RU1832403C - Тепловизор - Google Patents

Abstract

Использование: в устройствах визуального наблюдени  тепловых изображений объектов. Сущность изобретени : тепловизор содержит зеркало 1, объектив 2, блок определени  3, первый и второй фотоприемники 4, 5, датчик положени  зеркала 6, привод вращени  7, шаговый привод 8, поворотную платформу 9, первый, второй, третий, четвертый предусилители 10, 11, 12, 13, первый и второй блоки выборки и хранени  14, 15, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 16, 17, контроллер 18, генератор тактовых импульсов 19, первый формирователь импульсов 20, второй, третий, четвертый формирователи импульсов 21, 25, 27, первый и второй счетчики 22, 23, регистр 24, управл емый делитель 26, видеоконтрольный блок 28. Цель - повышение информативности изображени  путем управлени  полем зрени . 4 ил.

Description

Изобретение предназначено дл  визуального наблюдени  тепловых изо-, бражений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации собственного и отраженного теплового излучени  и отображени  теплового портрета в видеоконтрольном блоке.

Целью изобретени   вл етс  повышение информативности изображени  путем управлени  полем зрени в.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу тепловизора; на фиг, 3 приведен пример реализации диска одного из возможных вариантов датчика положени  зеркала; на фиг. 4 изображена блок-схема программы работы тепловизора .

Предлагаемое устройство(см. фиг. 1) содержит зеркало 1, объектив 2, блок светоделени  3, первый и второй фотоприемники 4 и 5, датчик положени  зеркала 6, привод вращени  7, шаговый привод 8, повоторную платформу 9. первый и второй предусилители 10 и 11, первый и второй видеоусилители 12 и 13, первый и второй блоки выборки и хранени  14 и 15, первый и второй аналогоцифровые преобразователи 16 и 17, конт роллер 18, генератор тактовых импульсов 19, первый формирователь импульсов 20, второй формирователь импульсов 21, первый и второй счетчики 22 и 23, регистр 24. третий формирователь импульсов 25, управл емый делитель 26, четвертый формирователь импульсов 27, видеоконтрольный блок 28. Объектив 2, блок светоделени  3 и первый и второй фотоприемники 4 и 5 оптически св заны, первый фотоприемник 4, первый предусилитель 10, первый видеоусилитель 12, первый блок выборки и хранени  14 и первый аналого-цифровой преобразователь 16 соединены последовательно , второй фотоприемник 5, второй предусилитель 11, второй видеоусилитель 13. второй блок выборки и хранени  15 и второй аналого-цифровой преобразователь 17соединены последовательно, выход датчика положени  зеркала 6 подключен ко входам первого и второго формирователей импульсов 20 и 21 и ко входу контроллера 18. генератор тактовых импульсов 19, управл емый делитель 26, второй счетчик 23 и четвертый формирователь импульсов 27 соединены последовательно, первый и второй входы первого счетчика 22 подключены к выходам генератора тактовых импульсов 19 и первого формировател  импульсов 20, соответственно , а выход соединен с первым входом регистра 24, второй вход регистра 24 подключен к выходу второго формировател  импульсов 21, а выход соединен со вторым входом второго счетчика 23, выход четвертого формировател  импульсов 27 подключен ко вторым входам контроллера 18и первого и второго блоков выборки и хранени  14 и 15. третий и четвертый входы контроллера 18 соединены с выходами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, соответственно, первый выход контроллера 18 подключен ко вторым входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, второй, третий и четвертый выходы контроллера 18 подключены ко входу видеоконтрольного блока 28. к управл ющему входу шагового привода 8 и ко входу управлени  управл емого делител  26, соответственно, первый м второй входы третьего формировател  импульсов 25 соединены с выходами второго формировател  импульсов 21 и второго счетчика 23. соответственно, а выход подключен к управл ющему входу второго счетчика 23. Выходна  ось шагового привода 8 жестко соединена с поворотной платформой 9, на которой механически креп тс  привод вращени  7 с жестко закрепленным на нем зеркалом 1. датчик положени  зеркала 6. объектив 2. блок светоделени  3, первый и второй фотоприемники 4 и 5. а также первый м второй предусилители 10 и 11, Устройство работает следующим образом . Отраженное от зеркала 1 оптическое излучение объекта через объектив 2 и блок светоделени  3 поступает на светочувствительные площадки первого и второго фотоприемников 4 и 5. Отметим, что первый фотоприемник 4 работает в видимом диапазоне , а второй фотоприемник 5 - в тепловом , Сигналы с выхода первого фотоприемника 4 проход т через первый предусилитель 10 и первый видеоусилитель 12 на первый блок выборки и хранени  14. Сигналы с выхода второго фотоприемника 5 проход т через второй предусилитель 11 и второй видеоусилитель 13 на второй блок выборки и хранени  15. Выходные сигналы первого и второго блоков выборки и хранени  14 и 15 оцифровываютс  в первом и. втором аналого-цифровых преобразовател х 16 и 17 и подаютс  на третий и четвертый входы контроллера 18. Развертка изображени  по строке обеспечиваетс  приводом вращени  7. который вращает зеркало 1. Кадрова  развертка реализуетс  путем вращени  шаговым приводом 8 поворотной платформы 9. При этом управл ющие сигналы на управл ющий вход шагового привода.8 (дл  чего в приводе предусмотрены ключи) поступают с четвертого выхода контроллера 18. Таким образом в запоминающее устройство, вход щее в состав контроллера 18, записываютс  два цифровых массива, соответствующие видимому и тепловому изображени м. По оконмании формировани  массивов тепловое изображение контрастируетс  в контроллере 18 с помощью программной процедуры бинаризации (в простейшем варианте производитс  поэлементноесравнение изображёни  с пороговым значением, хран щимс  в соответствующей  чейке пам ти контроллера 18 и допускающем оперативное изменение ) и затем смешиваетс  программно с видимым (например черно-белым) изображением таким образом, чтобы на зкране видеоконтрольногоблока28 воспроизводилось изображение видимого канала с окрашенными п тнами, соответствующими нагретым участкам анализи(уемого объекта, выделенным процедурой бинаризации теплового 1эображени . Указанна  процедура дает возможность пространственной прив зки нагретого объекта по детал м видимого изображени  даже при использовании малочувствительного приемника, что равносильно получению теплового изображени  с высоким температурным разрешением.

