RU2632574C1

RU2632574C1 - Device for automatic regulation of accumulation time of television sensor manufactured using technology of charge-coupled devices

Info

Publication number: RU2632574C1
Application number: RU2016118970A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Смелков
Original assignee: Вячеслав Михайлович Смелков
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2017-10-06

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention is oriented to the use in television cameras of panoramic surveillance based on the television sensors using technology of charge-coupled devices (CCD) having electronic sensitivity adjustment due to the change in the intraframe accumulation time. The object of the invention is to improve the accuracy of sensitivity control of a "ring" photodetector manufactured using CCD technology.

EFFECT: increasing the accuracy of sensitivity control of the ring sensor on charge-coupled devices by eliminating the error when selecting regulation direction while shortening regulation response time.

8 dwg

Description

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах панорамного наблюдения, выполненных на базе телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеющих электронную регулировку чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.The invention relates to television technology and is focused on the use of panoramic cameras in television cameras made on the basis of television sensors using charge-coupled device (CCD) technology with electronic sensitivity adjustment by changing the intraframe accumulation time.

Известен «кольцевой» ПЗС-фотоприемник [1], состоящей из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти и «кольцевого» регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), при этом на всей площади мишени «кольцевого» фотоприемника в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов, а экранированная от света секция памяти заполнена в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига. Сенсор обеспечивает «кольцевой» растр телевизионного изображения, а реализуемая в нем развертка может быть охарактеризована как «кольцевая» развертка видеосигнала по методу «кольцевой кадровый перенос».The known “ring” CCD photodetector [1], consisting of a “ring” target connected in series with charge coupling, a “ring” memory section and a “ring” shift register, ending with a charge-voltage conversion unit (CPS), while on the whole the target area of the “ring” photodetector in radial directions (from the imaginary geometric center of the ring to its outer periphery) are the lines of photosensitive elements, and the light-shielded memory section is filled in the same radial directions with the same number of elements as on the target, and the number of elements in each “ring” line of the target and in each “ring” line of the memory section is equal to the number of elements in the “ring” shift register. The sensor provides a “ring” raster of a television image, and the scan implemented in it can be characterized as a “ring” scan of a video signal using the “ring frame transfer” method.

Для формирования сигнала изображения в этом фотоприемнике и управления его чувствительностью по методу автоматической регулировки времени накопления принципиально может быть применен комплект гибридно-пленочных микросхем или комплект больших интегральных схем (см., например, [2, с. 189-219]), который используется для организации «прямоугольной» развертки в матрицах ПЗС кадрового переноса того же информационного формата.To form the image signal in this photodetector and control its sensitivity by the method of automatic adjustment of the accumulation time, a set of hybrid-film microcircuits or a set of large integrated circuits can be used in principle (see, for example, [2, pp. 189-219]), which is used for organizing a “rectangular” scan in the CCD matrices of personnel transfer of the same information format.

Недостатком реализованной в [2] организации устройства автоматической регулировки времени накопления (устройства АРВН) является пониженная точность управления чувствительностью сенсора, которая одинаково справедлива как для матричных, так и для «кольцевых» сенсоров, выполненных по технологии ПЗС с организацией «кадровый перенос».The disadvantage of the organization of the automatic accumulation time adjustment device (ARVN device) implemented in [2] is the low accuracy of the sensor sensitivity control, which is equally valid for both matrix and “ring” sensors made using CCD technology with the “personnel transfer” organization.

С другой стороны, известно устройство АРВН [3], в котором решена задача повышения точности управления чувствительностью для фотоприемной матрицы ПЗС путем устранения ошибки в выборе направления регулирования с одновременным снижением инерционности регулирования.On the other hand, an ARVN device is known [3], in which the problem of increasing the accuracy of sensitivity control for the CCD photodetector matrix is solved by eliminating the error in choosing the direction of regulation while reducing the inertia of regulation.

