизора с термиконом: частота повторения кадров 30 Гц, число строк 200, постоянная времени 0,1 с, температурная чувствительность 1:10° при средней температуре объекта наблюдения 300 К. Температурная чувствительность тепловизора может быть уменьшена до 1° уменьшением частоты повторения кадров до 15 Гц и числа строк до 50 при некотором ухудшении качества изображения.
До появления пириконов тепловизоры с термиконом причислялись к наиболее совершенным инфракрасным устройствам для наблюдения в ночных условиях объектов по их собственному тепловому излучению.
Тепловизоры с пириконом. Тепловизоры с пириконом (рис. 3.19) предназначены для наблюдения на малых расстояниях низкотемпературных движущихся и неподвижных объектов. В передающей камере используется временная модуляция потока излучения объекта, осуществляемая дисковым модулятором с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Модулятор снабжен схемой стабилизации частоты вращения и обеспечивает постоянную частоту прерывания потока, равную 12,5 Гц. Для этого в схему стабилизации подаются опорные импульсы синхрогенератора и импульсы от датчика частоты вращения модулятора. Электропривод модулятора управляется напряжением, снимаемым со схемы стабилизации.
Блок подготовки пирикона к действию осуществляет поляризацию и разряд мишени, включение рабочего режима. Этот блок также формирует импульсы, подаваемые во время обратного хода по строкам в катод пирикона и служащие для создания электронного пьедестала на мишени.
Рис. 3.19. Функциональная схема передающей тепловизионной камеры с пириконом: 1 — инфракрасный объектив; 2 — модулятор с блоком управления; 3 — катушка развертки; 4 — ФОС; 5 — пирикон; б — предварительный усилитель; 7 — усилитель-инвертор; 8— усилитель-формирователь; 9 — блок подготовки и формирования пьедестала; 10 — датчик положения модулятора; 11 — датчик частоты вращения модулятора; 12 — схема стабилизации частоты вращения модулятора; 13 — блок электропитания; 14 — синхрогенератор
Инфракрасное излучение объекта наблюдения падает на объектив (см. рис. 3.19), который формирует изображение в плоскости мишени пирикона. Считая, что перекрытие модулятором мишени происходит мгновенно. Ток сигнала преобразуется в напряжение U (t), причем
где Uu — напряжение пьедестала.
После предварительного усиления происходит выделение информационной части сигнала. Для получения униполярного видеосигнала при модуляции падающего потока излучения служит усилитель-инвертор. Инвертирование производится управляющими импульсами, поступающими в схему от датчика положения лопастей модулятора. Сигнал с усилителя-инвертора поступает в усилитель-формирователь, с выхода которого снимается видеосигнал положительной полярности амплитудой не менее 1 В на нагрузке 75 Ом.
Блок разверток и формирования видеосигнала содержит синхрогенератор, генератор кадровой и строчной разверток, усилитель-формирователь и блок питания.
Тепловизор может работать в режиме наблюдения объекта без обработки видеосигнала и в режиме накопления видеосигнала с последующим проведением межкадровой разностной обработки. В первом случае видеосигнал с усилителя-формирователя поступает на стандартное видеоконтрольное устройство, а во втором — в блок памяти, собранный на базе запоминающей электронно-лучевой трубки. Назначение блока памяти — накапливать полезный сигнал от объекта и, таким образом, сглаживать неравномерность, фона мишени и повышать отношение сигнал/шум при последующем считывании мишени.
Блок памяти (рис. 3.20) кроме запоминающей трубки с ФОС содержит сннхрогенератор, блок разверток, схемы управления режимами работы трубки и коммутации напряжений на ее электродах, усилитель записи, предварительный усилитель, усилитель-формирователь выходного видеосигнала и автоматической смены информации. Кроме синхронизации блока памяти в рабочем режиме от синхронизатора передающей камеры, предусмотрен, автономная синхронизация при воспроизведении записанного изображения.
