RU2387092C1

RU2387092C1 - Thermal imaging channel

Info

Publication number: RU2387092C1
Application number: RU2008131184/09A
Authority: RU
Inventors: Виллен Арнольдович Балоев (RU); Виллен Арнольдович Балоев; Игорь Геннадьевич Денисов (RU); Игорь Геннадьевич Денисов; Владимир Петрович Иванов (RU); Владимир Петрович Иванов; Артур Эдуардович Фаткуллин (RU); Артур Эдуардович Фаткуллин
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-04-20
Also published as: RU2008131184A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: thermal imaging channel comprises lens with its focal plane accommodating matrix photo receiving device with its outputs connected to inputs of appropriate preamplifiers, ADC, multiplexer, control unit with its output connected to control input of said matrix device and video processor with its first input connected to video signal output unit. Said video processor allows parallel processing of digital data in three flows with one-frame shift in every flow. ADC inputs are connected to outputs of appropriate preamplifiers, while its outputs are connected to appropriate inputs of multiplexer. Multiplexer output is connected to video processor input. Video processor control output is connected to control unit input and multiplexer control input. Configuration of video processor allows faster operation of thermal imaging channel. Reduced number of analog devices provides for minor level of interferences.

EFFECT: faster operation, reduced interferences.

2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области тепловидения и может быть использовано в тепловизионных приборах на матричных фотоприемных устройствах, предназначенных для наблюдения объектов в инфракрасной области спектра.The claimed invention relates to the field of thermal imaging and can be used in thermal imaging devices on a matrix photodetector devices designed to observe objects in the infrared region of the spectrum.

Известен тепловизионный канал (см. патент США № US 5118943, кл. G01N 21/88; H04N 5/33, опубл. 02.06.1992), содержащий оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположено матричное фотоприемное устройство (МФУ), выходы которого подключены к устройству суммирования аналоговых сигналов с фотоприемника и аналогового корректора неоднородности чувствительности элементов фотоприемника, содержащего цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), затем сигнал с устройства суммирования подается на вход аналогоцифровых преобразователей (АЦП). Цифровой сигнал с АЦП поступает в устройство цифровой обработки сигналов, затем в формирователь телевизионного изображения.Known thermal imaging channel (see US patent No. US 5118943, class G01N 21/88; H04N 5/33, publ. 02.06.1992) containing an optical system in the focal plane of which is located a photodetector array (MFP), the outputs of which are connected to the device for summing analog signals from the photodetector and the analog corrector for the heterogeneity of the sensitivity of the elements of the photodetector containing a digital-to-analog converter (DAC), then the signal from the summing device is fed to the input of analog-to-digital converters (ADC). The digital signal from the ADC is fed to a digital signal processing device, then to the television imager.

Недостатками данного устройства являются наличие дополнительных помех, вызываемых наличием цифроаналогового преобразователя в аналоговом корректоре неоднородностей чувствительности элементов матричного фотоприемного устройства, отсутствие коррекции дефектных элементов матричного фотоприемного устройства.The disadvantages of this device are the presence of additional interference caused by the presence of a digital-to-analog converter in the analog corrector of the heterogeneity of the sensitivity of the elements of the matrix photodetector device, the lack of correction of defective elements of the matrix photodetector device.

Известен тепловизионный канал (Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколения / Специальная техника, 2001, №6, с.16-21), выбранный в качестве прототипа, содержащий инфракрасный объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходы которого через предусилители подключены к соответствующим входам аналогового мультиплексора, выход которого соединен с последовательно включенными аналоговым корректором неоднородности чувствительности элементов МФУ, аналого-цифровым преобразователем, цифровым корректором неоднородности чувствительности элементов МФУ, корректором дефектных элементов МФУ и видеопроцессором, осуществляющим формирование изображения с микропроцессорной обработкой видеосигнала, выход которого подключен к блоку вывода видеосигнала, а также тактовый генератор (блок управления МФУ), выходы которого подключены к управляющим входам МФУ, аналогового корректора неоднородности чувствительности элементов МФУ, аналого-цифрового преобразователя и корректора дефектных элементов МФУ.Known thermal imaging channel (Volkov V.G., Kovalev A.V., Fedchishin V.G. Thermal imaging devices of a new generation / Special equipment, 2001, No. 6, p.16-21), selected as a prototype, containing an infrared lens, in the focal plane of which there is a matrix photodetector, the outputs of which are connected through preamplifiers to the corresponding inputs of an analog multiplexer, the output of which is connected to a series-connected analog corrector of the heterogeneity of sensitivity of the MFP elements, analog-to-digital conversion a browser, a digital corrector for the heterogeneity of sensitivity of MFP elements, a corrector for defective MFP elements and a video processor that implements microprocessor-based processing of the video signal, the output of which is connected to the video signal output unit, as well as a clock generator (MFP control unit), the outputs of which are connected to the control inputs of the MFP, analog corrector of heterogeneity of sensitivity of MFP elements, analog-to-digital converter and corrector of defective MFP elements.