Это устройство АРВН содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель и блок фиксации, причем вход предварительного видеоусилителя является информационным входом устройства АРВН, а управляющий вход блока фиксации подключен к импульсному сигналу фиксации; в состав АРВН входят также детектор видеосигнала, первый компаратор, второй компаратор, третий компаратор, формирователь длительности импульса (ФДИ), первый и второй управляющие входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго компараторов, а выход ФДИ через преобразователь уровней (ПУ) подключен к управляющему входу матрицы ПЗС; фильтр нижних частот (ФНЧ), вход которого соединен с входом предварительного видеоусилителя и подключен к выходу «видео» матрицы ПЗС, при этом выход блока фиксации подключен к первому входу детектора видеосигнала, состоящего из первого диода и первого конденсатора, причем анод первого диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, катод первого диода, соединенный с первым выводом первого конденсатора, - к выходу детектора видеосигнала, а второй вывод первого конденсатора - к общей шине детектора видеосигнала, имеющего в своем составе также второй и третий диоды, первый и второй резисторы, второй конденсатор и PNP-транзистор, при этом анод второго диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, а катод второго диода - к базе транзистора и к соединенным между собой первым выводам второго конденсатора и первого резистора, эмиттер транзистора подключен к выходу детектора видеосигнала и соответственно к катоду третьего диода, а коллектор транзистора подключен через третий резистор к общей шине детектора видеосигнала, к которой подключены соответственно вторые выводы первого резистора и второго конденсатора, причем анод третьего диода является вторым входом детектора видеосигнала, выход которого подключен соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора и к инвертирующему входу второго компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому пороговому напряжению, неинвертирующий вход второго компаратора - ко второму пороговому напряжению, неинвертирующий вход третьего компаратора - к третьему пороговому напряжению, инвертирующий вход третьего компаратор - к выходу ФНЧ, а выход третьего компаратора - ко второму входу детектора видеосигнала.This ARVN device comprises a pre-video amplifier and a fixation unit connected in series, wherein the input of a preliminary video amplifier is an information input of an ARVN device, and the control input of the fixation unit is connected to a fixation pulse signal; The ARVN also includes a video signal detector, a first comparator, a second comparator, a third comparator, a pulse width former (PDI), the first and second control inputs of which are connected respectively to the outputs of the first and second comparators, and the PDI output through a level converter (PU) is connected to the control input of the CCD; a low-pass filter (LPF), the input of which is connected to the input of the preliminary video amplifier and is connected to the output of the “video” of the CCD matrix, while the output of the latching unit is connected to the first input of the video signal detector, consisting of the first diode and the first capacitor, and the anode of the first diode is connected to the first input of the video detector, the cathode of the first diode connected to the first output of the first capacitor, to the output of the video detector, and the second output of the first capacitor to the common bus of the video detector, which has There are also second and third diodes, first and second resistors, a second capacitor and a PNP transistor, while the anode of the second diode is connected to the first input of the video signal detector, and the cathode of the second diode is connected to the transistor base and to the first terminals of the second capacitor and the first connected to each other resistor, the emitter of the transistor is connected to the output of the video signal detector and, accordingly, to the cathode of the third diode, and the collector of the transistor is connected through a third resistor to the common bus of the video signal detector, to which respectively the conclusions of the first resistor and the second capacitor, the anode of the third diode being the second input of the video signal detector, the output of which is connected respectively to the non-inverting input of the first comparator and to the inverting input of the second comparator, the inverting input of the first comparator connected to the first threshold voltage, the non-inverting input of the second comparator the second threshold voltage, non-inverting input of the third comparator - to the third threshold voltage, inverting the input of the third compa Or - to the output of the LPF, and the output of the third comparator - to the second input video signal detector.

Очевидно, что данное устройство АРВН принципиально способно решить задачу повышения точности управления чувствительностью и для «кольцевого» сенсора, изготовленного по той же ПЗС-технологии, но такое использование технического решения по патенту [3] не учитывалось и не предусмотрено самим этим охранным документом.Obviously, this ARVN device is fundamentally capable of solving the problem of improving the accuracy of sensitivity control for the “ring” sensor manufactured using the same CCD technology, but such use of the technical solution according to the patent [3] was not taken into account and is not provided for by this security document itself.

Задача устранения сформулированного недостатка решается тем, что применяют устройство АРВН по патенту [3], реализующее управление чувствительностью в матричном фотоприемнике, изготовленном по технологии ПЗС, и для выполнения управления чувствительностью в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС по патенту [1], состоящем из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН. The problem of eliminating the stated drawback is solved by the use of the ARVN device according to the patent [3], which implements sensitivity control in a matrix photodetector made by CCD technology, and for performing sensitivity control in a "ring" photodetector on a CCD according to the patent [1], consisting of sequentially by the charge coupling of the “ring” target, the “ring” section of memory, the “ring” shift register, and the overhead spike.

Повышение точности управления чувствительностью «кольцевого» фотоприемника на ПЗС достигается следующим образом:Improving the accuracy of controlling the sensitivity of the "ring" photodetector at the CCD is achieved as follows:

исключением ошибки в выборе направления регулирования, путем введения дополнительного контура управления, который включается в моменты достижения на фотоприемнике экспозиции насыщения;

the exception of the error in choosing the direction of regulation by introducing an additional control loop, which is included when the saturation exposure is reached on the photodetector;

снижением инерционности регулирования за счет использования в детекторе видеосигнала для первого конденсатора в качестве сопротивления разряда эмиттерно-коллекторного перехода PNP-транзистора.

a decrease in the control inertia due to the use of a video signal for the first capacitor in the detector as the discharge resistance of the emitter-collector junction of the PNP transistor.

По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.According to the technical result and methods for its achievement, the claimed solution meets the requirement of inventive step.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства АРВН по патенту [3]; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу этого устройства; на фиг. 4 - электрическая схема одного из возможных вариантов выполнения ФНЧ и третьего компаратора; на фиг. 5 - семейство световых характеристик фотоприемника на ПЗС при изменении времени накопления от значения

до значения

; на фиг. 6 - эпюры, иллюстрирующие временное положение выходного сигнала ФДИ; на фиг. 7 - схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС; на фиг. 8 - схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.In FIG. 1 shows a block diagram of a patented ARVN device [3]; in FIG. 2 and 3 are timing diagrams explaining the operation of this device; in FIG. 4 is a circuit diagram of one of the possible embodiments of the low-pass filter and the third comparator; in FIG. 5 - family of light characteristics of the photodetector at the CCD when the accumulation time changes from the value

to the value

; in FIG. 6 is a diagram illustrating the temporary position of the output signal of the PDI; in FIG. 7 - circuit design organization of a matrix photodetector at a CCD; in FIG. 8 - circuit design organization of the "ring" photodetector at the CCD.