Рис. 3.20. Функциональная схема блока памяти:
1 — усилитель записи; 2 — коммутатор по катоду; 3 — блок - разверток; 4 — предварительный усилитель; 5 —усилитель формирования; 6— коммутатор режимов работы: 7 — автомат смены информации; 8 — стабилизатор фокусирующего тока; 9, 10, 11 — соответственно коммутаторы по мишени, второму и первому анодам; 12 — блок управления; 13 — автомат смены, информации; 14 — сннхрогенератор
Схема управления режимами работ запоминающей трубки служит для перевода ее в режим «Запись», «Стирание», «Цикл» и «Стоп-кадр». Усилитель записи предназначен для усиления и фиксации уровня видеосигнала, подаваемого на трубку. Он обеспечивает амплитуду видеосигнала до 40 В при входном сигнале 1 В в полосе частот 50 Гц ... 2 МГц. В схеме усилителя предусмотрена возможность изменения коэффициента усиления в зависимости от выбранного количества кадров записи. В режиме «Запись» выходной сигнал усилителя подается на запоминающую трубку. Видеосигнал последней после предварительного усиления подается в коммутатор режима работы тепловизора вместе с выходным видеосигналом передающей камеры. Коммутатор выбирает характер обработки видеосигнала, т. е. режим работы передающей камеры, и в случае второго режима подключает предварительный видеоусилитель блока памяти к усилителю-формирователю, который обеспечивает на выходе видеосигнал с амплитудой не менее 1 В на нагрузке 675 Ом. Дальнейшее усиление видеосигнала происходит в видеоконтрольном устройстве, соответствующем стандартной телевизионной системе типа ПТУ-27
Функциональная схема японского тепловизора с пириконом, предназначенного для анализа тепловых полей, показана на рис. 3.21. Мишень пирикона изготовлена из поливинилиденфторида толщиной 9 мкм. Трубка наполнена водородом под давлением примерно 1,3 • 10-10 Па. Положительные ионы, образующиеся в результате соударения электронного пучка с молекулами газа» попадают на мишень и образуют положительный ток смещения.
В трубку введен геттер, селективно адсорбирующий и испускающий водород. При пропускании электронного тока по геттеру удается регулировать степень вакуума в трубке в диапазоне 1,3 * 10~12...1,3 • 10"9Па.
Передающая камера оснащена механическим модулятором и объективом из просветленного германия со светосилой 1 : 0,8. Тепловое изображение объекта можно наблюдать на черно-белом телевизионном мониторе. Кроме того, сигналы с выхода передающей камеры преобразуются в цифровой код с помощью специального преобразователя. Синхронизированные с модулятором сигналы, которые запоминаются блоком памяти на интегральных схемах, с помощью схемы преобразования преобразуются в сигнал восьми цветов. Самая горячая точка объекта соответствует белому цвету, а самая холодная — черному.
Рис. 3,21. Функциональная схема экспериментальной тепловизионной установки с пириконом:
1 — объект наблюдения; 2 —объектив, пропускающий инфракрасное излучение; 3 — модулятор; 4 — передающая камера; 5 — пирикон; 6 — усилитель; 7 — схема привода модуля - тора; 8—преобразователь непрерывных сигналов в цифровой код; 9 — синхронизатор и делитель сигналов; 10, 17 — переключатель работы в режимах нормальном и запоминания; 11— преобразователь последовательного кода в параллельный; 12 — сумматор; 13 — вентиль памяти; 14 — блок памяти на интегральных схемах (25Р X 128 х 8 бит); 15 —.регистр; 16— преобразователь параллельного кода в последовательный; 18 — схема центрирования; 19— цветной телевизионный монитор; 20 — черно-белый телевизионный монитор; 21 — генератор синхронизирующих импульсов: 22 — схема регулирования.
Преобразованные черно-белые сигналы подаются на стандартный цветной монитор, на котором в реальном масштабе времени изображаются закодированные цветом изотермы или другие картины тепловых полей.
Процесс преобразования черно-белых сигналов в цветные заключается в следующем. Каждому из восьми цветов отводится трехразрядный двоичный код; черная градация кодируется 000, белая 111. Частота сигналов передающей телевизионной камеры 5 МГц, что дает 500 импульсов на одну телевизионную строку. Коды, соответствующие каждому импульсу, подаются на цветной монитор, где каждый разряд трехразрядного кода управляет одним из трех электронных прожекторов цветной трубки. Так код 111 включает одновременно все три прожектора (белый цвет), в то время как при коде 000 не работает ни один прожектор (черный цвет). При комбинациях 100, 010, 001 работает только один из прожекторов, воспроизводя на экране основные цвета — красный, зеленый или синий. При других комбинациях включаются какие-либо два прожектора, высвечивая хорошо различимые смешанные цвета.
Применение ЦЭВМ на микрокомпьютерах создает определенные трудности, связанные с согласованием тепловизионной аппаратуры со структурой таких машин. Разработан универсальный полипроцессор, предназначенный для сопряжения тепловизиониых (и других телевизионных измерительных) систем с ЭВМ. Полипроцессор представляет собой цифровой вычислительный видеоанализатор, который в границах введенной программы обрабатывает видеосигнал и приводит его к виду, удобному для управления другими устройствами.
Полипроцессор (рис. 3.22) состоит из нескольких микропроцессоров, которые могут выполнять с помощью введенных в запоминающее устройство констант различные вычислительные и управляющие функции. Количество микропроцессоров зависит от назначения данной системы и необходимого быстродействия. Микропроцессоры имеют так называемую избирательную конструкцию, при которой все подлежащие обработке данные вводятся по объединенному каналу передачи данных, а проведение операций вычисления или управления теми или иными вычислительными модулями производится в соответствии с запрограммированными кодированными приказами.