Недостатками данного устройства являются длительное время обработки сигналов с МФУ, связанное с последовательным проведением операций аналоговой и цифровой коррекции неоднородности чувствительности элементов, коррекции дефектных элементов МФУ и передачи цифровых данных в видеопроцессор, а также с необходимостью формирования цифрового сигнала для ЦАП аналогового корректора неоднородности чувствительности элементов МФУ, и высокий уровень помех, вызываемых наличием аналогового корректора неоднородностей чувствительности элементов МФУ, поскольку одним из его обязательных элементов является цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).The disadvantages of this device are the long processing time of signals from the MFP associated with sequential operations of analog and digital correction of heterogeneity of the sensitivity of elements, correction of defective MFP elements and the transmission of digital data to the video processor, as well as the need to generate a digital signal for the DAC analog corrector of the heterogeneity of sensitivity of MFP elements , and a high level of interference caused by the presence of an analog corrector for the heterogeneity of the element sensitivity in the IFI, since one of its required elements is a digital-to-analog converter (DAC).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение времени обработки сигналов с матричного фотоприемного устройства, т.е. повышение быстродействия тепловизионного канала, и снижение уровня помех, обусловленных наличием аналогового корректора неоднородности чувствительности элементов матричного фотоприемного устройства.The task to which the invention is directed is to reduce the processing time of signals from a matrix photodetector, i.e. increasing the speed of the thermal imaging channel, and reducing the level of interference due to the presence of an analog corrector for the heterogeneity of the sensitivity of the elements of the matrix photodetector.

Поставленная задача решается тем, что в тепловизионном канале, содержащем объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходы которого подключены к входам соответствующих предусилителей, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу матричного фотоприемного устройства, видеопроцессор, первый выход которого подключен к блоку вывода видеосигнала, отличающийся тем, что видеопроцессор выполнен с возможностью параллельной обработки цифровой информации в три потока со смещением на один кадр в каждом потоке, входы аналого-цифрового преобразователя подключены к входам соответствующих предусилителей, а выходы к соответствующим входам мультиплексора, выход которого подключен к входу видеопроцессора, при этом управляющий выход видеопроцессора подключен к входу блока управления и управляющему входу мультиплексора.The problem is solved in that in the thermal imaging channel containing the lens, in the focal plane of which there is a matrix photodetector, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding preamplifiers, an analog-to-digital converter, a multiplexer, a control unit, the output of which is connected to the control input of the matrix photodetector, a video processor, the first output of which is connected to a video signal output unit, characterized in that the video processor is configured to parallelly digital information in three streams with an offset of one frame in each stream, the inputs of the analog-to-digital converter are connected to the inputs of the corresponding preamps, and the outputs are to the corresponding inputs of the multiplexer, the output of which is connected to the input of the video processor, while the control output of the video processor is connected to the input of the control unit and control input of the multiplexer.

На фиг.1 представлена блок-схема тепловизионного канала.Figure 1 presents a block diagram of a thermal imaging channel.

На фиг.2 представлена временная диаграмма работы тепловизионного канала.Figure 2 presents the timing diagram of the thermal imaging channel.