Устройство АРВН (фиг. 1) содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель 2 и блок 3 фиксации, при этом вход предварительного видеоусилителя 2, являющийся информационным входом АРВН, подключен к выходу «видео» «кольцевого» фотоприемника на ПЗС в позиции 1, управляющий вход блока 3 - к импульсному сигналу фиксации, а выход блока 3 - к первому входу детектора 4 видеосигнала, состоящего из первого диода 4-1, первого конденсатора 4-2, второго диода 4-3, третьего диода 4-4, первого резистора 4-5, второго резистора 4-6, второго конденсатора 4-7 и PNP-транзистора 4-8, при этом аноды диодов 4-1 и 4-3 подключены к первому входу детектора 4, а анод диода 4-4 - ко второму входу детектора 4, к выходу которого подключены соответственно катоды диодов 4-1 и 4-4, первый вывод конденсатора 4-2 и эмиттер транзистора 4-8, причем катод диода 4-3 подключен к базе транзистора 4-8 и к соединенным между собой первым выводам конденсатора 4-7 и резистора 4-5 соответственно, а коллектор транзистора 4-8 подключен через резистор 4-6 к общей шине детектора 4, к которой присоединены соответственно вторые выводы резистора 4-5 и конденсаторов 4-2 и 4-7, а также первый компаратор 5, второй компаратор 6, ФДИ 7, ПУ 8, третий компаратор 9 и ФНЧ 10; при этом выход детектора 4 подключен соответственно к неинвертирующему входу компаратора 5 и инвертирующему входу компаратора 6, причем инвертирующий вход компаратора 5 подключен к первому пороговому напряжению U_n1, а неинвертирующий вход компаратора 6 - ко второму пороговому напряжению U_n2, второй вход детектора 4 подключен к выходу компаратора 9, инвертирующий вход которого через ФНЧ 10 подключен к выходу «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС, а неинвертирующий вход компаратора 9 - к третьему пороговому напряжению U_n3, при этом выходы компараторов 5 и 6 подключены соответственно к первым входам элементов «И» 11 и 12, вторые входы которых соединены между собой и подключены через переключатель 13 в положении «вверх» к напряжению логической единицы (логической «1»), а в положении «вниз» переключателя 13 - к напряжению логического нуля (логического «0»), выходы элементов «И» 11 и 12 подключены соответственно к первому и второму управляющим входам ФДИ 7, выход которого через ПУ 8 подключен к управляющему входу «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.The device ARVN (Fig. 1) contains a series-connected pre-video amplifier 2 and block 3 fixation, while the input of the preliminary video amplifier 2, which is the information input of the ARVN, is connected to the output of the "video" of the "ring" photodetector on the CCD in position 1, the control input of block 3 - to the pulse signal of fixation, and the output of block 3 to the first input of the detector 4 of the video signal, consisting of the first diode 4-1, the first capacitor 4-2, the second diode 4-3, the third diode 4-4, the first resistor 4-5, second resistor 4-6, second capacitor 4-7 and PNP transistors 4-8, while the anodes of the diodes 4-1 and 4-3 are connected to the first input of the detector 4, and the anode of the diode 4-4 is connected to the second input of the detector 4, the output of which is connected respectively to the cathodes of the diodes 4 -1 and 4-4, the first output of the capacitor 4-2 and the emitter of the transistor 4-8, and the cathode of the diode 4-3 is connected to the base of the transistor 4-8 and to the interconnected first terminals of the capacitor 4-7 and the resistor 4-5, respectively and the collector of transistor 4-8 is connected through a resistor 4-6 to the common bus of the detector 4, to which the second terminals of resistor 4-5 and con the capacitors 4-2 and 4-7, as well as the first comparator 5, the second comparator 6, FDI 7, PU 8, the third comparator 9 and the low-pass filter 10; the output of the detector 4 is connected respectively to the non-inverting input of the comparator 5 and the inverting input of the comparator 6, and the inverting input of the comparator 5 is connected to the first threshold voltage U _n1 , and the non-inverting input of the comparator 6 is connected to the second threshold voltage U _n2 , the second input of the detector 4 is connected to the output of the comparator 9, the inverting input of which through the low-pass filter 10 is connected to the output of the "ring" photodetector 1 at the CCD, and the non-inverting input of the comparator 9 is connected to the third threshold voltage U _n3 , while the outputs of the comparator Orov 5 and 6 are connected respectively to the first inputs of the elements "And" 11 and 12, the second inputs of which are interconnected and connected through the switch 13 in the "up" position to the voltage of the logical unit (logical "1"), and in the "down" position switch 13 - to the voltage of logical zero (logical "0"), the outputs of the elements "And" 11 and 12 are connected respectively to the first and second control inputs of FDI 7, the output of which through PU 8 is connected to the control input of the "ring" photodetector on the CCD.

Отметим, что первый элемент «И» в позиции 11, второй элемент «И» позиции 12 и переключатель в позиции 13 не являются принципиально необходимыми для устройства АРВН, а приведены с целью выполнения необходимых пояснений его возможностей (см. ниже).Note that the first “And” element at position 11, the second “And” element at position 12 and the switch at position 13 are not fundamentally necessary for the ARVN device, but are given in order to fulfill the necessary explanations of its capabilities (see below).

«Кольцевой» фотоприемник 1 на ПЗС (см. фиг. 8) содержит мишень 1-1, на всей площади которой в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов; экранированную от света секцию памяти 1-2, заполненную в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, а также «кольцевой» регистр сдвига 1-3, заканчивающийся БПЗН 1-4. При этом число элементов в каждой сформированной «кольцевой» строке мишени 1-1 и в каждой образованной «кольцевой» строке секции памяти 1-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-3, а линейки светочувствительных элементов мишени 1-1 непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти 1-2.The “annular” photodetector 1 at the CCD (see Fig. 8) contains a target 1-1, over the entire area of which in the radial directions (from the imaginary geometric center of the ring to its outer periphery) there are lines of photosensitive elements; the light-shielded section of memory 1-2, filled in the same radial directions with rulers with the same number of elements as on the target, as well as the “circular” shift register 1-3, ending BRZN 1-4. The number of elements in each formed “ring” line of the target 1-1 and in each formed “ring” line of the memory section 1-2 is equal to the number of elements in the “ring” shift register 1-3, and the line of photosensitive elements of the target 1-1 directly and sequentially connected by charge communication with the ruler elements of the memory section 1-2.

