RU1841001C

RU1841001C - Thermal imager

Info

Publication number: RU1841001C
Application number: SU3156652/07A
Authority: RU
Inventors: Петр Демидович Бурлака
Original assignee: Государственное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Квант"
Priority date: 1986-11-24
Filing date: 1986-11-24
Publication date: 2014-12-27

Abstract

FIELD: physics, navigation.

SUBSTANCE: invention relates to direction-finding means and can be used in systems for illuminating the surrounding thermal environment. A thermal imager comprises, arranged in series and optically interfaced, an input lens, a scanning mirror with a reducing gear and an actuating electric motor, a linear radiation energy detector with N elements and power supply units, N electronic switches, an amplifier, a video monitor, a synchroniser, the first N-1 delay lines and second N-1 delay lines. All the listed components are connected to each other in a certain manner, wherein the delay times of the delay lines connected with the same switch are equal.

EFFECT: high image quality.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области пеленгационных средств и может быть использовано при разработке систем освещения окружающей тепловой обстановки, обнаружения на ее фоне малоразмерных объектов и определение их координат в оптическом и инфракрасном диапазонах волн излучения.The present invention relates to the field of direction finding means and can be used in the development of lighting systems for the surrounding thermal environment, the detection of small objects against its background and the determination of their coordinates in the optical and infrared ranges of radiation waves.

В известных устройствах подобного типа, использующих многоканальные приемники излучения (линейки, решетки), электрические сигналы элементов приемника излучения через предварительные усилители поступают на электронный коммутатор, а с него на основной усилитель (см., например, Борлей и Гилфорд, "Стострочный тепловизор", "Зарубежная радиоэлектроника", 1970 г., стр. 86-89; патент ФРГ №2031972; патент Великобритании №1355975; патент США №4209699; авт. свид. СССР №809658).In known devices of this type, using multichannel radiation detectors (rulers, gratings), the electrical signals of the elements of the radiation receiver through pre-amplifiers are fed to an electronic switch, and from it to the main amplifier (see, for example, Borley and Guilford, “Strokstroitelny infrared camera”, "Foreign Radio Electronics", 1970, pp. 86-89; FRG patent No. 2031972; UK patent No. 1355975; US patent No. 4209699; ed. Certificate of the USSR No. 809658).

Основным недостатком всех этих устройств является широкая полоса частот основного усилителя, обусловленная большой частотой опроса элементов приемника излучения электронным коммутатором. Как известно, в системах обнаружения, использующих многоэлементные приемники излучения, рабочую полосу частот основного усилителя выбирают исходя из обеспечения максимального отношения сигнал/шум.The main disadvantage of all these devices is the wide frequency band of the main amplifier, due to the high frequency of interrogation of the elements of the radiation receiver by an electronic switch. As is known, in detection systems using multi-element radiation detectors, the working frequency band of the main amplifier is selected based on ensuring the maximum signal to noise ratio.

Известно также, что фоновый и собственный шумы элементов приемника излучения пропорциональны корню квадратному ширины полосы частот приемного тракта. Таким образом, уменьшая полосу частот электронного тракта, мы повышаем отношение сигнал/шум и тем самым повышаем чувствительность устройства в целом.It is also known that the background and intrinsic noise of the elements of the radiation receiver are proportional to the square root of the frequency band of the receiving path. Thus, reducing the frequency band of the electronic path, we increase the signal-to-noise ratio and thereby increase the sensitivity of the device as a whole.

В некоторых случаях большая частота опроса элементов приемника излучения ставит под сомнение возможность построения устройства с необходимыми параметрами, поскольку тенденция увеличения количества элементов приемников излучения не прекращается.In some cases, the high frequency of interrogation of the elements of the radiation receiver casts doubt on the possibility of constructing a device with the necessary parameters, since the tendency to increase the number of elements of the radiation receiver does not stop.

Приведем пример. Пусть, частота кадров устройства, количество строк в кадре и количество элементов в приемнике излучения, соответственно равны: F_кадров=25, N_строк=400 и N_{элементов}=100.We give an example. Let, the frame rate of the device, the number of lines in the frame and the number of elements in the radiation receiver, respectively, are equal to: F _frames = 25, N _lines = 400 and N _elements = 100.

Тогда частота импульсов опроса элементов приемника излучения будет равна F_{имп. опроса}=25·400·100=1·10⁶ Гц=1 МГц при максимальной длительности импульса опроса, равной τ_{опроса max}=1 мкс. Даже при этих скромных параметрах устройства частота опроса приближается к практическому пределу.Then the pulse frequency of the polling elements of the radiation receiver will be equal to F _{imp. polling} = 25 · 400 · 100 = 1 · 10 ⁶ Hz = 1 MHz with a maximum polling pulse duration equal to _polling τ _max = 1 μs. Even with these modest device parameters, the polling rate is approaching a practical limit.