Тепловизионный канал содержит инфракрасный объектив 1, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство (МФУ) 2, предусилители 3, подключенные входами к выходам МФУ 2, а выходами к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4, выходы которого подключены к соответствующим входам мультиплексора 5, выход мультиплексора 5 соединен с входом видеопроцессора 6, первый выход которого подключен к блоку вывода видеосигнала 7, управляющий выход видеопроцессора 6 подключен к управляющему входу мультиплексора 5 и входу блока управления 8, выход которого соединен с управляющим входом МФУ 2.The thermal imaging channel contains an infrared lens 1, in the focal plane of which there is an array photodetector (MFP) 2, preamplifiers 3 connected by inputs to the outputs of the MFP 2, and outputs to the corresponding inputs of the analog-to-digital converter (ADC) 4, the outputs of which are connected to the corresponding inputs multiplexer 5, the output of multiplexer 5 is connected to the input of the video processor 6, the first output of which is connected to the output block of the video signal 7, the control output of the video processor 6 is connected to the control input of the multiplex 5 and the litter input 8 of the control unit, the output of which is connected to the control input of the MFP 2.

Видеопроцессор 6 выполнен с возможностью параллельной обработки цифровой информации в три потока со смещением на один кадр в каждом потоке, что обеспечивается программными средствами.The video processor 6 is made with the possibility of parallel processing of digital information in three streams with an offset of one frame in each stream, which is provided by software.

Видеопроцессор 6 может быть реализован, например, на базе типового 32-разрядного процессора с тактовой частотой 720 МГц, работающего с числами с фиксированной точкой.Video processor 6 can be implemented, for example, on the basis of a typical 32-bit processor with a clock frequency of 720 MHz, working with fixed-point numbers.

Тепловизионный канал работает следующим образом.The thermal imaging channel operates as follows.

