УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в тепловизионных устройствах, имеющих в качестве детектора инфракрасного излучения субматрицу фоточувствительных элементов.

Известно устройство формирования изображения с коррекцией сигналов (см. патент Франции №2720175, М. кл. G06F 17/10, G06T 5/00, опубл. 20.04.1994 г.), содержащее оптическую систему, сканирующее устройство и субматричное фотоприемное устройство (ФПУ) со схемами накопления и считывания сигнала, выходы которого подключены к соответствующим входам блока обработки сигналов, один из выходов блока обработки сигналов подключен к регулируемым источникам опорного излучения, оптически сопряженным через сканирующее устройство с ФПУ, и схему синхронизации работы системы, включенную между сканирующим устройством и блоком обработки сигналов. Блок обработки сигналов для осуществления коррекции содержит в своем составе последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фильтр, множительное устройство, сумматор, а также вычислительное устройство, средства селекции и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Недостатками в работе устройства формирования изображения с коррекцией сигналов являются небольшой температурный диапазон наблюдаемой сцены, ограниченный областью вблизи значений потоков излучения от опорных источников, невысокая скорость отработки устройством резкой смены температурной обстановки наблюдаемой сцены и необходимость учета факторов, влияющих на величину видеосигнала, при выборе средствами селекции необходимого набора коэффициентов коррекции. Кроме того, при эксплуатации устройства в широком температурном диапазоне бывает недостаточно фиксированных значений времени накопления сигнала и величины накопительных емкостей каналов ФПУ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство формирования изображения (см. патент России №2407213, м. кл. H04N 5/33, опубл. 20.12. 2010 г.), содержащее последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив, сканирующее устройство, проекционный объектив и ФПУ, выход которого электрически соединен через блок сопряжения с входом блока обработки сигналов, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, второй выход блока обработки сигналов подключен, по крайней мере, к одному регулируемому источнику опорного излучения, оптически сопряженному через сканирующее устройство с ФПУ, а также схему синхронизации, включенную между сканирующим устройством и синхронизирующим входом блока обработки сигналов, и схему управления режимом работы ФПУ, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов, а выход к управляющему входу ФПУ.

Коэффициенты коррекции в этом устройстве вычисляются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ на экспонирование двумя различными по величине потоками, значения которых выбираются в динамическом диапазоне сигналов от наблюдаемой устройством сцены. Данные потоки формируются источником опорного излучения в соответствии с сигналом управления от вычислительного устройства. Схема управления режимом работы ФПУ изменяет с помощью управляющего сигнала время накопления сигнала и величину накопительной емкости канала ФПУ, смещая выборку значений аналогового видеосигнала в наиболее линейный участок кривых отклика чувствительных элементов.

Недостатком в работе устройства формирования изображения является сложность обеспечения требуемого значения потока от источника опорного излучения во всех условиях эксплуатации. При работе данного устройства в широком диапазоне окружающих температур возможна ситуация, когда значения потоков от источников опорного излучения не могут быть установлены в пределах диапазона значений потоков от наблюдаемой сцены. В этом случае возрастает погрешность коррекции выходного сигнала. Эта погрешность обусловлена нелинейностью кривых отклика чувствительных элементов ФПУ. Величина погрешности пропорциональна разности потоков от источника опорного излучения и наблюдаемой сценой.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение погрешности выходного сигнала при эксплуатации устройства формировании изображения в условиях, когда не может быть обеспечена необходимая величина потока опорного излучения.

Это достигается тем, что в устройство формирования изображения, содержащее последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив, сканирующее устройство, проекционный объектив и фотоприемное устройство, выход которого соединен через блок сопряжения с входом блока обработки сигналов, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, второй выход блока обработки сигналов подключен, по крайней мере, к одному регулируемому источнику опорного излучения, оптически сопряженному через сканирующее устройство с фотоприемным устройством, а также схему синхронизации, включенную между сканирующим устройством и синхронизирующим входом блока обработки сигналов, и схему управления режимом работы фотоприемного устройства, вход которой подключен к третьему выходу блока обработки сигналов, а выход к управляющему входу фотоприемного устройства, дополнительно введен блок управления алгоритмом коррекции, который контролирует величину и динамику изменения сигнала управления источником опорного излучения, при этом его вход подключен ко второму выходу блока обработки сигналов, а выход к третьему входу блока обработки сигналов, являющемуся входом вычислительного устройства, а блок обработки сигналов содержит АЦП, вход которого является входом блока обработки сигналов, выходом подключенный к первому входу схемы коррекции, выход которой является первым выходом блока обработки сигналов, вычислительное устройство, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока обработки сигналов, а соответствующие выходы вычислительного устройства подключены ко второму и третьему входам блока обработки сигналов.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства формирования изображения.

