Тепловизоры - Сканирующие устройства и траектории сканирования

В оптико-механических сканирующих устройствах сканирование производится путем изменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы прибора.
Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными (спиральная, розеточная, прямоугольная, циклоидальная и др.). В тепловизорах обычно применяют телевизионную развертку: оптическая ось перемещается с постоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые при этом линии называются строками. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.
Оптико-механические сканирующие устройства достаточно инерционны, так как основаны на колебательном или вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными сканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные в инфракрасной области спектра (InSb, HgCdTe и др.). При этом различают тепловизоры с одноэлементным приемником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приемником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемого изображения.
Классификация оптико-механических сканирующих устройств и рассмотрение многочисленных вариантов их конструктивного выполнения приведены в работах. Ниже кратко рассматриваются устройства, наиболee часто применяемые в тепловизорах.
Сканирование колеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования теплового поля прямоугольной формы при одноэлеметном ПИ применяют плоское зеркало, совершающее колебательные движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Изменение положения зеркала достигается посредством различных электромеханических и электромагнитных приводов. В процессе сканирования мгновенное поле зрения прибора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр.
Зеркало размещают либо до объектива в параллельном пучке лучей (рис. 2, а), либо за объективом в сходящемся пучке (рис. 2,6). В первом случае достигается высокое качество изображения (ввиду отсутствия дополнительных аберраций), но при этом размеры колеблющегося зеркала должны быть большими и требования к качеству изготовления его отражающей поверхности — жесткими.

Рис. Сканирующие устройства с колеблющимся зеркалом, размещенным в параллельном (а) или в сходящемся (б) пучке лучей: 1 — ПИ; 2 — объектив; 3 — сканирующее зеркало; 4 — поле обзора

Если зеркало наклонено под большим углом к оптической оси, то плохое качество отражающей поверхности выбывает, астигматизм в изображении точечного источника.
При расположении зеркала за объективом размеры зеркала можно уменьшить, но в этом случае при повороте зеркала поверхность изображения получается не плоской, а сферической и пятно остаточных аберраций увеличивается.
Построчное сканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала приводит к отклонению растра от прямоугольного, если зеркало расположено под некоторым углом Y к оптической оси (рис. 3,а). Принимая за количественную характеристику этого отклонения наибольшее относительное изменение размеров, соответствующее краю поля зрения (а = атах), получим

где атах и Ртах — максимальные углы поворота зеркала относительно осей ох и оу соответственно; L0 = 00. При небольших значениях рйах искажения поля зрения Ду/у < 1...3 %.
Сканирующее плоское зеркало может быть жестко закреплено на оси под углом 45°, так что сканирование вдоль строки обеспечивается поворотами зеркала относительно этой оси на угол ±ф, а сканирование по кадру — поворотом зеркала вместе с осью, на которой оно закреплено, на угол ±у (рис. 3,6). В этом случае форма растра близка к трапеции. При <р = +10° и у =» = 2,5° искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет 3 %, а искривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 %.
Наряду с одним плоским зеркалом, имеющим две степени свободы, в сканирующих устройствах можно применять два зеркала, каждое из которых совершает колебательное движение относительно взаимно перпендикулярных осей, образуя телевизионный растр.

Рис. 3. Форма растра при построчном сканировании плоским зеркалом (а) и плоским зеркалом, жестко закрепленным на оси (б)

Рис. 4. Сканирующее устройство с многоэлементным ПИ и расположением сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей: 1 — объектив; 2 — ПИ; 3 — отражательное зеркало; 4 — электромагнит; 5 — сканирующее плоское зеркало

