Тепловизоры - Тепловизионные системы модульного типа

В тепловидении формировался обособленный подход к модульному конструированию с использованием ранее накопленного опыта в радиоэлектронной промышленности.
Собственно тепловизор представляет собой оптическую головку и электронные блоки. Для последних, с точки зрения конструктивного исполнения, целесообразно использовать модули, применяемые в конструкциях КАМАК, «БУК-6», «Еврокард», но они непригодны для построения оптической головки, совмещающей в себе элементы оптики, механики, электроники. С точки зрения структурного построения тепловизоров, для них были созданы узкоспециализированные модульные принципы построения, позволившие в несколько раз сократить стоимость и время на проектирование и изготовление новых моделей. Примером могут служить тепловизоры модульного ряда «Радуга», ежегодно пополняемого новой моделью.
Модули разбиваются на четыре группы: главные, функциональные, контрольно-проверочные. Четвертая группа может быть выделена из трех первых и относится к многорядным или перспективным модулям.
Главными называются модули, обеспечивающие работоспособность тепловизора, т. е. регистрацию тепла определенным образом.
Совокупность главных модулей представляет простейший или базовый тепловизор. Исключение любого главного модуля из состава тепловизора приводит к потере его работоспособности. При замене главного модуля на главный модуль другой конструкции меняются и основные характеристики тепловизора.
Функциональными называют модули, обеспечивающие работоспособность тепловизора в соответствии с заданными функциональными характеристиками. Исключение функциональных модулей из состава тепловизора не приводит к потере его работоспособности, а сопровождается потерей части функциональных возможностей. Дополняя базовый тепловизор функциональными модулями, получают новые модели.
Контрольно-проверочными называют модули, входящие в комплект тепловизора и используемые эпизодически при изготовлении или проверке его работоспособности. Примером могут быть ИК излучатели, используемые для проверки измерительного канала тепловизора.

Рис. 6.7. Набор функциональных модулей для тепловизоров ряда «Радуга»:
1 — оптико-механическая головка;
2 — блок электроники; 5 терморегулятор навесных ИК излучателей; 4 — оптический опорный канал; 5 — штатив: 6 — выносной ИК излучатель; 7 — тележка; 8 - фотоприставка; 9 — комбинированный дисплей; 10 — формирователь термопрофилей; 11 — датчик оптического клина; 12 — генератор знаков: 13 — коммутатор цветов; 14 — Генератор маркера; 15 — точечный измеритель; 16 — цифровой интегратор; 17 — механизм увеличенного заклона; 18 — защитное окно; 19 — расширитель диапазонов; 20 — множитель «параметров термографирования; 21 — электрохимический регистратор; 22 — черно-белый телевизор; 23 — наращиваемое ЦЗУ; 24 — цветной телевизор; 25 — цифровой автокалибратор; 26 — определитель уровня отсчета; 27 — определитель диапазона; 28 — формирователь программ ППЗУ; 29 — блок сопряжения с ЭВМ; 30 — блок доступа в память; 31 — электронная лупа; 33 — высокотемпературный ИК излучатель; 33 — одномерный ИК излучатель; 34 — зеркало; 35 — вычислитель истинной температуры; 36 — селективные фильтры; 37 — модуль сопряжения
Многорядными или перспективными называют модули, используемые для построения тепловизоров из другого модульного ряда. К многорядным могут относиться как главные, так и функциональные или контрольно-проверочные модули.
Из данной классификации модулей следует, что модульный ряд представляет собой совокупность различных моделей тепловизоров, имеющих в своем составе единые главные модули, удовлетворяющие основным характеристикам тепловизора при различии их функционального назначения. Приведенная классификация позволяет более организованно и целенаправленно осуществлять выпуск новых моделей тепловизоров, облегчает проведение функционально-стоимостного анализа и допускает оперативно менять функциональные характеристики конкретных моделей.
На рис. 6.7 показан набор функциональных модулей для тепловизоров модульного ряда «Радуга», в основе которого лежит базовый тепловизор «Алмаз». В процессе разработки набор модулей для конкретной модели изменялся. Последующая модель получалась из предыдущей путем введения в ее состав новых функциональных модулей при сравнительно неизменном составе главных. В последующей модели могут отсутствовать модули, имеющиеся в предыдущей.
На рис. 6.8 изображен состав модульных рядов «Радуга», «Пирикон» «и ряд «Излучатель», состоящий из контрольно-проверочных модулей (инфракрасных излучателей), используемых для калибровки и проверки информационно-измерительных каналов тепловизоров рядов «Радуга» и «Пирикон». Состав модулей ряда «Излучатель» показан на рис. 6.9, где модуль регулятора — один из главных и используется во всех типах излучателей.
Модули уровня, диапазона, перепада и разрешения предназначены соответственно для контроля уровня отсчета и диапазона регистрируемых температур, порога температурной чувствительности и геометрического разрешения, модули имитатора и фона — для создания модели теплопортретов различных объектов и фонов, на которых они располагаются (например мира со щелями на уровне температурного фона 30 °С), используемая для измерения мгновенного угла зрения).

