Способ и устройство преобразования теплового изображения в электрический сигнал

 

Изобретение относится к области оптико-электроники и может быть использовано для построения преобразователей двумерного теплового изображения в электрический сигнал для тепловизоров высокого пространственного разрешения с целью наблюдения и идентификации объектов в инфракрасном диапазоне спектра. Достигаемый технический результат - существенное упрощение технологии создания матричных преобразователей. Кадр теплового изображения формата n•m модулируют с использованием растра специальной конструкции по строкам периодическими несущими сигналами F(ω_it+ϕ_i), а начальные фазы ϕ_ij в одной строке у разных столбцов должны либо совпадать, либо отличаться на π. Кадр принимается m-элементным фотоприемником с n-кратным частотным уплотнением сигнала. Полученные уплотненные электрические сигналы вне пределов изображения частотно селектируются по m столбцам путем умножения на сигналы G(ω_it+ϕ_i), ортогональные на интервале [0, Т] несущим сигналам, и интегрирования на этом интервале. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к области оптико-электроники и могут быть использованы для построения преобразователей двумерного теплового изображения в электрический сигнал для тепловизоров высокого пространственного разрешения с целью наблюдения и идентификации объектов в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

Известен способ преобразования инфракрасного изображения [1, с.18], заключающийся в противопоставлении каждому элементу теплового изображения с интенсивностью А_ij своего элементарного фотоприемного устройства общим числом mxn, линейном преобразовании непрерывного оптического сигнала в двумерный дискретный массив фотооткликов U_ij=αA_ij с разрешаемым числом элементов изображения, равным числу элементов дискретизации m•n.

Для реализации данного способа двумерной дискретизации и преобразования изображения с помощью матричных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона, в особенности на основе наиболее перспективных узкозонных полупроводников, необходимо использование уникальных и дорогостоящих микроэлектронных и гибридных технологий [2]. Основные проблемы реализации такого способа связаны с необходимостью построения фотоприемных матриц форматом m•n=10⁴-10⁶ с обеспечением 100% выхода годных элементов, равномерной чувствительности, сложной гибридной системы связей. Сложность системы связей определяется их количеством и фактическим отсутствием свободного пространства при двумерном преобразовании, что требует использования третьего измерения. Поэтому подложку с двумерной решеткой узкозонных фотоэлектрических полупроводниковых микропреобразователей излучения (элементов фотоприемника) подсоединяют к противолежащему кремниевому кристаллу с двумерной системой входных устройств интегральной схемы считывания методом перевернутого монтажа с помощью индиевых микростолбиков. Эти проблемы становятся особенно острыми при современных высоких требованиях к разрешающей способности и степени интеграции, когда все 10⁶ фотоприемных устройств (самих элементов фотоприемника, системы индивидуальных связей, входных устройств схемы считывания) необходимо разместить на площади порядка одного квадратного сантиметра в пределах размера изображения.

Известен также [1, с.17], способ преобразования двумерного изображения путем противопоставления каждому элементу своего элементарного фотоприемного устройства только вдоль одной из координат, и сканирования изображения вдоль второй координаты.

Для преобразования изображения, кроме одномерного многоэлементного фотоприемного устройства, выполняемого по более простой и доступной технологии, требуется оптико-механический сканер, ухудшающий надежность оптико-электронной системы в целом и качество преобразования изображения. Последний недостаток связан также с тем, что при заданном времени наблюдения последовательный способ опроса строк путем сканирования изображения сокращает время приема каждой строки и ухудшает соотношение сигнал/шум.

Наиболее близким к заявляемому является способ преобразования теплового изображения в видеосигнал [3, с.140-142] заключающийся в том, что кадр теплового изображения с интенсивностями элементов модулируют периодическим несущими сигналами F(ω_it+ϕ_ij), где ω_i - частота модуляции; ϕ_ij - начальная фаза по i-й строке, j-му столбцу; принимают излучение по столбцам и преобразуют в суммарные электрические сигналы, которые с помощью частотного детектора селектируют по частотам ω_i. Смысл данного способа состоит в том, что строки теплового изображения с интенсивностями элементов А_ij модулируются несущими сигналами F(ω_it) с частотами ω_i при произвольных фазах и получают двумерное поле яркостных сигналов А_ij A_ijF(ω_it). Прием, преобразование в суммарный электрический сигнал по каждому столбцу выполняет один протяженный фотоприемник, на единственном выходе которого получается электрический сигнал, несущий информацию о яркостных сигналах всего столбца. Такой электрический сигнал с точностью до известного коэффициента α равен сумме модулированных интенсивностей элементов теплового изображения: т. е. по каждому выходу считывается частотно уплотненный сигнал. Появляется принципиальная возможность уменьшения в n раз числа фотоприемников, входных устройств схемы считывания и связей между ними. Это возможно лишь в том случае, когда частотная селекция позволяет вновь разделить суммарный сигнал S_j на составляющие U_ijF(ω_it), пропорциональные A_ijF(ω_it). В [3] рассмотрены различные способы модуляции интенсивности излучения с использованием вращающихся растров различной конструкции, а также известные способы частотной селекции, например частотное детектирование или фильтрация с помощью полосовых фильтров. В примерах реализации данного способа, приведенных в [3, с.116], предполагается наличие лишь одного протяженного фотоприемника с последующим сканированием [3, с.598] столбцов изображения. Очевидно, что для увеличения скорости приема вместо сканирования можно использовать несколько фотоприемников, расположенных рядом. Такой вариант не вносит принципиальных изменений в способ - прототип, поэтому в качестве прототипа принят способ, предполагающий одновременное считывание нескольких пространственно разрешаемых столбцов кадра путем их приема и преобразования несколькими фотоприемниками и нескольких пространственно разрешаемых строк за счет использования двумерной системы частотных селекторов.