Устройство, которое принято за прототип, описано в авт. свид. СССР №874887 от 13 марта 1981 г.The device, which is taken as a prototype, is described in ed. testimonial. USSR No. 874887 of March 13, 1981

В данном тепловизоре при анализе тепловой картины исследуемого пространства электрические сигналы с элементов линейного многоэлементного приемника лучистой энергии (ЛМПЛЭ) непосредственно поступают на вход общего усилителя, а с него на видеоконтрольное устройство (ВКУ). С синхронизатора на управляющие входы ключей поступают импульсы поочередного подключения блоков питания к питающим входам элементов ЛМПЛЭ, т.е. производится анализ изображения в строке.In this thermal imager, when analyzing the thermal picture of the space under study, electrical signals from the elements of a linear multi-element radiant energy receiver (LLLF) are directly fed to the input of a common amplifier, and from it to a video monitoring device (VCU). From the synchronizer, the control inputs of the keys receive pulses of alternately connecting the power supplies to the power inputs of the elements of the LMPLE, i.e. The image in the line is analyzed.

При подаче на привод импульса синхронизации развертывающий блок поворачивается на определенный угол и производится анализ изображения в следующей строке и т.д. С синхронизатора на ВКУ подаются импульсы синхронизации по строкам и кадрам.When a synchronization pulse is applied to the drive, the deployment unit is rotated by a certain angle and the image is analyzed in the next line, etc. From the synchronizer to the VKU, synchronization pulses are fed in rows and frames.

Недостатком вышеописанного устройства является широкая полоса частот приемного электронного тракта, обусловленная, как уже было сказано в описании аналогов, большой частотой опроса элементов ЛМПЛЭ, которая понижает чувствительность устройства.The disadvantage of the above device is the wide frequency band of the receiving electronic path, due to, as already mentioned in the description of analogues, the high frequency of the interrogation of the elements LMLE, which reduces the sensitivity of the device.

Другим недостатком этого устройства является большая входная емкость усилителя, получаемая за счет параллельного подключения всех сигнальных выходов ЛМПЛЭ ко входу усилителя, которая понижает коэффициент усиления усилителя.Another disadvantage of this device is the large input capacitance of the amplifier, obtained by parallel connection of all signal outputs of the LMPLE to the input of the amplifier, which lowers the gain of the amplifier.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности устройства с одновременным повышением качества изображения.The aim of the invention is to increase the sensitivity of the device while improving image quality.

Поставленная цель достигается за счет того, что в тепловизор, содержащий входной объектив, сканирующее зеркало с редуктором и исполнительным электродвигателем, ЛМПЛЭ с блоками питания, ключи, усилитель, синхронизатор и ВКУ, при этом ЛМПЛЭ оптически связан с входным объективом и сканирующим зеркалом, сигнальный выход первого элемента ЛМПЛЭ непосредственно соединен со входом усилителя, выход которого соединен с первым выходом ВКУ, второй и третий входы которого связаны с третьим и четвертым выходами синхронизатора, второй выход которого соединен с исполнительным электродвигателем сканирующего устройства, а первый - с входами блоков питания, введены между сигнальными выходами элементов приемника излучения (кроме первого элемента) и входами ключей первые N-1 линии задержек, а между первым выходом синхронизатора и управляющими входами ключей вторые N-1 линии задержек, причем времена задержки двух линий задержек, подключенных к одному ключу, равны и выполнены с временами задержек, равными N·t_з, где N - порядковый номер элемента приемника излучения, а t_з - время задержки второго элемента приемника излучения.This goal is achieved due to the fact that a thermal imager containing an input lens, a scanning mirror with a gearbox and an executive electric motor, LMPLE with power supplies, keys, an amplifier, a synchronizer, and VKU, while LMPLE is optically connected to the input lens and a scanning mirror, signal output the first element of the LLLFME is directly connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the first output of the VKU, the second and third inputs of which are connected with the third and fourth outputs of the synchronizer, the second output of which It is connected to the scanning motor's executive electric motor, and the first, with the power supply inputs, is inserted between the signal outputs of the radiation receiver elements (except the first element) and the key inputs, the first N-1 delay lines, and the second N-1 between the first synchronizer output and the control inputs of the keys delay line, the delay times of the two delay lines connected to a single key, and are configured to delay times equal to N · t _s, wherein N - sequence number of the radiation detector element, and t _s - time of the second delay lementa radiation receiver.