На фиг.2 показаны графики погрешности выходного сигнала X'_n, поясняющие результат применения блока управления алгоритмом коррекции.

Устройство формирования изображения содержит последовательно установленные оптически сопряженные входной объектив 1, сканирующее устройство 2, проекционный объектив 3 и ФПУ 4, при этом выход ФПУ 4 соединен через блок сопряжения 5 с входом блока обработки сигналов 6, первый выход которого является выходом устройства формирования изображения, а второй выход подключен, по крайней мере, к одному регулируемому источнику опорного излучения 7, оптически сопряженному через сканирующее устройство 2 с ФПУ 4, а также схему синхронизации 8, включенную между сканирующим устройством 2 и синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, и схему управления 9 режимом работы ФПУ 4, подключенную входом к третьему выходу блока обработки сигналов 6, а выходом к управляющему входу ФПУ 4.

Блок обработки сигналов 6 содержит АЦП 10, вход которого является входом блока обработки сигналов 6, выходом подключенный к первому входу схемы коррекции 11, представляющей собой последовательно включенные умножитель и сумматор, выход которой является первым выходом блока обработки сигналов 6, вычислительное устройство 12, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока обработки сигналов 6, а соответствующие выходы вычислительного устройства 12 подключены ко второму и третьему входам блока обработки сигналов 6, ко второму и третьему входам схемы коррекции 11, являющимся вторыми входами умножителя и сумматора схемы коррекции 11 и порту ввода-вывода оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 13. Вход блока управления алгоритмом коррекции 14 подключен ко второму выходу блока обработки сигналов 6, а выход к третьему входу блока обработки сигналов, являющемуся входом вычислительного устройства 12. Блок управления алгоритмом коррекции 14 может быть реализован в виде программного модуля, выполняющего функции компаратора.

Устройство формирования изображения работает следующим образом. Промежуточное тепловизионное изображение наблюдаемого пространства, формируемое входным объективом 1, проецируется сканирующим устройством 2 и проекционным объективом 3 на линейки чувствительных элементов ФПУ 4. ФПУ 4 преобразует падающие на линейки потоки излучения в последовательную аналоговую выборку. Полученный видеосигнал Un с ФПУ 4 поступает на вход блока сопряжения 5. Блок сопряжения 5 вычитает постоянную составляющую сигнала U_оп из входного видеосигнала Un и усиливает результирующий сигнал. Вычитание постоянной составляющей видеосигнала, вызванной паразитными засветками от окружающих ФПУ 4 структур и постоянной составляющей светового потока излучения от наблюдаемой сцены, позволяет максимально усилить полезную переменную составляющую до уровня входного диапазона АЦП 10. Величина коэффициента усиления аналогового сигнала K_u в блоке сопряжения 5 устанавливается исходя из температурной неравномерности ожидаемой сцены и ширины диапазона разброса характеристик чувствительных элементов ФПУ 4. Значение U_оп находится в середине наиболее линейного участка кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4.

При изменении температурных условий эксплуатации устройства уровень постоянной составляющей видеосигнала смещается, что может привести сначала к увеличению погрешности в выходном сигнале, а затем к потере тепловизионного изображения. В этом случае схема управления 9 режимом работы ФПУ 4, анализируя диапазон значений сигналов последовательной выборки X_n, изменяет длительность накопления сигнала T_н и величину накопительных емкостей C_н ФПУ 4 таким образом, что значение аналогового видеосигнала U_n стремится к середине наиболее линейного участка кривых отклика чувствительных элементов ФПУ 4.