Такую систему отличает простота схемы считывания, связанная с тем, что все элементы столбцов входного сигнала последовательно проходят одни и те же каналы фотоприемного устройства. Кроме того, такую схему считывания можно вынести за пределы охлаждаемой зоны и снять ограничения по степени интеграции.

Недостатком способа [3] является низкое пространственное разрешение изображения. Этот недостаток связан с тем, что при высоких и сверхвысоких требованиях по разрешению n•m= 10⁴-10⁶ требуется большое число (10²-10³) различных частот ω_i, и еще большее число (10⁴-10⁶) частотных селекторов. В различных вариантах построения растров, осуществляющих модуляцию и приведенных в [3] , не предъявляется каких-либо требований к качеству частотной селекции, модулирующим функциям, частотам модуляции ω_i и фазам ϕ_ij, кроме того, что эти частоты должны быть различными. Таким образом, вся тяжесть выделения сигналов нужных частот возлагается на известное селектирующее устройство, например полосовой фильтр. Частотная характеристика однозвенного полосового пассивного фильтра имеет колоколообразный характер с реальной добротностью и конечным внеполосным пропусканием, т.е. такой фильтр пропускает не только сигнал с частотой ω_i, а также близлежащие и даже удаленные по частотам, но более интенсивные сигналы. Качество фильтра определяется аппаратными затратами (многозвенностью, использованием активных элементов) и стоимостью. Реализация большого числа (10⁴-10⁶) высококачественных фильтров на ограниченном пространстве является серьезной технической проблемой. Более того, даже при использовании высококачественных фильтров незначительная перекрестная связь, вносимая по каждой из фильтруемых частот, приводит при большом числе частот к существенным суммарным погрешностям, особенно при большом динамическом диапазоне интенсивностей элементов изображения.

Известны устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал сканирующего типа [1, с.17], [3, c.598], [5], содержащие оптико-механический сканер и линейное многоканальное фотоприемное устройство, соединенные последовательно. На вход такого устройства поступает двумерное изображение размером H•L с разрешаемым числом элементов изображения размерностью n•m, которое подается на устройство построчно. Основой таких устройств является оптико-механический сканер в виде преломляющих призм, зеркального барабана или вращающихся оптических клиньев [8, с.201]. Такие системы отличает простота схемы считывания, связанная с тем, что все элементы строк входного сигнала последовательно проходят одни и те же каналы фотоприемного устройства в виде n фотоэлектрических элементов приемника, n предусилителей, мультиплексора и видеоусилителя [8, с.207], а сама схема располагается вне пределов изображения.

Недостатком сканирующих систем являются плохое качество преобразования, связанное в том числе с тем, что при заданном времени приема кадра время опроса одного элемента уменьшается в m раз, а отношение сигнал/шум - в раз. Для этих систем характерны сложность, а также низкие надежность и точность оптико-механических сканеров, искажения траектории развертки и наличие нерабочих интервалов времени в ходе развертки, сложность повышения быстродействия из-за инерционности приемника и ограниченной скорости перемещения элементов оптической системы.

Известны устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал матричного типа [1, с.19], [6], содержащие матрицу n•m элементарных фотоприемных устройств, выходы которых, объединенные мультиплексором, образуют выход преобразователя. Отсутствие у таких систем по сравнению с [1], [3] , [5], [8] оптико-механического узла сканирования обеспечивает снижение массы и габаритов устройства, повышает его надежность и качество преобразования.

