Способы совершенствования тепловизионных систем на основе пировидикона

Современные тепловизионные системы находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Разработка конкурентоспособного неохлаждаемого тепловизора, является одной из важнейших задач, стоящих перед отечественными разработчиками тепловизионных систем.

Несмотря на значительные достижения в разработке твердотельных приемников инфракрасного (ИК) излучения и, в частности, неохлаждаемых «смотрящих» матриц, пироэлектрические видиконы (ПЭВ) в настоящее время остаются одними из наиболее доступных отечественных ИК-датчиков, на основе которых возможно создание современных тепловизоров широкого применения для решения практических задач диагностики и визуализации тепловых полей в промышленности, энергетике, строительстве, на транспорте и в других отраслях.

1−5].

Основными преимуществами тепловизора, построенного на основе ПЭВ, являются: отсутствие охлаждения прибора, компактность, удобство в эксплуатации, возможность использования стандартной телевизионной аппаратуры для визуализации получаемого изображения и относительно низкая себестоимость. Пи-ровидиконы применяются для визуализации объектов, прежде всего в дальнем ИК-диапазоне (8. 14 мкм).

Для улучшения характеристик пировидиконных тепловизоров, необходимо найти пути повышения отношения сигнал/шум на выходе пировидикона, а также найти способы обеспечения более равномерной чувствительности мишени ПЭВ. Публикации как в нашей стране, так и за рубежом свидетельствуют о том, что вопрос об оптимальности телевизионного стандарта, традиционно применяемого для работы ПЭВ, до настоящего времени остается открытым. Анализ литературных данных и патентных источников информации, посвященных вопросам оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров, свидетельствует о многочисленных исследованиях, проводимых в этой области [6−33], что подтверждает актуальность данной проблемы.

Основные проблемы, которые стоят перед разработчиками пировидикон-ных тепловизоров, связаны с определением оптимальных способов считывания информации с мишени ПЭВ, определением оптимальных режимов формирования на поверхности мишени равномерного заряда пьедестала требуемой величины и обеспечением условий для оптимальной работы пировидиконов с учетом их специфических особенностей. Необходимо, также, учитывать дополнительные требования, определяемые различными областями применения, решаемыми задачами визуализации тепловых полей и условиями эксплуатации ПЭВ.

Исследователями были предложены различные способы считывания сигнала и режимы формирования пьедестала на мишени ПЭВ, которые, по их мнению, в той или иной мере решают указанные проблемы. К сожалению, большинство этих способов применялись либо к какой-то конкретной пировидиконной тепловизионной системе, либо были проанализированы лишь качественно. До настоящего времени, насколько нам известно, о проведении систематизированного сопоставления различных способов считывания сигнала и способов формирования пьедестала в ПЭВ, не сообщалось. Одной из причин этого была и остается сложность сравнения данных, полученных для разных типов ПЭВ в разных пиротепловизорах, а также трудности изменения режимов работы ПЭВ в рамках одного и того же тепловизора, без внесения в его конструкцию серьезных изменений. Кроме того, сравнение эффективности различных режимов работы ПЭВ затрудняется отсутствием перестраиваемых средств визуализации получаемого изображения, способных воспринимать различные форматы входного сигнала.

Автор попытался найти пути решения этих задач созданием перестраиваемого прибора, позволяющего влиять на рабочие параметры ПЭВ за счет изменения и регулировок режимов работы отдельных модулей, входящих в состав пиро-тепловизора. Параметрами, влияющими на температурное и пространственное разрешение ПЭВ, и, как следствие, на качество получаемого термоизображения, являются:

— время накопления сигнального заряда на мишени (время экспозиции);

— параметры формата разложения;

— тип развертки;

— уровень собственных шумов, возникающих при формировании на мишени пировидикона заряда пьедестала;

— режимы модуляции входного потока излучения;

— температура мишени.

Цель работы состоит в поиске путей совершенствования и построения пировидиконных тепловизоров, которые позволят понизить уровень собственных шумов, повысить отношение сигнал/шум и расширить динамический диапазон пировидиконов.

Объектом исследования в настоящей работе являются процессы, происходящие на мишени пировидикона при считывании с нее информации и при ее подготовке к очередному циклу работы.

Предметом исследования является анализ условий и режимов эффективного считывания сигнальных пироэлектрических зарядов и формирования компенсирующего заряда на мишени пировидикона, которые обеспечивают понижение собственных шумов пировидикона и расширение его динамического диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать существующие способы считывания сигнала и формирования электронного пьедестала в пировидиконах и обосновать выбор перспективных режимов работы, обеспечивающих улучшение характеристик пиро-видиконной тепловизионной системы;

— разработать математическую модель, адекватно описывающую процессы считывания сигнала и формирования пьедестала на пироэлектрических мишенях. На основе этой модели провести исследования различных режимов работы ПЭВ;

— разработать и осуществить реализацию экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющего проводить практическое сопоставление режимов работы ПЭВ;

— разработать принцип построения, схему, алгоритм и программу работы системы управления макетом многорежимного пировидиконного тепловизора;

— разработать и создать специализированные функциональные модули (программируемый модуль управленияпрограммируемый модуль генерации опорного сигнала для управления токами в отклоняющей системе ПЭВмодуль управления ПЭВмодуль усиления для отклоняющей системы ПЭВмодуль формирования видеосигнала) для экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора;

— реализовать на основе созданного макета режимы работы ПЭВ, представляющие практический интерес;

— провести исследования и сравнительный анализ реализованных режимов работы и сопоставление полученных результатов с данными компьютерного моделирования.

В работе использованы методы математического моделирования, методы теории электронно-лучевых приборов, методы математического анализа, элементы теории аналоговой, цифровой и вычислительной техники.