В случае использования многоэлементного (линейного) ПИ конструкция сканирующего устройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом случае зеркало должно совершать колебательное движение только относительно одной оси у на рис. 4). В приведенной схеме фокусировка излучения осуществляется зеркальным объективом, имеющим диаметр 100 мм, фокусное расстояние 250 мм и пятно остаточных аберраций 250 мкм. Сканирование по горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимся с. собственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерции зеркала и жесткостью крутильной пружины, на которой оно подвешено. При колебаниях зеркала неконтактный датчик выдает сигнал обратной связи, соответствующий перемещению зеркала. Этот сигнал после усиления подается на обмотку электромагнита, воздействующего на легкую железную арматуру, прикрепленную к зеркалу. Фаза сигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались незатухающие колебания зеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствующий определенному положению сканирующего зеркала, используется одновременно для синхронизации развертки электронного пятна по экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали ± lb ; поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки мм;.
Общий недостаток сканирующих устройств с колеблющимися плоскими зеркалами — ограничение частоты развертки из-за ударов в крайних положениях зеркала. Зеркальный барабан имеет более широкие сферы применения.
Сканирование вращающимися зеркальными призмами, пирамидами и плоскими зеркалами. В авиационных тепловизионных системах, предназначенных для картографирования и обзора местности, применяют сканирующее устройство с вращающимся многогранным зеркалом, выполненным в виде зеркального барабана (рис. 5,а). При этом последовательно просматриваются участки земной поверхности, ширина которых определяется мгновенным углом зрения, а длина — углом зрения. Перемещение с одной строки на другую происходит благодаря движению носителя.

Рис. 5. Схема сканирующего устройства с вращающимся зеркальным барабаном (а) и графики изменения отношения V/H (б)
Чтобы на выходе ПИ получить информацию о каждом объекте, расположенном в поле зрения, необходимо, чтобы этот объект находился в пределах мгновенного поля зрения в течение времени At, большего постоянной времени приемника.
Время At определяется частотой и вращения барабана и углом зрения «у: 60у/(2пп), поэтому предельно допустимая частота вращения барабана
(2.1)
Линейная ширина участка местности, просматриваемого за один оборот барабана, где Я — высота полета летательного аппарата N — число зеркальных граней барабана; Умгн — мгновенный угол зрения. Так как система обзора должна работать без пропусков, то смежные участки должны соприкасаться или перекрываться, что выполняется при условии

где b — коэффициент перекрытия (0 < b < 2); V — скорость носителя.
Из полученного выражения предельно допустимая частота вращения барабана, мин
(2.2)
Из формул (2.1) и (2.2) видно, что существует как верхний, так и нижний Допустимые пределы частоты вращения зеркального барабана; кроме этого, максимальная частота ограничивается механическими возможностями системы и обычно не превышает 3000 мин-1. Для уменьшения скорости вращения барабана стремятся увеличить число его отражающих граней. Максимальное число граней JVmax= 2я/0,5(т + Ду), где 0,5 введено из-за удвоения скорости отраженного луча, а Д-у — дополнительный угол, который учитывает запас времени, отводимого на просмотр каждой строки (для разделения строк между собой и возврата электронной схемы в исходное состояние перед началом просмотра очередной строки).
При полетах над гористыми районами расстояние между самолетом и визируемыми объектами на местности (по вертикали) может изменяться за 1 с от нескольких десятков до нескольких тысяч метров при неизменной путевой скорости самолета. За счет этого возникают большие скачки величин V/H, поэтому в аппаратуре необходимо применять специальные вычислители отношения V/H и компенсаторы изменения этого отношения.
Величину V/H принято выражать числом радиан в секунду, определяющим скорость углового перемещения самолета относительно некоторой фиксированной точки на местности. Графики на рис. 5,6 дают представление о практически встречающихся отношениях V/H. Сигналы, вырабатываемые вычислителем V/H, используются для регулирования частоты вращения сканирующего зеркала так, чтобы выполнялось неравенство.
Недостатки рассмотренной системы строчного обзора пространства определяются зависимостью частоты вращения зеркального барабана от скорости полета носителя при заданном коэффициенте перекрытия строк и необходимостью вращения с большой скоростью крупноразмерных оптических элементов (табл. 3). Кроме этого, излучающие объекты находятся на разных расстояниях от носителя в пределах угла зрения, что приводит к различию сигналов от одинаковых объектов, расположенных в разных местах зоны обзор а.

3. Габаритные размеры элементов строчной системы обзора пространства, выраженные через диаметр объектива D

Примечание. При числе отражающих граней N = 3 длина зеркала барабана l3 = 2D, ширина зеркала равна D.