Недостаток таких устройств обуславливается техническими и технологическими проблемами, возникающими при реализации матриц элементарных фотоприемных устройств большой размерности, см., например, [2], [7]. Приведенная стоимость гибридных матриц доходит до 9$ за разрешаемый элемент изображения, что при требуемом для перспективных систем числе элементов в 4•10⁶ делает такую технологию недоступной для большинства производителей.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство преобразования теплового изображения в электрический сигнал с растровой модуляцией [5, с.116], см. чертеж, содержащее растр, фотоприемник и частотный селектор в виде частотного детектора, входной двумерный кадр размерностью H•L через растр подается на фотоприемник размером H•L, состоящий из m (одного или нескольких) элементов длиной L, расположенных с шагом h=H/m, выходы которых являются входами многоканального частотного селектора. В двумерном исполнении n•m выходов частотного селектора являются выходами устройства. Сущность такого устройства состоит в том, что в каждом столбце кадра строки растра состоящие из прозрачных и непрозрачных элементов, прерывают падающий на соответствующий столбцу элемент приемника поток излучения с различными для каждой строки частотами с изменением во времени F(ω_it). В результате этого различия в пространственном положении элементов теплового изображения с интенсивностями _ij вдоль j-го элемента приемника приводят к появлению переменных интенсивностей A_iF(ω_it), отличающихся по несущим частотам. Сигналы со столбца поступают на фотоприемник, который преобразует излучение в электрический сигнал и суммирует их, формируя сигнал где U_ij пропорциональны А_ij.

Недостатками устройства [5] являются сложность разделения составляющих суммарного сигнала, особенно при большом числе точек разрешения. Эта проблема возникает при разделении U_ij одного столбца и пропорционально возрастает при увеличении числа столбцов m. Именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что в большинстве преобразователей подобного типа используется лишь один фотоприемник, осуществляющий прием одного столбца изображения с небольшим числом пространственно разделяемых элементов. Остальные столбцы опрашиваются путем последовательного сканирования источника для получения малоформатной двухмерной картины, см. [3, с.598]. Принципиально, хотя и с большими аппаратными затратами, возможна установка фотоприемников из нескольких элементов с шагом h, принимающих несколько столбцов одновременно. Такой вариант исполнения принят за прототип.

Основной проблемой, возникающей при построении фотоприемных устройств ИК-диапазона с разрешением m•n=10⁴-10⁶, является способ преобразования интенсивностей элементов теплового изображения А_ij в электрический сигнал и получения амплитудного значения интенсивности каждого элемента преобразования U_ij. Попытка решить эту проблему за счет увеличения числа приемников до m•n= 10⁴-10⁶ сталкивается с технологическими ограничениями. Стремление осуществить последовательный прием строк или столбцов путем сканирования не устраивает по качеству и скорости приема. Прием и преобразование сигнала небольшим m числом приемников с частотным разделением каналов сталкивается с проблемой выделения из суммарного сигнала амплитудного значения каждого элемента преобразования U_ij.

В [3, с.115-160] рассмотрены разнообразные виды модуляции, применяющиеся в оптико-электронных системах, в том числе описаны растры в виде дисков и лент с отверстиями. Показано влияние погрешностей изготовления на точность приема. Предложены пути построения оптимальных приемников и фильтров, выделяющих сигналы с известным частотным спектром на фоне помех. Вместе с тем при необходимости приема изображений методом частотного разделения каналов с большой разрешающей способностью в выходном сигнале приемника возникают сотни и тысячи близко расположенных частотных составляющих, что затрудняет применение традиционных методов фильтрации, требует использования сложных алгоритмов и соответственно технических средств. Небольшие погрешности в частотном разделении сотен и тысяч составляющих могут привести к существенным ошибкам в результатах обработки. Классические методы фильтрации оказываются малопригодными для точного разделения всех компонент суммарного сигнала. В этих условиях представляется целесообразным обеспечивать решение проблем фильтрации совместно с выбором режима модуляции, в частности использовать такие несущие частоты, фазы, синхронизирующие сигналы и интервалы приема, которые дают эффективные решения при технической реализации.

В основу заявляемых способа и устройства положена следующая идея.

Периодические функции называются ортогональными [4, с.420] на некотором интервале [0, Т], если выполняется условие: Это условие дает принципиальную возможность из любой суммы
где U_i - постоянные коэффициенты, выделить интересующий коэффициент, выполнив операцию:

Таким образом, если при модуляции амплитуд А_i в качестве несущих использовать сигналы F(ω_it), ортогональные на некотором интервале [0, Т], то, используя ту же функцию F(ω_it) при фильтрации, по выражению (2) действительно можно избирательно выделить интересующие амплитуды U_i = αA_i. При этом фильтр оказывается идеальным, т.к. согласно (1) полностью устраняет перекрестные вклады сигналов на всех других частотах из ортогонального набора.