Видеосигнал с блока сопряжения 5 поступает на АЦП 10 блока обработки сигналов 6, где преобразуется в последовательную цифровую выборку X_n и поступает на вход схемы коррекции 11. Схема коррекции 11 осуществляет линейную аппроксимацию входного сигнала X_n по формуле:

X'_n=A_nX_n+B_n,

где X_n - значение выборки сигнала порядка n на выходе АЦП 10 блока обработки сигналов 6;

A_n и B_n - набор коэффициентов коррекции неоднородности чувствительных элементов ФПУ 4;

X'_n - значение выборки сигнала на выходе устройства формирования изображения.

Коэффициенты A_n и B_n считываются в темпе поступления входного сигнала из ОЗУ 13, куда предварительно записываются вычислительным устройством 12. Их значения определяются на основе отклика каждого чувствительного элемента ФПУ 4 на экспонирование различными по величине потоками от опорного источника излучения 7, направляемыми сканирующим устройством 2 на ФПУ 4 за пределами угла сканирования наблюдаемой сцены. Величина потока от источника опорного излучения 7 задается вычислительным устройством 12 в пределах диапазона значений потока излучения от наблюдаемой сцены. При эксплуатации устройства в различных температурных условиях погрешность коррекции сигнала ΔX'_n, появляется либо кратковременно, пока источник опорного излучения 7 не успевает отработать резкие изменения температуры наблюдаемой сцены, либо присутствует постоянно, когда источник опорного излучения 7 не может обеспечить требуемого значения потока излучения. В последнем случае данные для определения коэффициентов коррекции B_n могут быть получены без использования опорного излучения на основе среднего значения отклика каждого чувствительного элемента ФПУ 4 в зоне сканирования наблюдаемой сцены или ее части. Коэффициенты A_n могут быть вычислены в соответствии с исходным алгоритмом коррекции. Недостатком в работе данного алгоритма будет являться наличие остаточной погрешности выходного сигнала, вызванной температурной неравномерностью наблюдаемой сцены. При сканировании равномерной или быстро изменяющейся наблюдаемой сцены погрешность выходного сигнала будет минимальна.

На фиг.2 показаны графики погрешностей выходного сигнала ΔX'_n в зависимости от входных потоков излучения Φ при использовании в алгоритме коррекции данных, полученных при экспонировании ФПУ 4 различными по величине потоками Φ₁ и Φ₂ от опорных источников излучения 7 (кривая А) и полученных при сканировании наблюдаемой сцены (кривая В). Погрешность выходного сигнала ΔX'_n тем больше, чем сильнее отличаются значения потоков излучения от наблюдаемой сцены и от опорных источников излучения 7. В ситуации, когда входной поток излучения равен Φ₃ и устройство не может обеспечить необходимую величину потоков опорного излучения, использование данных, полученных при сканировании наблюдаемой сцены, снижает погрешность коррекции

ΔX'_nΦ3а до ΔX'_nΦ3в.

При изменении температурных условий эксплуатации устройства изменяется формируемый вычислительным устройством 12 сигнал управления источником опорного излучения 7, таким образом, что значения опорных потоков излучения стремятся в диапазон значений потоков излучения от наблюдаемой сцены. Блок управления алгоритмом коррекции 14 контролирует величину и динамику изменения сигнала управления источником опорного излучения 7. Если данный сигнал в течение длительного времени находится вне заданного диапазона значений, это означает, что источник опорного излучения не может достичь требуемой величины потока. Диапазон значений сигнала управления источником опорного излучения 7 задается в соответствии с допустимой величиной погрешности выходного сигнала X'_n. В результате блок управления алгоритмом коррекции 14 подает команду на вычислительное устройство 12, которое переходит в режим определения коэффициентов коррекции B_n на основе данных, полученных при сканировании наблюдаемой сцены. Если сигнал управления источником опорного излучения 7 возвратится в заданный диапазон значений, вычислительное устройство 12 по обратной команде перейдет в первоначальный режим с использованием данных, полученных при экспонировании ФПУ 4 различными по величине потоками опорного излучения.

Схема синхронизации 8 задает последовательность работы устройств и согласует по времени угол разворота зеркала сканирующего устройства 2 с процессом накопления и считывания сигнала в ФПУ 4.

Таким образом снижается погрешность выходного сигнала при эксплуатации устройства формирования изображения в широком диапазоне окружающих температур, когда не может быть обеспечена необходимая величина потока опорного излучения в пределах диапазона значений потока излучения от наблюдаемой сцены.