жени  зеркала б, который может быть выполнен в виде расположенных друг напротив друга лампочки 29 и фотодиода 30 между которыми помещен диск 31 с двум  отверсти ми (фиг. 3), жестко закрепленный на оси привода вращени  7. При вращении диска 31 в момент прохождени  каждого отверсти  между лампочкой 29 и фотодиодом 30 вырабатываетс  синхроимпульс (см. фиг. 2, поз. 40), который с выхода фотодиода 30 (имеет на своем выходе формирователь импульсов) поступает на первый вход контроллера 18 и входы первого и второго формирователей импульсов 20 и 21. . Нестабильность вращени  зеркала 1 может привести к нестабильности растра, т.е. j-ые отсчеты разных (в toM числе соседних ) строк (здесь J - номер отсчета в строке) будут сниматьс  при различных угловых положени х зеркала 1. Стабилизаци  растра осуществл етс  следующим образом. Первый счетчик 22, на счетный вход которого поступают импульсы (фиг. 2, поз. 41) с выхода генератора тактовых импульсов 19, производ т подсчет числа импульсов, укладывающихс  в измерительный интервал между задним и передним фронтами соседних импульсов с выхода датчика положени  зеркала 6 (фиг. 2, поз. 40). При этом первый счетчик 22 обнул етс  импульсом с выхода первого формировател  импульсов 20 (фиг. 2, поз. 42), а в регистр 24 с выхода первого счетчика 22 загружаетс  двоичный код, соответствующий числу тактовых импульсов , укладывающихс  между соседними отсчетами изображени  на строке. Импульс загрузки (фиг. 2, поз. 43) вырабатываетс  вторым формирователем импульсов 21. При необходимости передний фронт импульсов загрузки можно прив зать к переднему фронту тактовых импульсов (см. фиг. 2, поз. 41). В этом случае второй формирователь импульсов 21 может быть выполнен на основе D-триггера (см. Справочник по интегральным микросхемам./Под ред, Б.В. Тарабрина. - М.: Энерги , 1980, с. 725, рис. 5-228), на входы D и С которого подаютс  импульсы с выходов датчика положени  зеркала 6 и генератора тактовых импульсов 19, соответственно. Однако отмеченный здесь признах (св зь между выходом генератора тактовых импульсов и входом второго формировател  импульсов), служащий дл  повышени  стабильности работы устройства , не относитс  к существенным и потому в формуле не указан. Второй счетчик 23 (здесь может быть использован счетчик с выходом переноса, например 155ИЕ7), работающий на уменьшение, вырабатывает импульсную последовательность, изображенную на фиг. 2, поз. 44, с периодом .определ ющим период сьема информации по строке изображени . На первый вход второго счетчика 23 (счетный вход) поступают имПульсы с управл емого делител  26, который может быть реализован на основе делител  частоты с переключаемым коэффициентом делени  (например 561ИЕ15) (см. Бирюков С.А. Цифровые устройства на