Преимущественно в качестве функции используются гармонические функции, например,
F(ω_it) = cos(ω_it). (3)
При этом частоты ω_i выбирают в виде первой и высших гармоник [4] базовой частоты Δω(ω_i = iΔω, i = 1,2,...), интервал ортогональности Т-кратным полупериоду базовой частоты T = π/Δω, а функции F(ω_it) - в виде:

Поскольку модулятор обычно выполняют в виде растра - перемещающихся между кадром изображения и приемником непрозрачного диска, ленты или барабана, имеющих прозрачные окна, то при его технической реализации оказывается сложным реализовать частоты модуляции ω_i = iΔω, i = 1,2,..., отличающиеся друг от друга в сотни и тысячи раз, т.к. в соответствующее число раз должны отличаться размеры прозрачных и непрозрачных частей растра. В заявляемом способе предлагается использовать частоты модуляции, удовлетворяющие условиям: ω_i = πk_i/T, ω_i = k_iΔω; k_i - целое; k_i>>1; Т - время приема кадра. При этом частоты модуляции мало отличаются друг от друга ω_i+1/ω_i = k_i+1/k_i≈1, однако сохраняются все условия ортогональности и, следовательно, возможности для идеальной фильтрации.

G(ω_it) = sign[cos(ω_it)]. (4)
Несложно убедиться, что разложение в ряд Фурье последней функции содержит функции B_licos(lω_i), где l=1,2...; В_li - коэффициенты ряда Фурье. Следовательно, функции (3) и (4) оказываются также ортогональными между собой при выполнении условия равенства нулю или π начальных фаз. Различие в начальных фазах на π не влияет на выполнение условий ортогональности. Поэтому в выражении (2) вместо F(ω_it) (3) можно использовать, функции G(ω_it) (4), что значительно проще при технической реализации операции умножения в двумерном фильтре, т.к. G(ω_it) = {1, -1}.
В реальной ситуации по каждому j-му столбцу производится прием интенсивностей элементов теплового изображения А_ij, промодулированных несущей A_ijF(ω_it+ϕ_ij), преобразование в электрический сигнал U_ijF(ω_it+ϕ_ij) = αA_ijF(ω_it+ϕ_ij), где α - коэффициент преобразования, и суммирование

При этом у опорных сигналов G(ω_it+ϕ_ij) для выполнения условий ортогональности в каждом столбце все начальные фазы ϕ_ij должны быть такими же как у F(ω_it+ϕ_ij) или отличаться на π. Это требование приводит к тому, что для выделения всех U_ij необходимо иметь n•m опорных сигналов G(ω_it+ϕ_ij) с разными фазами ϕ_ij, что достаточно сложно осуществить. Для решения этой проблемы предлагается производить модуляцию таким образом, чтобы начальные фазы у функции модуляции F(ω_it+ϕ_ij) совпадали для всех столбцов с точностью до π т. е. ϕ_ij = ϕ_i. При этом с помощью всего n опорных функций G(ω_it+ϕ_i) после умножения и интегрирования удается выделить m•n интересующих амплитуд из всех столбцов.

Существенными отличиями заявляемого способа от известных авторам аналогов являются:
1. Использование для частотной селекции опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), ортогональных на интервале Т несущим сигналам F(ω_it+ϕ_i), позволяет простыми средствами (умножение-интегрирование) раздельно получить электрическиие сигналы

пропорциональные интенсивностям элементов теплового изображения А_ij и при этом полностью подавить перекрестные помехи от всех остальных элементов даже при больших значениях n•m и значительном динамическом диапазоне интенсивностей.

В известных авторам аналогах не предлагается конструктивных путей выбора вида и параметров модулирующих сигналов и методов частотной селекции, пригодных для задач большой размерности. Задача разделения частотно уплотненных сигналов рассматривается в них применительно к возможностям известной одноканальной фильтрации, но не как обоснование оптимального соответствия между процессами многочастотной модуляции и фильтрации.

2. Выбор частот модуляции ω_i, удовлетворяющих условиям: ω_i = πk_i/T, где k_i - целое, k_i>>1; Т - время приема кадра; позволяет в узком частотном диапазоне разместить большое число частот ω_i, делает технически реализуемым модулятор (растр), а также обеспечивает выполнение условий ортогональности.

В известных авторам аналогах единственным требованием к частотам модуляции является их различие. Для приведенных в [3] примерах растров с дискретным числом частот в виде диска с V-образными полосами или отверстиями на концентрических окружностях не приводится соображений по их конструкции, позволяющих строить растры с большим числом несущих, пригодных для разделения большого числа составляющих в частотно уплотненном сигнале.

3. Выбор начальных фаз модуляции, синхронизированных с точностью до π по столбцам позволяет использовать один опорный сигнал G(ω_it+ϕ_i) для выделения i-й амплитуды U_ij из всех столбцов в противном случае потребовалось бы в m раз больше опорных сигналов, что существенно усложнило бы реализацию устройств. В известных авторам аналогах не рассматривается также вопрос о приеме полноформатного кадра с разрешением n•m, равным 10⁴-10⁶, поэтому вопрос о согласованности фаз при прерывании потока излучения для m фотоприемников также не рассматривается.