Выходной сигнал ФДИ 7 (см. фиг. 6б) подается через ПУ 8 на управляющий вход «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС, который является затвором антиблюминговой области и одновременно «электронным затвором» сенсора точно так же, как в матричном фотоприемнике, представленном на фиг. 7. Для иллюстрации временного положения выходного сигнала ФДИ 7 на фиг. 6а показан импульс, длительность которого соответствует интервалу кадрового переноса зарядов из секции накопления в секцию хранения, а период следования T_n - периоду полукадров. Уровень логического «0» в импульсном сигнале на фиг. 6б определяет интервал накопления Т_н. Если интервал накопления максимален

, то выходной импульс ФДИ 7 преобразуется в сигнал низкого уровня.The output signal of the FDI 7 (see Fig. 6b) is fed through the control unit 8 to the control input of the "ring" photodetector 1 at the CCD, which is a shutter of the anti-blooming area and at the same time an "electronic shutter" of the sensor in the same way as in the matrix photodetector shown in Fig. . 7. To illustrate the temporary position of the output signal of the PDI 7 in FIG. 6a shows a pulse whose duration corresponds to the interval of personnel transfer of charges from the storage section to the storage section, and the repetition period T _n to the half-frame period. The logic level “0” in the pulse signal in FIG. 6b determines the accumulation interval T _n . If the accumulation interval is maximum

, then the output pulse of the FDI 7 is converted to a low level signal.

Необходимо отметить, что для «кольцевого» регистра сдвига нового фотоприемника, как и для выходного регистра матрицы ПЗС, обязательным условием является наличие «холостых» элементов, которые не находятся в зарядовой связи с элементами последней строки секции памяти, а поэтому на фиг. 7 и 8 они не показаны. При помощи этих «холостых» элементов в выходном сигнале изображения сенсора передается «темновой уровень», т.е. информация о темновой составляющей видеосигнала.It should be noted that for the "circular" shift register of the new photodetector, as well as for the output register of the CCD matrix, a prerequisite is the presence of "idle" elements that are not in charge communication with the elements of the last row of the memory section, and therefore in FIG. 7 and 8 they are not shown. Using these “idle” elements, the “dark level" is transmitted in the output image of the sensor image, i.e. information about the dark component of the video signal.

Предварительный видеоусилитель 2, компараторы 5 и 6 не отличаются по схемотехническому исполнению от соответствующих блоков изобретения [3]. The preliminary video amplifier 2, comparators 5 and 6 do not differ in circuit design from the corresponding blocks of the invention [3].

Блок 3 фиксации выполнен по известной схеме управляемой фиксации, а его особенностью является временное положение импульса фиксации, которое совпадает с временным положением «темнового уровня» в видеосигнале фотоприемника. Поэтому блок 3 фиксации осуществляет «привязку» уровня черного в выходном видеосигнале к «темновому уровню» сигнала изображения «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС.Block 3 of the fixation is made according to the known scheme of controlled fixation, and its feature is the temporary position of the pulse of fixation, which coincides with the temporary position of the "dark level" in the video signal of the photodetector. Therefore, the block 3 fixation carries out the "binding" of the black level in the output video signal to the "dark level" of the image signal of the "ring" photodetector 1 on the CCD.

ФДИ 7, как и в решении по патенту [3], может быть выполнен с использованием микросхемы КНС14АП24, разработанной АОЗТ «Элми» (г. С.-Петербург). В соответствии с техническим описанием [4, с. 7] микросхема содержит в своем составе формирователь длительности импульсов, обеспечивающих управление «электронным затвором» матрицы ПЗС. Длительность интервала накопления Т_н в этих импульсах может принимать следующие значения: 64 мкс, 128 мкс, 256 мкс, 480 мкс, 1024 мкс, 2048 мкс, 4000 мкс, 8000 мкс, 16000 мкс и 20000 мкс, а их установка происходит по следующему алгоритму. Если на управляющем входе RP присутствует логический «0», а на управляющем входе RM - логическая «1», то длительность времени накопления дискретно увеличивается. При RP=«1», a RM = «0» длительность накопления уменьшается. При RP = «1», a RM = «1» запоминается предыдущее значение длительности накопления. Если RP = «0», a RM = «0», то время накопления максимально

. Изменение длительности накопления происходит с частотой полукадров.FDI 7, as in the decision on the patent [3], can be performed using the KNS14AP24 chip developed by CJSC Elmi (St. Petersburg). In accordance with the technical description [4, p. 7] the microcircuit contains in its composition a shaper of the pulse duration, providing control of the "electronic shutter" of the CCD matrix. The duration of the accumulation interval T _n in these pulses can take the following values: 64 μs, 128 μs, 256 μs, 480 μs, 1024 μs, 2048 μs, 4000 μs, 8000 μs, 16000 μs and 20000 μs, and they are set according to the following algorithm . If there is a logical “0” at the control input RP and a logical “1” at the control input RM, then the duration of the accumulation time increases discretely. When RP = "1", a RM = "0", the accumulation duration decreases. When RP = “1”, a RM = “1”, the previous value of the accumulation duration is stored. If RP = "0", a RM = "0", then the accumulation time is maximal

. The change in the duration of accumulation occurs with a half-frame frequency.