Рис. 6.8. Состав модульных рядов «Радуга», «Пирикон» и «Излучатель»: А — перспективные многорядные модули тепловизоров; Б — контрольно-проверочные модули излучателей: 1 — «Алмаз»; 2—«Радуга-МТ»; 3—«Радуга-АТ»; 4— «Радуга МТ-ЭВМ»; 5 — «Радуга-2»; 6 — «Радуга-3»; 7 — «Радуга-4»; 8— Пирикон-1; 9 — Пирикон-2; 10—Пирикон-3; //— Пирикон-4; 12 — модуль уровня; 13 — модуль диапазона; 14 — модуль медицинский; 15 — модуль перепада; 16 — модуль фона; 17 — модуль разрешения; 18 — модуль высокотемпературный
Рис. 6.9. Состав и сочетание модулей тепловых излучателей:
1, 8— модули тока; 2 — модуль уровня; 3—модуль диапазона; 4 — модуль перепада; 6 — модуль фона; 6 — модуль разрешения; 7 — модуль имитатора; 9 — модуль стационарный; 10 — модуль задатчика; 11 — модуль регулятора; 12 — модуль охлаждения

Модульные принципы построения стали возможны вследствие развития цифрового тепловидения. В состав цифровых тепловизоров входит цифровое запоминающее устройство (ЦЗУ), позволяющее, в частности, развязать по масштабам времени приемную и воспроизводящую части тепловизора, выполнив последнюю работающей в телевизионном стандарте, и, следовательно, использовать ее для различных моделей тепловизоров.

Рис. 6.10. Модуль цифровой памяти:
1 — накопитель нечетных строк; 2 — плата накопителя; 3 — накопитель четных строк; 4 — плата коммутатора

Для примера на рис. 6.10 изображена функциональная схема ЦЗУ, выполненного как модуль цифровой памяти в тепловизоре «Радуга-2», обеспечивающий преобразование сложного растра в стандартный телевизионный. Кроме того, ЦЗУ обеспечивает запоминание, накопление и усреднение кадров сканирования с разложением 168Х X 144 точки и выполнено на микросхемах типа К541РУ1А с емкостью 4096 X 1 бит, имеющих произвольную адресацию. Число разновидностей печатных плат сведено к двум — плата накопителя и плата коммутатора. Как показано на рисунке, на основе плат накопителя построены идентичные накопители четных и нечетных строк, которые объединяют по выходам с помощью платы коммутатора. Структура памяти позволяет преобразовывать параллельную информацию, поступающую на вход модуля, в строчную последовательность, удобную для регистрации и отображения.
Это преобразование осуществляется с помощью адресного узла. Объем одной платы накопителя составляет 12 288 X 4 бит. Плата накопителя содержит входной и выходной регистры, сумматор, мультиплексор и собственно элементы памяти, которые сгруппированы в три линейки посредством команд «выбор кристалла». Объем всей памяти ЦЗУ 24 576 X 8 бит. Этот модуль позволяет не только быстро выводить видеосигнал на телевизионный дисплей, но и медленно — на электрохимический регистратор, обеспечивая возможности ЦЗУ по развязке масштабов времени, отличающихся на три порядка.
В тепловизорах ряда «Радуга» используется электрохимический регистратор, выполненный из двух конструктивно объединенных модулей — модуля записи и модуля управления. Регистратор реализует возможность записи термограмм, формируемых из цифрового четырехразрядного видеосигнала. Имеется узел тестового контроля регистратора, выполненного как функционально автономный блок, пригодный для регистрации не только термограмм. Запуск протяжки электрохимического регистратора производится внешним импульсом или оператором. В регистраторе имеются синхронизирующие импульсы для опроса внешних устройств. Пишущий электрод—замкнутая перемещающаяся лента. Плотность записи 3,3 лин/мм, скорость регистрации 15 лин/с, число различных градаций — 10.
В тепловизорах «Радуга-МТ», «Радуга-АТ» используется функционально законченный модуль — цветной дисплей. Произведена его модернизация для числа наблюдаемых черно-белых градаций до десяти и обеспечения возможности обработки «запомненных» изображений. Возможны два основных варианта отображения информации: 10 цветных и 5 черно-белых градаций, 10 черно-белых и 5 цветных. Наличие двух режимов обеспечивает просмотр одной и той же термограммы как в полутоновом, так и цветном вариантах отображения. Кроме того, возможны дополнительные варианты, например, в виде полутонового черно-белого изображения с наложенной цветной изотермой или с гашением на изображении отдельных полутонов цветов и др.
Одним из главных модулей является объектив, который в тепловизорах со сканированием потока излучения перед объективом практически невозможно заменить на другой для изменения угла обзора. В тепловизорах, созданных на базе пировидиконов, такая возможность имеется, поэтому разработан параметрический ряд из четырех объективов, в том числе ОБ-699 на базе оптической керамики ZnSe и бескислородных стекол с высоким разрешением, а также ряд асферических объективов из германия с большой светосилой и относительным отверстием до 1...0.7. Асферические объективы практически по всем параметрам превосходят объективы со сферической оптикой, но более сложны в изготовлении.
При разработке тепловизоров на базе пировидиконов используются модульный принцип построения и цифровая форма представления видеосигнала, которые позволяют создавать гибкие унифицированные тепловизионные системы. При построении новых моделей тепловизоров, например АТП-44М, «Радуга-4», «Радуга-3», как правило, используют модульные принципы. Широко применяют модули типа КАМАК. При этом к уже существующим разрабываются новые, устанавливаемые в едином креплении. Заменяя или дополняя серийные тепловизоры, например, АТП-44М, «Радуга-МТ», ТВ-03 новыми модулями, им придают новые качества.
Примером модульной конструкции является также тепловизор «Термовижн-780» фирмы AGEMA. Он представляет собой систему широкого назначения, которая основывается на модулях, объединяемых в зависимости от конкретных требований.
Система «Термовижн-780» состоит из шести основных узлов: сканирующего и видеоконтрольного устройства, фотоприставок, аналогового и цифрового блоков, вспомогательных устройств.
Сканирующее устройство выполнено в двух вариантах: одноканальное и двухканальное. Первое может быть укомплектовано приемником InSb или HgCdTe, а второе — одновременно двумя такими приемниками. Охлаждают приемники жидким азотом. Параметры сканирующих устройств: часто-
строк и кадров 2500 Гц и 25 Гц соответственно; температурный режим — 15...+55 °С; масса одноканального устройства (без объектива) 1,6 кг, двухканального — 3,2. В комплект сканирующего устройства входят пять легко- заменяемых объективов, которые определяют угол зрения и разрешающую способность системы (табл. 6.2.)
Каждое сканирующее устройство снабжено кассетой для оптических фильтров, в которую можно устанавливать шесть фильтров для коротковолнового и длинноволнового участков спектра.