Последнего недостатка лишены система с коническим обзором (рис. 6), в которой сканирование осуществляется плоским зеркалом, вращающимся вокруг оси, наклоненной к зеркалу под некоторым углом. Такое сканирующее устройство позволяет при поступательном движении летательного аппарата создавать в плоскости расположения наземных объектов наблюдения траекторию сканирования типа «гусеница». При установке сканирующего устройства на неподвижное основание, можно создать спиральную траекторию сканирования.

С учетом обозначений, принятых на рис. 6, угловая скорость мгновенного поля зрения
где пск — частота вращения сканирующего зеркала.

Рис. 6. Схема сканирующего устройства с коническим обзором:
ПИ; 2 — объектив; 3 — вращающееся зеркало

В сканирующем устройстве, изображенном на рис. 7, используется вращающаяся усеченная зеркальная пирамида, расположенная перед объективом в пучке параллельных лучей. За один оборот пирамиды, имеющей N граней, получается N строк разложения. Максимальное значение углового размера строки уг зависит от числа граней и коэффициента связывающего угол поворота пирамиды с углом отклонения оптической оси прибора: уг = у = 2n-j. Этому значению угла соответствует время Тг обзора одного поля кадра; полное время обзора кадра Тгу= 60/и, где п — частота вращения пирамиды.

Разработаны сканирующие устройства (рис. 8), в которых используются комбинация колеблющегося плоского зеркала и вращающейся призмы, как это сделано в тепловизоре производства Франции, предназначенном для медицинских целей. Сканирующее устройство обеспечивает 100 строк разложения при частоте кадров 2 с-1; поле зрения системы 24x32°; мгновенный угол зрения 4 мрад.
Для повышения коэффициента использования зеркальной грани сканирующего (вращающегося) зеркала предложена двухканальная схема сканирующего устройства [63]. Такай схема с многогранными призмами (рис. 9,а) состоит из двух призм, укрепленных на одной оси и повернутых одна относительно другой на угол Тгр/2, и двух каналов, работающих с каждой призмой. В образующих половину заданного поля зрения. Сканирующие призмы связаны с переключателем каналов, который попеременно подает сигналы с вы-
хода ПИ на общий усилитель фототока. Одновременно происходит коммутация Генератора строчной развертки. При такой схеме сканирования габаритные размеры призм уменьшаются примерно вдвое, так как угол сканирования каждой зеркальной грани в два раза меньше заданного.

Рис. 7. Сканирующее устройство с вращающейся усеченной зеркальной пирамидой:
1 — многоэлементный (линейный) приемник излучения; 2 — объектив; 3 — зеркальная пирамида; 4 — двигатель, вращающий пирамиду
Рис. 8. Сканирующее устройство с колеблющимся плоским зеркалом и вращающейся призмой, расположенными в пучке параллельных лучей:
1 — излучение объекта; 2 — приемник излучения; 3— криостат; 4— зеркальный барабан; 5 — двигатель привода барабана; 6, 12 — элементы синхронизации; 7. 11 — синхронизирующие сигналы: 8— двигатель привода сканирующего зеркала; 9— кулачковый механизм; 10 — сканирующее зеркало; 13 — зеркальный объектив; 14— отражательное зеркало; 15 — усилитель фототока; 16 — видеосигнал

Рис. 9. Двухканальные схемы сканирующих устройств с многогранными призмами (а) и с многогранной пирамидой (б):
1 — две многогранные призмы; 2 — объектив; 3 — приемник излучения; 4 — переключатель каналов; 5 — многогранная пирамида
В двухканальной схеме сканирования с многогранной зеркальной пирамидой (рис. 9,6) также имеется два оптических канала с двумя объективами и двумя ПИ. Каждая грань пирамиды последовательно работает на оба канала.
Угловой размер проекции входного зрачка объектива каждого канала на сканирующее зеркало выбран равным Тгр/2, поэтому общий угол фения соответствует угловому размеру грани, равному у, т. е. коэффициент использования зеркала к) = 1.
Сканирование вращающимися преломляющими клиньями и призмами. Оптический клин с углом а при вершине отклоняет луч света на угол а (п — 1), где п — показатель преломления материала клина (рис. 10,а).
При вращении клина с угловой скоростью (о вокруг оси 00, совпадающей с осью объектива, луч, прошедший через клин, описывает коническую поверхность, а точка встречи луча с фокальной плоскостью — окружность. Текущие координаты точки у = acosat; г = asincof.