Последовательно включенные блоки: ФНЧ 10 и третий компаратор 9, - могут быть выполнены по схеме, показанной на фиг. 4. ФНЧ 10 включает резистор R1 и конденсатор С1. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, подаваемого на инвертирующий вход компаратора, который выполнен на базе операционного усилителя DA1. Резистор R3 задает пороговое напряжение U_n3, подаваемое на неинвертирующий вход компаратора. Резисторы R4 и R5 выполняют роль делителя выходного напряжения компаратора.Serially connected blocks: the low-pass filter 10 and the third comparator 9, - can be performed according to the circuit shown in FIG. 4. The low-pass filter 10 includes a resistor R1 and a capacitor C1. Resistors R1 and R2 form a voltage divider supplied to the inverting input of the comparator, which is based on the operational amplifier DA1. Resistor R3 sets the threshold voltage U _n3 supplied to the non-inverting input of the comparator. Resistors R4 and R5 act as a comparator output voltage divider.

Устройство АРВН (см. фиг. 1) работает следующим образом. The device ARVN (see Fig. 1) works as follows.

Устанавливаем переключатель 13 в положение «вверх». Тогда в фотоприемнике 1 на ПЗС (см. фиг. 7 или фиг. 8) в режиме АРВН осуществляется формирование сигнала изображения. Предположим, что в качестве сенсора используется «кольцевой» фотоприемник на ПЗС с каналом проводимости n-типа, а освещенность фотомишени не превышает максимальную величину, при которой наступает насыщение потенциальных ям зарядовыми носителями. Видеосигнал на выходе фотоприемника (см. эпюру А на фиг. 2а) имеет отрицательную полярность и во время прямого хода каждой строки t_n.х.с. передает информацию об освещенности объекта контроля, а в течение интервала t₁, во время обратного хода строки t_o.х.с., - информацию о темновой составляющей видеосигнала фотоприемника путем считывания зарядовых пакетов, находящихся в «холостых» элементах «кольцевого» регистра фотоприемника 1 на ПЗС. Отметим, что временной промежуток t₂ в сигнале изображения на фиг. 2а соответствует интервалу переноса зарядовых пакетов из секции хранения в выходной регистр матрицы ПЗС, a t₁ + t₂ = t_o.х.с..Set the switch 13 to the up position. Then, in the photodetector 1 on the CCD (see Fig. 7 or Fig. 8) in the mode ARVN is the formation of the image signal. Suppose that we use a “ring” CCD photodetector with an n-type conduction channel as the sensor, and the illumination of the photo target does not exceed the maximum value at which saturation of potential wells with charge carriers occurs. The video signal at the output of the photodetector (see diagram A in Fig. 2a) has a negative polarity during the direct course of each line t _n.h.s. transmits information about the illumination of the control object, and during the interval t ₁ , during the return stroke of the line t _o.h.s. , - information about the dark component of the video signal of the photodetector by reading the charge packets located in the "idle" elements of the "circular" register of the photodetector 1 on the CCD. Note that the time interval t ₂ in the image signal in FIG. 2a corresponds to the interval of transfer of charge packets from the storage section to the output register of the CCD matrix, at ₁ + t ₂ = t _o.h.s. .

Далее в предварительном видеоусилителе 2, как и в прототипе, из видеосигнала удаляется тактовая помеха, а на его выходе создается информационная огибающая положительной полярности (см. эпюру A1 на фиг. 2б). Уровень U₁ на этой эпюре соответствует темновой составляющей сигнала изображения фотоприемника 1 на ПЗС.Further, in the preliminary video amplifier 2, as in the prototype, the clock noise is removed from the video signal, and an information envelope of positive polarity is created at its output (see diagram A1 in Fig. 2b). The level U ₁ on this plot corresponds to the dark component of the image signal of the photodetector 1 on the CCD.

В блоке 3 выполняется операция управляемой фиксации видеосигнала при помощи импульсного сигнала, показанного на фиг. 2в. В результате уровень черного в сигнале изображения «привязывается» в интервале передачи информации о темновой составляющей к напряжению фиксации U_ф (см. эпюру А2 на фиг. 2г).In block 3, the operation of controlled fixation of the video signal using the pulse signal shown in FIG. 2c. As a result, the black level in the image signal is “tied” in the interval of transmission of information about the dark component to the fixing voltage U _f (see diagram A2 in Fig. 2d).

С выхода блока 3 видеосигнал подается на блок 4, где выполняется его детектирование. Выпрямленное диодом 4-1 значение видеосигнала выделяется на конденсаторе 4-2, напряжение которого является регулирующим напряжением автоматической регулировки. Емкость конденсатора 4-2 выбирается достаточно большой, чтобы базовый ток транзистора 4-8 практически не влиял на величину регулирующего напряжения. Одновременно через диод 4-3 заряжается конденсатор 4-7, напряжение которого является опорным при сравнении с регулирующим напряжением. Параллельно конденсатору 4-7 подключен разрядный резистор 4-5, величина которого выбирается достаточно большой, чтобы исключить влияние на источник сигнала. Постоянная времени цепочки: резистор 4-5, конденсатор 4-7 выбирается порядка длительности нескольких полукадров.From the output of block 3, the video signal is supplied to block 4, where it is detected. The video signal rectified by diode 4-1 is allocated on the capacitor 4-2, the voltage of which is the regulating voltage of the automatic adjustment. The capacitance of the capacitor 4-2 is selected large enough so that the base current of the transistor 4-8 practically does not affect the magnitude of the regulatory voltage. At the same time, a capacitor 4-7 is charged through a 4-3 diode, the voltage of which is a reference when compared with the regulatory voltage. In parallel to the capacitor 4-7, a discharge resistor 4-5 is connected, the value of which is selected large enough to exclude the effect on the signal source. Chain time constant: resistor 4-5, capacitor 4-7 is selected on the order of the duration of several half-frames.