4. Использование для частотной селекции опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), отличных по форме от несущих сигналов F(ω_it+ϕ_i), позволяет упростить аппаратную реализацию частотной селекции, в частности схемы умножения.

В известных авторам аналогах вопрос о сложности устройств частотной селекции рассматривается лишь с одноканальных позиций фильтрации, т.к. в них не решается задача двумерного выделения элементов точек всего кадра большого формата.

5. Необходимость использования всего m-элементных фотоприемников, цепей связи и входных устройств схемы считывания в отличие от матричных фотоприемных устройств, требующих nxm элементных фотоприемников, цепей связи и входных устройств в условиях ограничения пространства для их размещения размерами изображения, существенно упрощает и удешевляет реализацию устройств на основе заявляемого способа.

6. Одновременный прием всех строк и столбцов кадра обеспечивает высокие скорость и качество приема по сравнению с фотоприемными устройствами сканирующего типа, повышает надежность преобразователя из-за отсутствия оптико-механических блоков сканирования.

Существенными отличиями заявляемого устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал, реализующего заявляемый способ, являются следующие.

1. Использование для частотной селекции опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), ортогональных на интервале Т несущим сигналам F(ω_it+ϕ_i), позволяет простыми средствами (умножение-интегрирование) раздельно получить электрическиие сигналы пропорциональные интенсивностям излучения элементов изображения А_ij и при этом полностью подавить перекрестные помехи от всех остальных элементов даже при больших значениях n•m и динамическом диапазоне интенсивностей.

В известных авторам аналогах не предлагается конструктивных путей выбора вида и параметров модулирующих сигналов и методов частотной селекции, пригодных для задач большой размерности. Задача разделения частотно уплотненных сигналов рассматривается в них только с точки зрения построения фильтра, но не как поиск рационального соответствия между модуляцией и фильтрацией.

2. Выбор частот модуляции ω_i, удовлетворяющих условиям: ω_i = πk_i/T, где k_i - целое, k_i>>1; Т - время приема кадра, позволяет в узком частотном диапазоне разместить большое число частот ω_i, делает технически реализуемым модулятор (растр), а также обеспечивает выполнение условий ортогональности.

В известных авторам аналогах единственным требованием к частотам модуляции является их различие. Для приведенных в [3] примерах растров с дискретным числом частот в виде диска с V-образными полосами или отверстиями на концентрических окружностях не приводится соображений по их конструкции, позволяющих строить растры с большим числом несущих, пригодных для разделения большого числа составляющих в частотно уплотненном сигнале.

3. Выбор начальных фаз модуляции, синхронизированных с точностью до π по столбцам ϕ_ij = ϕ_i, позволяет использовать один опорный сигнал G(ω_it+ϕ_i) для выделения i-й амплитуды А_ij из всех m столбцов в противном случае потребовалось бы m раз больше опорных сигналов, что существенно усложнило бы реализацию устройств.

В известных авторам аналогах не рассматривается вопрос о приеме полноформатного кадра с разрешением n•m, равным 10⁴-10⁶, поэтому вопрос о согласованности фаз при прерывании потока излучения для m фотоприемников также не рассматривается.

4. Использование для частотной селекции опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), отличных от несущих сигналов F(ω_it+ϕ_i), позволяет упростить аппаратную реализацию частотной селекции, в частности умножения.

В известных авторам аналогах вопрос о сложности устройств частотной селекции рассматривается лишь с одноканальных позиций фильтрации, т.к. в них не решается задача двумерного выделения элементов всего кадра большого формата.

5. Необходимость использования всего m элементных фотоприемников, в отличие от матричных фото приемных устройств, требующих n•m элементный фотоприемник, существенно упрощает и удешевляет реализацию устройств на основе заявляемого способа.

6. Одновременный прием всех строк и столбцов кадра обеспечивает высокие скорость и качество приема по сравнению с фотопреобразователями сканирующего типа, повышает надежность преобразователя из-за отсутствия оптико-механических блоков сканирования.

7. Наличие синхронизатора, расположенного на растре и обеспечивающего тем самым, во-первых, простоту формирования опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), согласованных по фазе с несущими сигналами F(ω_it+ϕ_i), а, во-вторых, точное задание интервала интегрирования. При этом удается учесть и скомпенсировать погрешности изготовления растра, нестабильность его вращения и т.п.

В известных авторам аналогах вопрос многоканальной синхронизации модуляции и фильтрации не рассматривается.

8. Вариант конструкции растра, обеспечивающего выполнение требований ортогональности, предъявляемых заявляемым способом.

В известных авторам аналогах к конструкциям растров такие требования не предъявляются.