Излучение наблюдаемой сцены с помощью инфракрасного объектива 1 фокусируется на чувствительные элементы МФУ 2. Предварительно в видеопроцессоре 6 с помощью программных средств формируется три независимых параллельных потока приема, обработки и передачи данных, которые тактируются управляющими импульсами с частотой ν, равной частоте вывода кадров блока вывода видеосигнала 7. В каждом потоке прием, или обработка, или передача данных каждого кадра осуществляется за временной промежуток Δt=1/ν. В момент времени t₀ тактирующий управляющий импульс с управляющего выхода видеопроцессора 6 поступает на блок управления 8 МФУ 2 и на управляющий вход мультиплексора 5. В течение временного промежутка I излучение наблюдаемой сцены накапливается на чувствительных элементах МФУ 2, затем в течение временного промежутка II электрические сигналы с МФУ 2 через предусилители 3 и АЦП 4 поступают в мультиплексор 5, с выхода которого видеопроцессор 6 принимает последовательность цифровых сигналов N кадра. В течение временного промежутка III происходит формирование двумерного массива цифровых данных N кадра, а в течение временного промежутка IV происходит передача двумерного массива цифровых данных N кадра во второй поток обработки. По тактирующему импульсу в момент времени t₁ в видеопроцессоре 6 формируется управляющий сигнал, поступающий через блок управления 8 на МФУ 2 для приема N+1 кадра и на управляющий вход мультиплексора 5. С момента времени t₁ во втором потоке за временной промежуток V принимается двумерный массив цифровых данных N кадра, за временной промежуток VI происходит цифровая коррекция двумерного массива цифровых данных N кадра, включающая в себя коррекцию пространственной неравномерности чувствительности элементов МФУ 2 и замену дефектных пикселей (неработающих элементов МФУ 2); формирование стандартного цифрового видеокадра; обработка цифрового видеокадра (яркость, контраст, наложение служебной информации) и т.п. В течение временного промежутка VII происходит передача цифрового N видеокадра в третий поток. По тактирующему импульсу в момент времени t₂ во втором потоке параллельно начинается прием двумерного массива цифровых данных N+1 кадра, а в первом потоке - прием последовательности цифровых сигналов N+2 кадра. В третьем потоке с момента времени t₂ в течение временного промежутка VIII происходит прием N кадра в цифровом видеоформате из второго потока, в течение временного промежутка IX происходит формирование последовательности цифровых данных N видеокадра, в течение временного промежутка X происходит передача последовательности цифровых данных N видеокадра в блок вывода видеосигнала 7. По окончании передачи данных N кадра в блок вывода видеосигнала 7 в момент времени t₃ по тактирующему импульсу в третьем потоке начинается прием N+1 кадра из второго потока, а во втором потоке - прием двумерного массива цифровых данных N+2 кадра из первого потока.The radiation of the observed scene using the infrared lens 1 is focused on the sensitive elements of the MFP 2. Previously, three independent parallel streams of data reception, processing and transmission are generated in the video processor 6 using the software, which are clocked by control pulses with a frequency ν equal to the output frequency of the video output block 7. In each stream, the reception, or processing, or transmission of data of each frame is carried out for the time interval Δt = 1 / ν. At time t _{0, the} clocked control pulse from the control output of the video processor 6 is supplied to the control unit 8 of the MFP 2 and to the control input of the multiplexer 5. During the time interval I, the radiation of the observed scene is accumulated on the sensitive elements of the MFP 2, then during the time interval II electrical signals with the MFP 2 through the preamplifiers 3 and ADC 4 enter the multiplexer 5, the output of which the video processor 6 receives a sequence of digital signals N frame. During time period III, a two-dimensional array of digital data of the N frame is formed, and during time period IV, a two-dimensional array of digital data of the N frame is transmitted to the second processing stream. According to the clock pulse at time t ₁ in the video processor 6, a control signal is generated that passes through the control unit 8 to the MFP 2 to receive the N + 1 frame and to the control input of the multiplexer 5. From time t ₁ in the second stream, two-dimensional an array of digital data of an N frame; over time period VI, digital correction of a two-dimensional array of digital data of an N frame takes place, including the correction of the spatial unevenness of sensitivity of the elements of the MFP 2 and the replacement of defective pixels (ner operating elements of the MFP 2); formation of a standard digital video frame; processing a digital video frame (brightness, contrast, overlay of service information), etc. During time period VII, the digital N video frame is transmitted to the third stream. According to the clock pulse, at time t _2, in the second stream, the two-dimensional digital data array N + 1 frame is simultaneously received in the second stream, and in the first stream, the sequence of digital signals N + 2 frames is received. In the third stream, from time t ₂ , during the time interval VIII, an N frame in digital video format is received from the second stream, during the time period IX, the digital data sequence N of the video frame is formed, during the time period X, the digital data sequence N of the video frame is transmitted to video output unit 7. N data frame transmission completion to the video output unit 7, at time t ₃ to the timing pulse in the third stream reception starts N + 1 of the second frame otok, while the second stream - receiving a two-dimensional array of digital data N + 2 frames from the first stream.

Данный режим работы позволяет обеспечить минимальное время задержки данных с момента накопления сигнала на чувствительных элементах МФУ 2 до окончания передачи последовательности цифровых данных видеокадра (откорректированных по неоднородности чувствительности элементов МФУ и с заменой дефектных пикселей) в блок вывода видеосигнала 7, что позволяет повысить быстродействие тепловизионного канала.This operating mode allows you to ensure the minimum data delay time from the moment of accumulation of the signal on the sensitive elements of the MFP 2 until the end of the transmission of the sequence of digital data of the video frame (corrected for the heterogeneity of the sensitivity of the elements of the MFP and replacing defective pixels) to the output block of the video signal 7, which improves the speed of the thermal imaging channel .

Минимальное количество диалоговых устройств позволяет обеспечить минимальный уровень помех.The minimum number of conversational devices allows for a minimum level of interference.

Claims

A thermal imaging channel containing a lens in the focal plane of which there is a matrix photodetector, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding preamplifiers, an analog-to-digital converter, a multiplexer, a control unit whose output is connected to the control input of the matrix photodetector, a video processor, the first output of which is connected to a video signal output unit, characterized in that the video processor is configured to process digital information in parallel in three streams with offset by one frame in each stream, while the inputs of the analog-to-digital converter are connected to the outputs of the corresponding preamplifiers, and the outputs are connected to the corresponding inputs of the multiplexer, the output of which is connected to the input of the video processor, while the control output of the video processor is connected to the input of the control unit and the control input of the multiplexer.