Сравнение напряжений на конденсаторах 4-2 и 4-7 осуществляется с помощью транзистора 4-8, который при постоянном видеосигнале или при его увеличении закрыт, т.к. разница напряжений на конденсаторах 4-7 и 4-2 недостаточна для его открывания.Comparison of voltages on capacitors 4-2 and 4-7 is carried out using transistor 4-8, which is closed with a constant video signal or with its increase, because the voltage difference across the capacitors 4-7 and 4-2 is not enough to open it.

Изменение освещенности в сторону уменьшения приводит к снижению размаха видеосигнала, при этом конденсатор 4-7 быстро разряжается до нового значения, в то время как напряжение на конденсаторе 4-2 остается практически неизменным. Возникающая за счет этого разность напряжений между эмиттером и базой транзистора 4-8 открывает его, а через сопротивление 4-6 в коллекторе открытого транзистора происходит быстрый разряд конденсатора 4-2 до нового значения, после чего транзистор 4-8 снова закрывается.Changing the illumination in the direction of decrease leads to a decrease in the magnitude of the video signal, while the capacitor 4-7 quickly discharges to a new value, while the voltage on the capacitor 4-2 remains almost unchanged. The resulting voltage difference between the emitter and the base of the transistor 4-8 opens it, and through the resistance 4-6 in the collector of the open transistor, the capacitor 4-2 quickly discharges to a new value, after which the transistor 4-8 closes again.

Предположим, что коэффициент передачи детектора 4 видеосигнала близок к единице, а освещенность на объекте контроля не превышает значение E₀ (см. фиг. 5). Допустим также, что время накопления фотоприемника Т_н составляет промежуточное значение из возможных, т.е.

, где

- минимальное время накопления ПЗС;

- максимальное время накопления ПЗС.Suppose that the transmittance of the detector 4 of the video signal is close to unity, and the illumination at the test object does not exceed the value of E ₀ (see Fig. 5). Let us also assume that the accumulation time of the photodetector T _n is an intermediate value of the possible ones, i.e.

where

- minimum accumulation time of the CCD;

- the maximum accumulation time of the CCD.

Тогда величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 меньше первого порогового напряжения U_n1. Поскольку величина первого порогового напряжения всегда меньше второго порогового напряжения, т.е. U_n1<U_n2, то на выходе компаратора 5 устанавливается состояние логического «0», а на выходе компаратора 6 - состояние логической «1». Благодаря тому что на вторых входах элементов «И» 11 и 12 присутствует логическая «1», состояние «01» передается без изменений на управляющие входы ФДИ 7, а последнее вызывает в последующем полукадре на его выходе увеличение интервала накопления на один дискрет.Then the magnitude of the regulatory voltage U _p at the output of the detector 4 is less than the first threshold voltage U _n1 . Since the magnitude of the first threshold voltage is always less than the second threshold voltage, i.e. U _n1 <U _n2 , then the output of the comparator 5 is set to the logical state "0", and at the output of the comparator 6 - the state of the logical "1". Due to the fact that a logical “1” is present at the second inputs of the elements “And” 11 and 12, the state “01” is transmitted without changes to the control inputs of the FDI 7, and the latter causes the subsequent accumulation half-frame to increase the accumulation interval by one discrete.

Выходной импульс ФДИ 7 через ПУ 8 подается на управляющий вход сенсора на ПЗС, что в результате вызывает увеличение выходного сигнала фотоприемника. Если в последующем полукадре состояние «01» на выходах компараторов сохранится, то время накопления «кольцевого» фотоприемника вновь увеличится на один дискрет.The output pulse of the FDI 7 through the PU 8 is fed to the control input of the sensor on the CCD, which as a result causes an increase in the output signal of the photodetector. If in the subsequent half-frame the state “01” at the outputs of the comparators is maintained, then the accumulation time of the “ring” photodetector will again increase by one discrete.

Если по истечении нескольких полукадров величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 удовлетворяет неравенству: U_n1<U_p<U_n2, то на выходе компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «11», а на выходе ФДИ 7 сохраняется интервал накопления предыдущего полукадра.If after several half-frames the value of the regulating voltage U _p at the output of the detector 4 satisfies the inequality: U _n1 <U _p <U _n2 , then the state “11” is set at the output of the comparators 5 and 6, and the accumulation interval of the previous half-frame is maintained at the output of the PDF 7.

Предположим, что при состоянии «11» на выходах компараторов 5 и 6, освещенность матрицы ПЗС возрастает. Величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 становится больше, чем величина второго порогового напряжения U_n2. Тогда на выходах компараторов 5 и 6, а следовательно, и на управляющих входах ФДИ 7 устанавливается новое состояние «10», что вызывает на выходе последнего уменьшение интервала накопления на один дискрет. В результате выходной импульс блока 7 через ПУ 8, воздействуя на управляющий вход сенсора на ПЗС, приводит к уменьшению в последующем полукадре видеосигнала с фотоприемника.Suppose that with the state “11” at the outputs of the comparators 5 and 6, the illumination of the CCD matrix increases. The value of the control voltage U _p at the output of the detector 4 becomes larger than the value of the second threshold voltage U _n2 . Then, at the outputs of the comparators 5 and 6, and therefore at the control inputs of the FDI 7, a new state “10” is set, which causes the output of the latter to decrease the accumulation interval by one discrete. As a result, the output pulse of block 7 through PU 8, acting on the control input of the sensor on the CCD, leads to a decrease in the subsequent half-frame of the video signal from the photodetector.