9.Расположение растра в периферийной части вращающегося диска с радиусом R>>H/π, R>>L делает расположение окон на растре практически линейным в пределах размера приемника L, что при шаге элементов приемника h и элементов растра - 2h позволяет синхронизовать модуляцию излучения по всем приемникам по фазам и выделять интересующий сигнал по всем столбцам с помощью одних опорных функций.

В известных авторам аналогах размеры растра сравнимы с размерами диска и приемника, что для многоэлементного приемника приводит, например, к неравномерной по времени освещенности центральных и периферийных элементов и фазовым искажениям при модуляции, связанным с расположением приемников в декартовой системе координат, а растра - в полярной системе координат.

Перечень графических материалов.

На фиг.1 представлен прототип устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал.

На фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал.

На фиг.3 поясняется конструкция растра заявляемого устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал, а также расположение фотоприемника и синхронизатора.

Реализация заявляемого способа преобразования теплового изображения в электрический сигнал состоит в следующем.

Кадр теплового изображения поступает от оптической системы с интенсивностями излучения элементов
Модуляция этого кадра происходит по строкам периодическим несущими сигналами F(ω_it+ϕ_ij), где ω_i - частота модуляции, ϕ_ij - начальная фаза по i-й строке, j-му столбцу. Таким образом, строка кадра модулируется одинаковыми сигналами F(ω_it+ϕ_ij), но начальные фазы ϕ_ij в одной строке у разных столбцов должны либо совпадать, либо отличаться на π, т.е. ϕ_ij = ϕ_i+kπ, k = {0,1}. При этом несущие сигналы F(ω_it+ϕ_i) должны быть ортогональны на интервале приема кадра Т, т.е. удовлетворять условию (1). Такая модуляция может быть осуществлена растром специальной конструкции, например, как это описано ниже.

Столбцы кадра принимаются m - элементным фотоприемником, который в каждом столбце преобразует модулированные элементы теплового изображения A_ijF(ω_it+ϕ_i) в пропорциональные электрические сигналы U_ijF(ω_it+ϕ_i) и суммирует их по столбцам. Эта операция может быть выполнена фотоприемником, состоящим из m элементов длиной, равной высоте столбца изображения. На выходе фотоприемника формируется m сигналов:

Каждый их этих сигналов умножается на n опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), ортогональных F(ω_it+ϕ_i), и интегрируется на интервале приема кадра. Причем для всех столбцов опорные сигналы G(ω_it+ϕ_i) одни и те же. Вид опорного сигнала G(ω_it+ϕ_i) выбирается, исходя из удобства технической реализации умножения. В качестве опорного сигнала G(ω_it+ϕ_i) можно использовать те же сигналы F(ω_it+ϕ_i) или, что более предпочтительно, меандры с частотами следования ω_i.
На выходах n•m интеграторов в соответствии с (2) будут получены сигналы U_ij с точностью до постоянных коэффициентов, которые можно учесть при умножении, интегрировании или последующей обработке.

Структурная схема устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал приведена на фиг.2, где:
1. Входной кадр теплового изображения, состоящий из элементов с интенсивностями
2. Растр.

3. Фотоприемник.

4. Частотный селектор с номером
5. Синхронизатор.

6. Элемент фотоприемника 3 с номером
7. Умножитель с номером
8. Интегратор с номером
9. Оптический источник.

10. Фотоприемники синхронизатора
11. Выход устройства
Назначение блоков.

Входной кадр 1 представляет собой двумерный кадр теплового изображения, размером H•L, сформированный оптической системой и условно разделенный на элементы с интенсивностью
Растр 2 предназначен для модуляции элементов изображения А_ij периодическими несущими сигналами F(ω_it+ϕ_i) в соответствии с требованиями, предъявляемыми заявляемым способом. Кроме того, в заявляемом устройстве растр используется синхронизатором 5.

Фотоприемник 3 размером H•L состоит из m элементов 6 длиной L, расположенных на расстоянии h друг от друга и осуществляющих прием столбцов кадра.

Частотный селектор 4 с номером предназначен для выделения электрической составляющей U_ij из суммарных по столбцам сигналов, поступившим от элементов 6 фотоприемника 3.

Синхронизатор 5 предназначен для формирования опорных функций G(ω_it+ϕ_i), ортогональных F(ω_it+ϕ_i) и задания интервала интегрирования Т.

Каждый элемент 6 фотоприемника 3 осуществляет прием одного, j-го, столбца модулированных по интенсивности элементов теплового изображения A_ijF(ω_it+ϕ_i), составляющих кадр, их преобразование в суммарный электрический сигнал

Умножитель 7 с номером в предназначен для перемножения сигнала S_j на опорный сигнал G(ω_it+ϕ_i).
Интегратор 8 с номером предназначен для интегрирования выходного сигнала умножителя i, j на интервале [0,7].

Оптический источник 9 предназначен для задания синхронизирующего сигнала, считываемого через окна растра фотоприемниками 10.