6.2. Параметры объективов сканирующих устройств

Примечание. В числителе дроби указан диаметр, в знаменателе — длина объектива.

Черно-белое видеоконтрольное устройств обеспечивает размер видеоизображения 50 X 50 мм и смонтировано в корпусе, в который можно вставить до четырех различных блоков, позволяющих приспособить систему к конкретным условиям. Этими блоками являются:
селектор зоны измерения (SAS), обеспечивающий определение и идентификацию зон измерения на термоизображении;
термоамплитудный анализатор (ТАМ), анализирующий амплитуду видеосигнала в пределах желаемой зоны измерений. С помощью этого блока можно измерять максимальный, минимальный и средний уровни сигнала (температуры) в зависимости от выбранного изотермического диапазона;
анализатор температурной зоны (TAR), выявляющий ту часть объекта, которая имеет определенную температуру;
индикатор считываемого сигнала (SRI), служащий для цифрового отсчета выходного сигнала анализатора температурной зоны или термоамплитудного авализатора;
оконечное устройство (IDT), являющееся альтернативным средством для получения отсчета значений из термоамплитудного анализатора или анализатора температурной зоны. Эти данные автоматически отображаются на экране видеоконтрольного устройства по мере выполнения измерений.
Для аналоговой регистрации и обработки термоизображений возможны следующие комбинации описанных блоков: SAS—ТАМ—SRI; SAS—ТАМ— IDT; SAS—TAR—SRI"; SAS—TAR—IDT; SAS—ТАМ—TAR—SRI; SAS— TAM-TAR—IDT.
В полный комплект тепловизора AGA-780 входит также блок OSCAR для цифровой обработки и записи данных. Этот блок не является независимым и играет роль промежуточного звена между тепловизором и ЭВМ. В состав блока OSCAR входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с полупроводниковой памятью, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Для расширения емкости памяти введена цифровая ленточная система.
В таком составе OSCAR выполняет следующие функции: запоминает любой требуемый кадр и сохраняет его в течение длительного времени на экране ВКУ, запоминает в цифровом виде на ленточном устройстве тепловизионное изображение; служит промежуточным звеном для преобразования тепловизионного изображения в цифровую форму и передачи ее в ЭВМ и обратно.
Вспомогательные устройства модульной системы «Термовижн-780» составляют цветное видеоконтрольное устройство, обеспечивающее количественное измерение температуры объекта к J.0 выбираемых цветах, две камеры для фотографирования экрана черно-белого видеоконтрольного устройства, камеру для съемки осциллограмм и автоматическую цветную приставку для получения цветных изображений с экрана черно-белого видео- контрольного устройства, треноги, баллоны для жидкого азота емкостью 0,5 и 10 л, аналоговый и цифровой магнитофоны и пр.