Рис. 3.22. Функциональная схема полипроцессора: 1 — передающая телевизионная камера; 2 — блоки памяти; 3 — процессор управления камерой; 4 — блок оперативной памяти; 5, 6 — главный и выходной процессоры; 7 — объединенный канал передачи данных; 8 — процессор управления; 9 — монитор
Видеосигнал, несущий информацию о наблюдаемом объекте, поступает вначале в процессор камеры, который в соответствии с определенной программой, записанной в памяти констант, сортирует информацию и направляет ее дальше в определенный канал. Информация записывается в блоке оперативной памяти. Если в ней содержатся данные, необходимые для рассматриваемого вида измерений, процессор камеры сообщает об этом главному процессору, который включает необходимое число вычислительно-управляющих модулей для обработки этих данных. Если обработка данных представляет большую сложность или требует длительное время и не может быть выполнена главным Процессором, в работу включается арифметический процессор.
Рис. 3.23. Структурная схема тепловизионной камеры фирмы «Томсон ЦСФ»:
1 — синхронизирующее устройство; 2 — лампа накаливания; 3 — фото приемник; 4 — синхронный серводвигатель; 5 — блок видикона с пироэлектрической мишенью; 6 — объектив; 7 — ФОС; 8— устройство сравнения фаз; 9 — устройство задержки сигналов; 10 — генератор синхронизирующих импульсов (32 кГц); 11, 12 — делитель частоты: 13— усилитель; 14 — фильтр; 15 — процессор кадров; 16— предусилитель; 17, 18 — усилители негативных и позитивных сигналов; 19 — коммутатор; 20 — выходная цепь: 21 — видеосигнал; 22— строчные синхронизирующие импульсы; 23— кадровые синхронизирующие импульсы
После обработки данные поступают на выходной процессор, где они накапливаются и подготавливаются к выдаче на внешние устройства (например, на монитор).
Примером современной тепловизионной камеры на пириконе является камера ТН 7506 фирмы «Томсон ЦСФ» (рис. 3.23). В камере модели ТН 7506А используется пирикон ТН 9840 с остаточным газом, а в камере ТН 7506В — высоковакуумный пирикон ТН 9851; полезный диаметр мишени обоих пириконов 17 мм.
Камера состоит из головки и блока управления. Габаритные размеры 230 X 180 X 150 мм; масса 3 кг; рабочая температура 298...308 К. В состав головки входят: объектив диаметром 50 мм; пирикон с комплектом катушек фокусировки, горизонтального и вертикального отклонения, центровки по горизонтали и вертикали; механический прерыватель, вращаемый серводвигателем; генераторы строчной и кадровой разверток; предусилитель видеосигналов и схема гашения.
Дисковый прерыватель состоит из девяти лопастей и обеспечивает частоту модуляции падающего потока излучения 25 Гц. Лопасти размещены непосредственно перед пириконом, а модуляция излучения строго синхронизирована со считыванием потенциального рельефа. В головке камеры такая синхронизация осуществлена с помощью фотодатчика, состоящего из фотодиода и лампы накаливания, размещенных по разные стороны прерывателя. Синхронизирующий импульс с фотодиода подается на синхрогенератор, находящийся в блоке управления.
Генераторы строчной и кадровой разверток получают сигналы гашения строк и кадров от блока управления камерой и превращают их в пилообразные напряжения, которые подаются на катушки горизонтального и вертикального отклонения пирикона. Схема гашения применяется для запирания на время строчного и кадрового обратного ходов при использовании газонаполненной трубки и на время кадрового обратного хода при использовании вакуумной трубки.
Выходной сигнал пирикона с нагрузочного резистора подается на базу полевого транзистора с высоким входным сопротивлением. Выходное сопротивление видеоусилителя 75 Ом, коэффициент передачи 1,5 мВ/нА. Блок управления камерой содержит блок питания, генератор синхронизирующих импульсов, процессор кадра, видеоусилитель и специальные схемы, необходимые для работы пирикона. В процессоре кадров запоминаются и вычитаются чередующиеся поля (полукадры), в результате чего полезная составляющая выходного сигнала удваивается, а неравномерность фона и шумы мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее чередующиеся поля инвертируются и формируется видеосигнал постоянной полярности.
Габаритные размеры блока 260 X 482 х 76 мм; масса 7 кг. Тепловизор обеспечивает телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте кадров 50 Гц. Температурное разрешение 0,3 °С при 70 линиях на диаметре мишени и относительном отверстии объектива 1:1.