Фотоприемники 10 предназначены для синхронизации модуляции и частотной селекции. Для этого n из них принимают сигналы от оптического источника через модуляционные окна и формируют опорные сигналы G(ω_it+ϕ_i), а (n+1)-й фотоприемник принимает сигнал через маркеры секторов и задает интервал интегрирования Т.

Выходом устройства 11 является совокупность разделенных электрических сигналов

Возможность реализации заявляемого способа, рассмотрим на примере заявляемого устройства преобразования теплового изображения в электрический сигнал.

Пусть на вход преобразователя поступает кадр теплового изображения размером H•L (1 мм•2 мм). Требуется преобразовать этот кадр с интенсивностями элементов теплового изображения А_ij в электрические сигналы U_ij с разрешением n•m (100•100). Следовательно, шаг дискретизации по строкам равен L/n 20 мкм, а по столбцам - Н/m (10 мкм). Для модуляции входного кадра воспользуемся растром - вращающимся непрозрачным диском радиуса R с окнами на концентрических окружностях, расположенных в периферийной части диска, причем R>>L, R>>H.

Растр фиг. 3 может быть выполнен фотолитографическим способом следующим образом. В периферийной части вращающегося со скоростью Ω непрозрачного диска имеется кольцо шириной L, равной высоте кадра. Это кольцо разбито на повторяющиеся секторы приема. В секторе приема имеются прозрачные окна, располагающиеся на n концентрических равноотстоящих окружностях (строках) с шагом l=L/n. Пусть в размер кадра по строке укладывается m окон с шагом 2h= H/m. Радиус диска R>>L, R>>Н/2π, т.е. размеры кадра много меньше размеров диска. Поэтому в пределах кадра можно считать, что окна, расположены на прямых линиях, параллельных строкам и ортогональных столбцам кадра.

Например, при n=100, m=100, L=2 мм, Н=2 мм, R=100 мм, h=10 мкм, l=20 мкм относительная ошибка в набеге фазы у периферийных элементов фотоприемника по отношению к центральному равна {(500²+19²)^1/2-500}/500=0,0007=0,07%, что соответствует ошибке в определении амплитуды U_ij, которую можно считать допустимой.

Форма окон (круг, прямоугольник и т.п.) не имеет принципиального значения, т. к. высшие гармоники частот модуляции, возникающие при модуляции из-за неидеальности формы окон, имеют частоты, строго кратные основной частоте и устраняются при ортогональной фильтрации. Размер окна вдоль концентрической окружности в секторе равен h и должен совпадать с величиной непрозрачного промежутка на всех концентрических окружностях. Сектор, в котором выполняются условия ортогональности, должен удовлетворять условию: длины дуг всех концентрических окружностей в нем кратны h. Пусть угол сектора равен α рад, радиус i-й окружности равен R_i. Тогда длина дуги i-й окружности в секторе равна D=αR_i, и на ней поместится k_i=αR_i/h отрезков длиной h, Если k_i четно, то в этом секторе поместится k_i/2 пар окон и непрозрачных промежутков между ними. Если k нечетно, то в этой дуге сектора не хватает до пары одного окна или непрозрачного промежутка. Расстояние между радиусом i-й и (i+1)-й дугами концентрических окружностей в секторе равна ΔR, разница в длинах этих дуг должна быть кратна h, т.е. ΔRα = ph, где р - целое.

В простейшем случае р=1, т.е. длина каждой последующей дуги в секторе на h больше. Пусть у внутренней дуги i=1, α=0,5 рад, R=100 мм, тогда D=50 мм. При h=10 мкм k_i=5000, т.е. в дуге длиной разместится 2500 окон и 2500 промежутков между ними. В следующей 2-й дуге будет на одно окно или промежуток больше k₂=5001, в 3-й дуге окажется k₃=5002 и т.д.

При угловой скорости растра Ω сектор с углом α пересекает элемент фотоприемника за время T = α/Ω = const для всех дуг. Период модуляции - время прохождения интервала 2h (одного окна и промежутка) на i-й дуге концентрической окружности T_i=2T/k_i, частота несущей ω_i = 2π/T_i = k_iπ/T. А разность между частотами ω_i и ω_i+1 составит Δω = (k_i+1-k_i)π/T.
Если Ω= 25 рад/с, то T=20 мс, T₁=8 мкс, ω₁=7,85398163•10⁵ рад/с, Δω= 1,570796•10² рад/с.