Рассмотрим ситуацию, когда освещенность фотомишени матрицы ПЗС в некоторый момент времени превышает максимальную, и потенциальные ямы оказываются полностью заполненными фотоэлектронами. В этом случае видеосигнал на выходе ПЗС приобретает новую форму (см. эпюру Б на фиг. 2а, показанную пунктиром). Отметим ее важную особенность: она иллюстрирует максимальное заполнение потенциальных ям зарядовыми носителями и в «холостых» элементах «кольцевого» регистра. Благодаря этому видеосигнал на выходе предварительного видеоусилителя 2 имеет форму, приведенную на эпюре Б1 (см. фиг. 2б), а уровень сигнала изображения U₂ становится общим для всех элементов «кольцевого» регистра фотоприемника на ПЗС.Let us consider a situation where the illumination of the photo target of the CCD matrix at some point in time exceeds the maximum, and the potential wells turn out to be completely filled with photoelectrons. In this case, the video signal at the output of the CCD acquires a new shape (see diagram B in Fig. 2a, shown by a dotted line). We note its important feature: it illustrates the maximum filling of potential wells with charge carriers in the “idle” elements of the “ring” register. Due to this, the video signal at the output of the preliminary video amplifier 2 has the form shown in diagram B1 (see Fig. 2b), and the signal level of the image U ₂ becomes common for all elements of the “ring” register of the photodetector at the CCD.

Поэтому форма видеосигнала на выходе блока 3 фиксации в этом случае (см. эпюру Б2 на фиг. 2 г) существенно отличается от А2, которая имела место в ранее описанной ситуации. По этой причине величина регулирующего напряжения на выходе детектора 4 уменьшается, а на выходах компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «10», что для прототипа вызывает в конечном итоге дополнительное увеличение интервала накопления на один дискрет, а следовательно, ошибку в выборе направления регулирования.Therefore, the shape of the video signal at the output of the fixing unit 3 in this case (see diagram B2 in FIG. 2 g) is significantly different from A2, which took place in the previously described situation. For this reason, the magnitude of the control voltage at the output of the detector 4 decreases, and at the outputs of the comparators 5 and 6, the state is set to "10", which for the prototype ultimately causes an additional increase in the accumulation interval by one discrete, and therefore, an error in choosing the direction of regulation.

Однако в настоящем решении ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. имеется дополнительный контур управления, состоящий из ФНЧ 10 и третьего компаратора 9, причем вход ФНЧ подключен к выходу матрицы ПЗС, а выход компаратора соединен со вторым входом детектора 4.However, in this decision, an error in choosing the direction of regulation is excluded, because there is an additional control loop, consisting of a low-pass filter 10 and a third comparator 9, and the input of the low-pass filter is connected to the output of the CCD, and the output of the comparator is connected to the second input of the detector 4.

Рассмотрим работу дополнительного контура управления.Consider the operation of an additional control loop.

Если освещенность на ПЗС не превышает максимальную для данного времени накопления, то видеосигнал на выходе ФНЧ 10 имеет вид, показанный на эпюре A3 (см. фиг. 3). На выходе компаратора 9 при этом установится низкий логический уровень, т.к. напряжение видеосигнала, подаваемое на его инвертирующий вход, превышает пороговое напряжение U_n3 на его неинвертирующем входе. Выходное напряжение компаратора 9 закрывает диод 4-4 детектора видеосигнала и поэтому не воздействует на процесс детектирования сигнала изображения.If the illumination at the CCD does not exceed the maximum for a given accumulation time, then the video signal at the output of the low-pass filter 10 has the form shown in diagram A3 (see Fig. 3). At the output of the comparator 9, a low logic level is established, as the voltage of the video signal supplied to its inverting input exceeds the threshold voltage U _n3 at its non-inverting input. The output voltage of the comparator 9 closes the diode 4-4 of the video detector and therefore does not affect the process of detecting the image signal.

Но когда освещенность на ПЗС такова, что экспозиция больше максимальной, видеосигнал на выходе ФНЧ 10 приобретает вид, показанный на эпюре Б3 (см. фиг. 3). При этом на выходе компаратора 9 появляется высокий логический уровень, который открывает диод 4-4 детектора и увеличивает напряжение на конденсаторе 4-2. В результате время накопления фотоприемника уменьшается на один дискрет, а ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. устранены условия ее вызывающие.But when the illumination at the CCD is such that the exposure is greater than the maximum, the video signal at the output of the low-pass filter 10 takes on the form shown in diagram B3 (see Fig. 3). At the same time, a high logic level appears at the output of the comparator 9, which opens the diode 4-4 of the detector and increases the voltage across the capacitor 4-2. As a result, the accumulation time of the photodetector is reduced by one discrete, and the error in choosing the direction of regulation is excluded, because the conditions causing it are eliminated.

Обращаясь к фиг. 5, можно добавить, что при возрастании освещенности на фотомишени ПЗС в рабочем диапазоне это переключение на меньшую величину времени накопления фотоприемника будет происходить в точках Е₁, Е₂, Е₃, Е₄ и Е_макс.Turning to FIG. 5, it can be added that with increasing illumination on the CCD photo target in the operating range, this switching to a shorter photodetector accumulation time will occur at points E ₁ , E ₂ , E ₃ , E ₄ and E _max .