Суть введения линий задержек заключается в том, что первые N-1 и вторые N-1 линии задержек понижают частоту опроса элементов приемника излучения и ключей соответственно, а вторые N-1 линии задержек служат также для того, чтобы в каждый данный момент ко входу усилителя был подключен только один сигнальный выход ЛМПЛЭ. За счет этого понижается входная емкость усилителя, а тем самым повышается его коэффициент усиления.The essence of introducing delay lines is that the first N-1 and second N-1 delay lines reduce the polling frequency of the radiation receiver elements and keys, respectively, and the second N-1 delay lines also serve to ensure that at any given moment to the amplifier input only one LMPLE signal output was connected. Due to this, the input capacitance of the amplifier is reduced, and thereby its gain is increased.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного тепловизора, а на фиг. 2 показаны эпюры напряжений в точках U_синхр., U_С1, U_С2, U_С3, U_С(N-1), U_К1, U_К2, U_К3, U_К(N-1) и U_ус.In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed thermal imager, and in FIG. 2 shows stress plots at the U- _sync points _. , U _C1 , U _C2 , U _C3 , U _{C (N-1)} , U _K1 , U _K2 , U _K3 , U _{K (N-1)} and U _wh .

Тепловизор содержит входной объектив 1, сканирующее зеркало 2, редуктор 3, исполнительный электродвигатель 4, ЛМПЛЭ 5, блоки питания 6, 7, 8, 9, линии задержек 10, 11, 12, 13, 14, 15, ключи 16, 17, 18, усилитель 19, синхронизатор 20 и ВКУ 21.The thermal imager contains an input lens 1, a scanning mirror 2, a gearbox 3, an actuator motor 4, LMPLE 5, power supplies 6, 7, 8, 9, delay lines 10, 11, 12, 13, 14, 15, keys 16, 17, 18 , amplifier 19, synchronizer 20 and VKU 21.

Входной объектив 1 и сканирующее зеркало 2 оптически связаны с ЛМПЛЭ 5. Сигнальные выходы элементов ЛМПЛЭ через линии задержек 10, 11, 12 и ключи 16, 17, 18 подсоединены ко входу усилителя 19.The input lens 1 and the scanning mirror 2 are optically coupled to the LLLF 5. The signal outputs of the LLLF elements through delay lines 10, 11, 12 and keys 16, 17, 18 are connected to the input of the amplifier 19.

Питающие входы ЛМПЛЭ 5 подсоединены к выходам блоков питания 6, 7, 8, 9, входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу синхронизатора 20, который через линии задержек 13, 14, 15 связан так же с управляющими входами ключей 16, 17, 18. Второй выход синхронизатора 20 подключен к исполнительному электродвигателю 4. Выход усилителя 19, третий и четвертый выходы синхронизатора 20 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам ВКУ 21.The power inputs of the LMLME 5 are connected to the outputs of the power supplies 6, 7, 8, 9, the inputs of which are interconnected and connected to the first output of the synchronizer 20, which, through the delay lines 13, 14, 15, is also connected to the control inputs of the keys 16, 17, 18. The second output of the synchronizer 20 is connected to the actuator motor 4. The output of the amplifier 19, the third and fourth outputs of the synchronizer 20 are connected respectively to the first, second and third inputs of the VKU 21.

Предлагаемый тепловизор работает следующим образцом. При помощи входного объектива 1, сканирующего зеркала 2 и исполнительного электродвигателя 4 с редуктором 3 анализируется тепловая картина на исследуемом участке пространства. Тепловое излучение строки анализируемого пространства поступает на ЛМПЛЭ 5, элементы которого выдают электрические сигналы, пропорциональные величине поступающего потока излучения. Электрические сигналы с элементов ЛМПЛЭ 5, проходя линии задержки 10, 11, 12 и ключи 16, 17, 18, формируют строку изображения, которая через усилитель 19 поступает на ВКУ 21.The proposed thermal imager works as follows. Using the input lens 1, a scanning mirror 2 and an actuator motor 4 with a gearbox 3, the thermal picture in the studied area of space is analyzed. The thermal radiation of the line of the analyzed space is supplied to the LMPLE 5, the elements of which produce electrical signals proportional to the magnitude of the incoming radiation flux. The electrical signals from the elements of the LMPLE 5, passing the delay lines 10, 11, 12 and the keys 16, 17, 18, form the image line, which through the amplifier 19 is supplied to the VKU 21.