Научную новизну проведенных в работе исследований определяют следующие основные результаты:

— предложен и запатентован новый способ работы ПЭВ, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе этого прибора;

— разработана математическая модель работы пироэлектрической мишени, позволяющая проводить сопоставление различных режимов работы ПЭВ;

— предложена методика сравнительной оценки режимов работы ПЭВ, показавшая свою эффективность в практических исследованиях;

— создан экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, который позволил провести корректное экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ;

— проведены исследования и получено экспериментальное подтверждение повышения отношения сигнал/шум, улучшения равномерности пьедестала и снижения пороговой разности температур в пировидиконном тепловизоре при использовании предложенного режима работы ПЭВ.

Практическая ценность работы заключается в получении результатов, которые указывают пути разработки современных конкурентоспособных пировидиконных тепловизоров. В ходе работы получены следующие практические результаты:

• создана модель работы мишени пировидикона для сравнительной и прогностической оценки различных режимов работы ПЭВ;

• созданы специализированные программируемые устройства, обеспечившие создание экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора. Реализованы на практике алгоритмы работы этих устройств;

• разработан, изготовлен и настроен экспериментальный макет многорежимного тепловизора на основе пировидикона, позволяющий исследовать режимы работы пировидиконных тепловизоров;

• получены экспериментальные результаты, подтвердившие предположение, что использование нетрадиционных режимов работы ПЭВ позволяет оказывать существенное положительное влияние на его характеристики;

• созданный макет показывает одно из направлений создания пиротепловизо-ров нового поколения. Макет может быть положен в основу экспериментальных установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложен и реализован на практике новый режим работы пировидикона, позволяющий увеличить пороговую чувствительность и отношение сигнал/шум на его выходе без внесения технологических и конструктивных доработок.

2. Разработана математическая модель цикла работы пировидикона, позволяющая прогнозировать тенденции изменения характеристик и параметров пировидиконных тепловизоров при изменении режимов работы пировидикона.

3. Результаты исследований, которые показывают, что при использовании нетрадиционных режимов работы пировидикона достигается существенное улучшение его характеристик.

Структура диссертационной работы. В первой главе рассматриваются проблемы создания и перспективы развития неохлаждаемых тепловизионных систем на основе пироэлектрических видиконов. Кратко обсуждаются сравнительные характеристики фотонных и пироэлектрических приемников ИК-излучения, а также особенности сопоставления тепловизоров на основе многоэлементных фотоприемников. Проводится обзор существующих тепловизионных систем, построенных на основе неохлаждаемых приемников ИК-излучения. Рассматриваются основные особенности пироэлектрического эффекта и работы ПЭВ. Отмечаются основные проблемы, стоящие перед разработчиками пировидиконных тепловизоров. Предлагаются некоторые пути улучшения качественных показателей тепловизоров на основе ПЭВ.

Вторая глава посвящена анализу методов считывания сигнала и формирования электронного пьедестала в ПЭВ, совместимых с телевизионным стандартом. Проводится сравнительный анализ условий, необходимых для практической реализации рассмотренных методов работы ПЭВ. Определяются направление экспериментальных исследований и методы работы ПЭВ, представляющие наибольший практический интерес. Определяются основные технические требования, которым должен отвечать экспериментальный макет для проведения исследований в рамках выбранного направления.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов считывания и формирования пьедестала на мишени пировидикона. Рассматриваются существующие математические модели пировидиконных тепловизоров. Дается описание разработанной математической модели процессов считывания сигнала и формирования пьедестала. Анализируются результаты компьютерного моделирования, предлагаются методика и критерии сопоставления моделируемых режимов. Предлагается способ сопоставления результатов моделирования с практическими экспериментальными результатами.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Анализируются экспериментальные результаты и проводится их сопоставление с результатами математического моделирования.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Создана модель, позволяющая исследовать динамику процессов, происходящих на мишени пировидикона при взаимодействии электронного луча с мишенью. На основе предложенной модели проведен анализ режимов работы пировидикона, представляющих практический интерес.

2. Предложена методика и определены критерии сопоставления моделируемых режимов работы ПЭВ. Эффективность предложенной методики подтверждена экспериментальными данными, полученными при исследованиях с использованием созданного в ходе работы экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора.

3. Спроектированы, изготовлены и настроены специализированные программируемые модули экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора: микропроцессорный модуль управления и цифровой модуль генерации опорного сигнала для строчной и кадровой разверток. Разработаны и реализованы алгоритмы работы этих устройств.

4. Создан действующий экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющий исследовать пути оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров. Разработаны и реализованы схемотехнические, конструктивные и программные решения функциональных модулей экспериментального макета, которые позволяют корректировать рабочие параметры макета и изменять режимы работы ПЭВ. Созданное устройство может быть положено в основу установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов. Выявлена возможность создания адаптивных пировидиконных тепловизоров, характеристики которых можно изменять в процессе работы в зависимости от поставленных задач и свойств источников тепловых изображений.

5. На базе созданного макета, проведено экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ, представляющих практический интерес. Хорошее совпадение результатов экспериментальных исследований с данными компьютерного моделирования позволило сделать вывод, что предложенная модель может быть использована для прогностической оценки шумовых свойств и равномерности распределения потенциала пьедестала по мишени ПЭВ.

6. Реализация защищенного патентом режима работы пировидикона, позволила существенно улучшить характеристики ПЭВ без его технологических и конструктивных доработок. В зависимости от величины потенциала пьедестала и индивидуальных характеристик используемого ПЭВ по сравнению с традиционно применяемым «телевизионным» режимом пороговая разность температур снижена на 0.15^-0.35 К. Рост отношения сигнал/шум по результатам практических измерений составил от 20 до 150%, равномерность потенциала пьедестала улучшена в 1.5-К2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.