Рис. 10. Схема сканирования с помощью вращающегося оптического клина (а) и конструкция сканирующего устройства (б):
1 — входное окно; 2 — вращающиеся оптические клинья; 3 — плоское зеркало; 4 — зеркальный объектив; 5 — приемник излучения с криостатом; 6 — элементы синхронизации; 7 — электродвигатель

Одним из наиболее перспективных материалов для клиньев сканирующих устройств в диапазоне 3,4...5,0 мкм является кремний. Из него можно изготовить оптические детали диаметром 80...100 мм. Крупногабаритные детали из кремния сложны в производстве и механически непрочны.
К недостаткам сканирующего устройства с вращающимися клиньям» относятся: нелинейность развертки во времени и размытие кружка рассеяния, обусловленное движением клиньев.
Конструкция такого устройства показана на рис. 10,6. Клинья диаметром 12 мм вращаются с частотой 100 и 101 с-1, что позволяет получить спиральную развертку, содержащую 50 витков. Так как клинья несимметричны, они должны быть сбалансированы. Для этого служит специальная балансная призма, имеющая форму диска. Оправы клиньев связаны с валом электродвигателя. Объектив — зеркальный, состоит из первичного параболического и вторичного плоского зеркал. Диаметр параболического зеркала 120 мм, фокусное расстояние 100 мм. Размер изображения в фокальной плоскости 0,4 мм² что меньше размера чувствительной площадки ПИ (I мм).
Приемником служит сурьмянисто-индиевый фоторезистор, работающий при температуре жидкого азота; пары азота подаются под давлением через, отверстие к чувствительной площадке приемника, находящегося в сосуде. Дьюара. Для предотвращения вибрации система охлаждения помещена в корпус из виброзащитного материала. Частота кадров 2 с-1; угол зрения 32е; габаритные размеры устройства — длина 500 мм, диаметр 200 мм, масса около 35 кг.
В основу работы сканирующих устройств с вращающимися преломляющими призмами положено явление изменения хода лучей плоскопараллельной пластиной, установленной за объективом в пучке сходящихся лучей (рис. 11,а). Если пластина отсутствует, изображение наблюдаемого объекта фокусируется объективом в точку О, находящуюся на оптической оси s фокальной плоскости. При наличии пластины изображение смещаете» по оси в точку Oj, а при повороте пластины на угол v — в точку Ог. Таким образом, положение изображения объекта зависит от угла поворота пластины:
сдвиг изображения в направлении, перпендикулярном оптической оси, определяет возможность сканирования.
В качестве преломляющей плоскопараллельной пластины применяют четырех-, шести- или восьмигранные призмы (рис. 11,6), при вращении которых плавно изменяется угол v, а переход от одной грани к другой соответствует повторному сканированию той же строки.
В исходном положении восьмигранной призмы (рис. 11,в) на приемник попадает излучение от точки, находящейся на оптической оси, перпендикулярной грани призмы (позиция 1). При вращении призмы на приемник попадает излучение от других точек поля зрения в плоскости диафрагмы (позиция 2).

Рис. 11. Схема сканирования с помощью плоскопараллельной пластины (а) и преломляющей призмы (б, е)

Основные соотношения для сканирования с помощью призмы получаются на основании закономерностей преломления плоскопараллельной пластиной и имеют характер сложных тригонометрических зависимостей [63]. Исследования показали, что координаты изображения объекта при повороте на угол. у преломляющей пластины толщиной Д или эквивалентной ей призмы (точка о2 на рис. 11,а) зависят не только от величин у, Д и показателя преломления, но и от угла расхождения лучей, падающих на пластину. В результате этого гомоцентрический пучок лучей, после выхода из пластины становится негомоцентрическим.