При повороте зеркала 2 снова на определенный угол будет формироваться следующая строка изображения и т.д. Со второго выхода синхронизатора 20 подаются электрические сигналы на исполнительный электродвигатель 4 для поворота зеркала 2. С первого выхода синхронизатора 20 поступают импульсы включения блоков питания 6, 7, 8, 9 для анализа изображения в данной строке. Эти же импульсы через линии задержек 13, 14, 15 поступают на управляющие входы ключей 16, 17, 18. С выхода усилителя 19 на первый вход ВКУ 21 поступают строки изображения анализируемого пространства, а с первого и четвертого выходов синхронизатора 20 соответственно на второй и третий входы ВКУ 21 поступают импульсы синхронизации по строкам и кадрам.When mirror 2 is rotated again by a certain angle, the next line of the image will be formed, etc. From the second output of the synchronizer 20, electrical signals are supplied to the actuator motor 4 to rotate the mirror 2. From the first output of the synchronizer 20, the switching pulses of the power supplies 6, 7, 8, 9 are received for image analysis in this line. The same pulses through the delay lines 13, 14, 15 are supplied to the control inputs of the keys 16, 17, 18. From the output of the amplifier 19, the first input of the VKU 21 receives the image lines of the analyzed space, and from the first and fourth outputs of the synchronizer 20 respectively to the second and third the inputs of the VKU 21 receive synchronization pulses in rows and frames.

Предложенное устройство по сравнению с известными имеет следующие существенные преимущества.The proposed device in comparison with the known has the following significant advantages.

Как известно, в настоящее время применяются многоэлементные приемники лучистой энергии с количеством элементов 100 и более. В случае применения в предлагаемом изобретении 100-элементного приемника излучения, полоса частот электронного приемного тракта понижается на два порядка, тем самым чувствительность устройства, как уже говорилось при обсуждении аналогов и прототипа, повышается на порядок.As is known, multielement radiant energy detectors with a number of elements of 100 or more are currently used. If a 100-element radiation detector is used in the present invention, the frequency band of the electronic receiving path is reduced by two orders of magnitude, thereby the sensitivity of the device, as already mentioned in the discussion of analogues and prototype, is increased by an order of magnitude.

В предложенном устройстве съем сигналов строки изображения производится одновременно.In the proposed device, the removal of image line signals is performed simultaneously.

За счет этого повышается качество изображения анализируемого пространства.Due to this, the image quality of the analyzed space is improved.

В предлагаемом устройстве в качестве оптической системы можно использовать зеркальные, зеркально-линзовые или линзовые объективы типа "ПИКАР-11М", "Иртал-4", В-1604.In the proposed device, as an optical system, you can use mirror, mirror-lens or lens lenses of the type "PIKAR-11M", "Irtal-4", V-1604.

В качестве приемников излучения, охлаждаемых до 80 K, можно применить приемники из антимонида индия, свинец-олово-теллура, ртуть-кадмий-теллура и др., например, ФУЛ-132 ОС2.003.025ТУ, ФРО-152П ОС4.681.070ТУ "Арга-2" и др.As radiation detectors cooled to 80 K, it is possible to use detectors of indium antimonide, lead-tin-tellurium, mercury-cadmium-tellurium, etc., for example, FUL-132 OS2.003.025TU, FRO-152P OS4.681.070TU " Arga-2 "and others.

Б предлагаемом устройстве можно применить в качестве линий задержек ПЗС типа ИС528БФ1, усилителя - ИСК538УН1 и операционный усилитель К140УД8.The proposed device can be used as a delay line of CCD type IS528BF1, amplifier - ISK538UN1 and operational amplifier K140UD8.

Claims

A thermal imager containing a serially mounted and optically conjugated input lens, a scanning mirror with a gearbox and an executive electric motor, and a linear radiant energy receiver with N elements and power supplies, N electronic keys, an amplifier, a video monitoring device, and a synchronizer, while the output of the amplifier is connected to the first input of a video monitoring devices, the second and third inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the synchronizer, the third output of which is connected to the input electric motor, and the fourth output with inputs of N power supply units of the radiant energy receiver, characterized in that, in order to improve image quality, it introduces the first N-1 delay lines connected in series between the outputs of the N-1 elements of the radiant energy receiver, and the corresponding key inputs, and the second N-1 delay lines connected in series between the fourth output of the synchronizer and the control inputs / N-1 / of the keys, respectively, the output of the first element of the radiant energy receiver is connected to the input of the force t, where the delay times of the delay lines connected to the same key are equal and are (N-1) τ _s , where N is the serial number of the element of the radiant energy receiver, and τ _s is the delay time equal to the duration of the voltage pulses on the fourth synchronizer output.