Благодаря этому техническому решению детектора 4 видеосигнала, инерционность регулирования в сторону уменьшения освещенностей уменьшается и практически совпадает с инерционностью регулирования в сторону увеличения.Due to this technical solution of the video detector 4, the inertia of regulation in the direction of decreasing the illumination decreases and practically coincides with the inertia of regulation in the direction of increasing.

Следует отметить, что представленная на фиг. 1 структурная схема устройства АРВН обладает дополнительным преимуществом. Оно заключается в возможности оперативного перевода сенсора на ПЗС в режим максимальной чувствительности. Для реализации этого режима переключатель 13 (см. фиг. 1) необходимо установить в положение «вниз». При этом на вторые входы элементов «И» 11 и 12 подается сигнал логического «0», а это, в свою очередь, определяет состояние «00» на управляющих входах ФДИ 7. В этом случае интервал накопления в выходном импульсе блока 7 максимальный

, что в результате, при прочих равных условиях, и обеспечивает режим максимальной чувствительности фотоприемника.It should be noted that FIG. 1 block diagram of the device ARVN has an additional advantage. It consists in the possibility of rapid transfer of the sensor on the CCD to maximum sensitivity. To implement this mode, the switch 13 (see Fig. 1) must be set to the "down" position. At the same time, a logical “0” signal is supplied to the second inputs of the elements “And” 11 and 12, and this, in turn, determines the state “00” at the control inputs of the PDI 7. In this case, the accumulation interval in the output pulse of block 7 is maximum

, which, as a result, ceteris paribus, provides the maximum sensitivity of the photodetector.

В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.Currently, all blocks of the proposed solution have been mastered or can be mastered by domestic industry, therefore, the alleged invention should be considered consistent with the requirement of industrial applicability.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2592831. МПК H04N 5/00. Устройство фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // БИ - 2016. - №21.1. RF patent No. 2592831. IPC H04N 5/00. A photodetector device for panoramic television and computer surveillance. / V.M. Smelkov // BI - 2016. - No. 21.

2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991.2. Press F.P. Charge coupled photosensitive devices. - M .: Radio and communications, 1991.

3. Патент РФ №2420016. МПК H04N 5/00. Устройство автоматической регулировки времени накопления фотоприемной матрицы на приборах с зарядовой связью / В.М. Смелков // БИ - 2011. - №15.3. RF patent No. 2420016. IPC H04N 5/00. A device for automatically adjusting the accumulation time of a photodetector matrix on charge-coupled devices / V.M. Smelkov // BI - 2011. - No. 15.

4. Микросхема КНС14АП24 - Формирователь импульсов переноса. Техническое описание ДКГШ.431262.018 ТО, С.-Петербург, 1995.4. Chip KNS14AP24 - Shaper of transfer pulses. Technical description DKGSh. 431262.018 TO, St. Petersburg, 1995.

Claims

A device for automatically adjusting the accumulation time (ARVN device) of a television sensor manufactured by the technology of charge-coupled devices (CCD), which contains a series-connected preliminary video amplifier and fixation unit, while the control input of the fixation unit is connected to a pulse fixation signal, and the output of the fixation unit is to the first input of the video signal detector, consisting of a first diode, a first capacitor, a second diode, a third diode, a first resistor, a second resistor, a second capacitor anode and a PNP transistor, while the anodes of the first and second diodes are connected to the first input of the video signal detector, and the anode of the third diode is connected to the second input of the video signal detector, to the output of which are connected the cathodes of the first and third diodes, the first output of the first capacitor and the PNP emitter a transistor, and the cathode of the second diode is connected to the base of the PNP transistor and to the interconnected first terminals of the second capacitor and the first resistor, respectively, and the collector of the PNP transistor is connected through the second resistor to the common the bus of the video signal detector, to which the second terminals of the first resistor, the first and second capacitors are connected, respectively, while the ARVN device also contains a first comparator, a second comparator, a pulse width former (PDI), a level converter (PU), a third comparator and a low-pass filter ( Low-pass filter), while the output of the video signal detector is connected respectively to the non-inverting input of the first comparator and the inverting input of the second comparator, and the inverting input of the first comparator is connected n to the first threshold voltage, and the non-inverting input of the second comparator to the second threshold voltage, the second input of the video detector is connected to the output of the third comparator, the inverting input of which is connected to the LPF output, and the non-inverting input of the third comparator to the third threshold voltage, while the outputs of the first and the second comparators are connected respectively to the first and second control inputs of the PDI, the output of which is connected to the input of the control panel, while the input of the preliminary video amplifier connected to the input the low-pass filter house is the information input of the ARVN device, and the PU output is the output of the ARVN device, characterized in that the television sensor of the device is a “ring” CCD photodetector, consisting of a “ring” target, a “ring” memory section connected in series and “ ring "shift register, ending with a charge-voltage conversion unit (CPS), the output of which is the output of the" video "of the" ring "photodetector, and the" ring "photodetector itself is equipped with an anti-blooming (stock) target a region with an electronic shutter, which is the control input of the photodetector, while the entire area of the target of the "ring" photodetector in radial directions (from the imaginary geometric center of the ring to its outer periphery) contains lines of photosensitive elements, and the light-shielded memory section is filled in the same radial directions with rulers with the same number of elements as on the target, and the number of elements in each “ring” line of the target and in each “ring” line of the memory section is the number of elements in the "annular" shift register, the output of "video", "ring" of the photodetector is connected to the information input device ARVN and ARVN output device - to the control input "annular" photodetector.