0 МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и св зь, 1990, с. 33-34), на второй вход (вход данных) подаетс .код с регистра 24, который загружаетс  во второй счетчик 23 импульсами с выхода третьего формиррм5 тел  импульсов 25 (фиг. 2, поз. 45). При каждом цикле загрузки кода в счетчик 23 стара  информаци  забываетс . С выхрда 38 контроллера 18 на вход управлени  управл емого делител  26 (выводы 2-11, 130 22 микросхемы 561ИЕ15) по шине поступают сигналы, обеспечивающие установку требуемого коэффициента делени  частоты сигнала с выхода генератора тактовых импульсов 19 (фиг. 2, поз. 41), который

5 приходит на вход управл емого делител  26. При этом коэффициент делени  (устанавливаетс  программно с клавиатуры, вход щей в состав контроллера 18) определ ет рассто ние между соседними отсчетами

0 изображени  по строке и, в итоге, поле зрени  тепловизора. Третий формирователь импульсов 25 может быть реализован в виде двух формирователей импульсов (см. Справочник по интегральным микросхемам./Под

5 ред. Б.В. Тарабрина. - М.: Энерги , 1980. с. 668, рис. 5-141 и с. 667, рис. 5-139), выходы которых объединены по схеме И.ПИ, а на входы подаютс  сигналы с выходов второго формировател  импульсов 21 и второго

0 счетчика 23, соответственно. Импульсы (фиг. 2, поз. 46), необходимые дл  работы первого и второго блоков выборки и хранени  14 и 15 вырабатываютс  четвертым формирователем импульсов 27, на вход которого подаютс  импульсы с выхода второго счетчика 23. Отметим, что несмотр  на то, что четвертый формирователь импульсов 27 инициирует работу первого и второго блоков выборки и хранени  14 и 15 в течение всего периода сигнала, контроллер 18

0 выдает (выход 35) импульсы (фиг. 2, поз. 47), управл ющие работой первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17 (число импульсов, т.е. количество отсчетов по строке задаетс  программно и может

5 оперативно измен тьс  с клавиатуры), только с приходом второго (соответствует началу строки) синхроимпульса (фиг. 2, поз. 40) С выхода датчика положени  зеркала 6, дл  чего интервалы между ними (а они намеренно рэзличнь) мз лер ютс  с помощью специальной программы в контроллере 18. Интервал между первым и вторым синхроимпульсами используетс  дл  измерени  скорости зеркала, т.е. производитс  подсчет числа импульсов тактовой частоты, уложившихс  в этот интервал (см. выше).

Контроллер 18 выполн ет следующие функции; а) через третий 32 и четвертый 33 входы (первый и второй параллельные порты ) воспринимает 14нформацию с выходов первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, преобразует ее и выдает видеосигналы через видеовыход 34 на видеокоитрольиый блок 28; б) через первый выход 35 (первый одноразр дный порт) выдает импульсы (фиг. 2, по. 47), управл ющие работой первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17 (их временное положение определ етс  импульсами (фиг. 2, поз. 46), поступающими с выхода четвертого формировател  импульсов 27 на второй вход 36 (второй одноразр дный порт); в) через первый вход 37 (вход запроса прерываний, соединенный в контроллере 18с третьим одноразр дньт регистром ввода ), воспринимает синхроимпульсы.(фиг. 2, поз. 40) с выхода датчика положени  зеркала 6 и измер ет временные интервалы между ними, определ   первый и второй синхроимпульсы (второй синхроимпульс используетс  а качестве начала отсчета при формировании строки изображени ); г) через четвертый выход 38 (третий параллельный порт) управл ет работой управл емого делител  26, записыва  в него требуемый коэффициент делени ; д) через выход 39 (четвертый параллельный порт) управл ет шаговым приводом 8 (как показано в книге Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управлени . - М.: Энергоатомиздат , 1987 дл  f правлени  шаговым приводом достаточно четырех управл ющих сигналов, т.е. требуетс  четырехразр дный параллельный порт). При этом следует заметить, что одноразр дные порты могут быть однонаправленными (ввода или вывода).

Сигналы видимого канала (выход первого аналого-цифрового преобразовател  16) и теплового канала (выход второго аналогоцифрового преобразовател  17) обрабатываетс  в контроллере 18 по специальной программе (см. ниже) таким образом, что на его видеовыходе 34 формируютс  видеосигнал черно-белого изображени  видимого диапазона и нормализованный видеосигнал теплового диапазона, который соответствует бинаризованному тепловому

портрету объекта, как это описано ранее. Пороговое значение при бинаризации теплового изображени  устанавливаетс  оператором программно (с клавиатуры.

вход щей в состав контроллера 18). Контроллер 18 можетбыть реализован в виде какой-либо ЭВМ, имеющей видеовыход, вход запроса прерываний, четыре параллельных порта и три одноразр дных (третий

0 одноразр дный порт соединен со входом запроса прерываний), в частности на основе управл ющей ЭВМ типа IBM PC, снабженной соответствующими платами расширени . В случае отсутстви  ЭВМ с

& необходимой номенклатурой портов можно воспользоватьс  любой ЭВМ с открытой архитектурой , имею1цей видеовыход (обеспечивает формирование цветного: многоградационного изображени ) и вход

0 запроса прерываний, и дополнить ее соответствующим числом портов ввода-вывода включени  их в Общую шину (см. книгу Микропроцессоры. Кн. 1. Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организаци 

5 вычислительных процессов/Под ред. Л.Н. Преснухина, - М.; Высша  школа. 1986. с. 79, рис. 3.4, с.. 186, рис. 7.13). Видеоконтрольный блок 28 представл ет собой цветной телевизионный монитор, св занный с

0 видёовыходом контроллера 18.

Блок-схема программы, реализуема  контроллером 18, представлена на фиг. 4. Начальна  установка (блок 48) включает в себ  начальную установку счетчиков элементов в строке и строк в кадре, шагового привода, пол  зрени , а также анализ интервалое между синхроимпульсами, поступающими на вход 36, путем программного опроса одноразр дного регистра ввода (в

0 контроллере 18 вход запроса прерываний соединен с одноразр дным регистром ввода ). В результате анализа интервалов контроллер 18 определ ет первый и второй синхроимпульсы и разрешает прерывание

5 (блок 49) в интервале между первым и вторым синхроимпульсами. С приходом на вход 37 (вход запроса прерываний) синхроимпульса начинаетс  обработка прерывани  (блок 50), При зтом либо выг 6лн етс 

0 программа блока51, либо разрешаетс  прерывание (блок 49), т.е. синхроимпульс пропускаетс . Пропуск каждого первого синхроимпульса выполн етс  из-за того, что начзлу отсчета при формировании строки изображени  соответствует именно второй синхроимпульс. Программный анализ содержимого одноразр дного регистра ввода (вход 36) выполн етс  в блоках 51 и 52. При по влении сигнала на входе 36 контроллером 18 выдаютс  импульсы на первый и

второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 1 б и 17 (блок 513), счуггываютс  и записываютс  в пам ть (блок 54) коды с выходов первого и второго АЦП. Затем производитс  увеличение счетчика элементов в строке (блок 55) и проверка на конец строки (блок 56). Если строка не окончилась, выполн етс  переход к блоку 51. В противном случае обнул етс  счетчик элементов в строке (блок 57), осуществл етс  перемещение зеркала на одну строку, путем выдачи (блок 58) управл ющих сигналов (выход 39) на шаговый привод 8 и производитс  проверка на конец кадра (блок 59). Если кадр не окончилс , контроллер 18 входит в режим ожидани  прерывани  (блок 49), т.е. ждетприхода синхроимпульса на вход 37. По окончании кадра прерывани  запрещаютс , выполн етс  процедура бинаризации теплового изображени  (блок 60) и на видеоконтрольный блок 28 выдаетс  сигнал (выход 34), соответствующий смеси видимого и бинаризованного теплового изображений. Таким образом на экране видеоконтрольного блока 28 будет черно-белое изображение с окрашенными п тнами, соответствующими нагретым участкам анализируемого обьекта.

Какуже отмечалось, контроллер Сформирует сигналы, поступающие на вход управлени  шагового привода 8, на вторые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, что позвол ет задавать программно число строк и число элементов изображени  в строке, т.е. форматировать изображение, и на вход управлени  управл емого делител  26, что обеспечивает возможность оперативного изменени  пол  зрени  тепловизора.

Итак, использование простого и дешевого оптико-механического тракта при введении стабилизации растра в совокупности с возможност ми задани  числа элементов в строке и числа строк при визуализации изображени , а также вариации пол  зрени  обеспечивает дополнительные удрбства пользовател  и позвол ет улучшить визуальное воспри тие тепловой картины на фоне видимого изображени , чтоозначает удешевление тепловизора и сохранение его потребительских свойств при решении задач индикации слабонагретых частей объекта . Отмеченные качества определ ют преимущества и расширение области применени  предложенного устройства по отношению к устройству-прототипу.

Claims (1)

1. Формулаизобретени 

   Тепловизор, содержащий объектив, первый и второй фотоприемники, первый и второй предусилители, первый и второй видеоусилители , видеоконтрольный блок.

   привод вращени , причем вход первого предусилител  соединен с выходом первого фотоприемника, а выход подключен к входу первого видеоусилител , бход второго предусилител  соединен с выходом второго фотоприемника , а выход подключен к входу второго видеоусилител , отличающийс   тем, что, с целыо повышени  информативности изображени  путем управлени  полем зрени , введены зеркало, жёстко закрепленное на оси привода вращени , шаговый привод, датчик положени  зеркала, поворотна  платформа, блок светоделени , первый и второй блоки выборки и хранени , первый и второй аналого-цифровые преобразователи , контроллер, генератор тактовых импульсов, первый, второй, третий, четвертый формирователи импульсов, управл емый делитель, первый и второй счетчики , регистр, причем датчик положени  зеркала, привод вращени , объектив, блок светоделени , первый и второй фотоприемники , первый и второй предусилители установлены на поворотной платформе, котора  установлена на выходной рси шагрвого привода , а зеркало, объектив, блок светрделени  и первый и второй фотоприемники оптически св заны, выход датчик положени  зеркала соединен с входами первого и второго фор мирователей импульсов и с первым входом контроллера, первый вход первого блока выборки и хранени  подключен к выходу первого видеоусилител , а выход соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразовател , первый вход второго блока выборки и хранени  подключен к выходу второго видеоусилител , а выход соединен с первым входом второго аналого-цифрового преобразовател , генератор тактовых импульсов, управл емый делитель , второй счетчик и четвертый формирователь импульсов соединены последовательно , первый и второй входы первого счетчика подключены к выходам генератора тактовых импульсов и формировател  импульсов обнулени  соответственно , а выход первого счетчика соединен с первым входом регистра, второй вход регистра подключен к выходу второго формировател  импульсов, а выход регистра соединен с вторым входом второго счетчика , выход формиррвател  импульсов подключен к BTopbJM входам блока контроллера и первого и второго блоков выборки и хранени , третий и четвертый входы контроллера соединены с выходами первого и второго аналото-цифровых преобразователей соответЬтвенно , первый выход контроллера подключен к вторым входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, второй , третий и четвертый выходы контроллера подключены к входу видеоконтрольного блока, к управл ющему входу шагового привода и к входу управлени  управл емого делител  соответственно, первый и второй первый Х стпсроимп. «

   Jl

   Jl

   V2

   II t I

   ...J1 I I 1 { .JLJUIJIJII

   Фи.ПJL

   JL

   i I ,

   «III

   JU, измерение скорости орамсии  зернлла второй ncpBuii синхроимпульс- строкй IIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIllllllillliiiilUll...IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII входы третьего формировател  импульсов соединены с выходами формировател  импульсов загрузки и второго счетчика соответственно , а выход подключен к управл ющему входу второго счетчика. синхроимпульс L... JLJLJUULJUinJLL .... Jl-TL.