Для рассматриваемого примера (k_i-1-k_i)=1, тогда при выбранном способе построения растра справедливы соотношения:
ω_i = k_iΔω; (5)

Следовательно, если форма окон и промежутков между ними на растре реализуют функцию cos, описанный растр имеет следующие функции модуляции

Очевидно, что эти функции являются элементами ряда Фурье, только с непривычно большими номерами гармоник. Для такого ряда Фурье, как для всего ряда, так и для любой его части, на интервале полупериода T = π/Δω выполняются условия ортогональности. Условия ортогональности выполняются и на интервалах, кратных Т (2T, 3T, и т.д.). При реализации заявляемого способа могут применяться и другие конструкции растра. Например, при небольшом числе строк в качестве несущей может использоваться функция

Тогда окна в растре приобретут форму прозрачных полос, вытянутых вдоль концентрических окружностей. Полосы имеют разные длины, кратные минимальному шагу растра. На растре имеются маркеры секторов приема, которые могут иметь, например, вид прорези по периметру диска, обозначающей начало и конец сектора приема. На фиг.3 длина этого сектора равна 2Т, т.е. интервалу, где выполняются условия ортогональности.

Напротив входного кадра теплового изображения за растром разместим фотоприемник 3, состоящий из m элементов 6, каждый из них имеет длину L, расположен с шагом h и выполнен, например, из материала Cd_xHg_1-xTe. Будем считать, что фотоприемник расположен достаточно близко к растру, так что дополнительной оптической системы, переносящей изображение растра не требуется. При установке элементов 6 фотоприемника 3 один возле другого с интервалом h необходимо, чтобы общая площадь фотоприемника составила H•L. Расстояния между элементами фотоприемника h соответствует половине расстояния между окнами растра 2h. Поэтому когда первый элемент фотоприемника находится напротив окон растра, второй напротив непрозрачных промежутков, третий - напротив окон и т.д. Такое расположение элементов фотоприемника обеспечивает совпадение начальных фаз модуляции ϕ_i по строкам, т.е. если первая строка кадра модулируется сигналом F(ω₁t+ϕ₁), то первый элемент фотоприемника примет сигнал A₁₁F(ω₁t+ϕ₁), второй - A₁₂F(ω₁t+ϕ₁+π) и т.д. Следовательно, четные и нечетные столбцы кадра будут модулироваться в противофазе, что не сказывается на выполнении условий ортогональности с опорной функцией G(ω₁t+ϕ₁). Фотоприемник установлен в периферийной части растра, причем, как уже отмечалось, радиус диска R много больше размеров кадра L и Н, поэтому в пределах кадра кривизной концентрических окружностей, а также отклонением от ортогональности при пересечении отверстиями элементов фотоприемника можно пренебречь.

Для формирования опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i) используются сигналы от синхронизатора, связанного с тем же растром. Интервал интегрирования также целесообразно задавать от растра, как это реализовано в заявляемом устройстве, т. к. это позволит исключить влияние нестабильности частоты вращения растра на точность частотной селекции. В заявляемом устройстве функции формирования опорных сигналов и периода интегрирования выполняет синхронизатор 5. Он может быть выполнен в виде оптического источника 9 и (n+1) элемента фотоприемника 10. Источник 9 вырабатывает узкий световой луч, радиальный растру, захватывающий окна растра и маркеры секторов и направленный по оси симметрии фотоприемника 3. Источник 9 располагается сбоку от источника входного сигнала 1 под углом к растру так, чтобы не влиять на источник сигнала 1. За растром по оси симметрии А-А, см. фиг.3, фотоприемника 3, между его элементами 6 установлена линейка элементов фотоприемника 10, считывающих сигналы от источника 9, прошедшие через растр. Элементы фотоприемника 10, установленные напротив окон растра, вырабатывают опорные сигналы G(ω_it+ϕ_i), а выход (n+1)-го элемента фотоприемника 9 является времязадающим выходом синхронизатора. Для простоты реализации устройства будем считать, что выходные сигналы G(ω_it+ϕ_i) элементов
фотоприемников 10 сформированы к виду (4), т.е. G(ω_it+ϕ_i) равна единице, когда соответствующий элемент освещен и минус единице в противном случае. Выходы фотоприемников должны быть согласованы по уровням сигнала с умножителями 7. Выход (n+1)-го элемента фотоприемника 10 вырабатывает сигнал высокого уровня в начале сектора приема и нулевой при его окончании. В противном случае в составе синхронизатора 5 необходимы соответствующие усилители и формирователи.

Умножители 7 выходных сигналов фотоприемника

на опорные функции G(ω_it) могут быть выполнены аналоговыми или цифровыми. Рациональный выбор опорных сигналов, например, вида (4) позволяет реализовать умножение за счет аналогового коммутатора прямых или инвертированных значений

в зависимости от текущего знака G(ω_it+ϕ_i). При цифровой реализации умножения эта операция сводится к инвертированию знака

Интегрирование 8 в зависимости от аналогового или цифрового вариантов реализации способа может быть осуществлено на основе операционных усилителей с конденсатором в цепи обратной связи, накапливающих сумматоров и их аналогов. Задание интервала интегрирования в аналоговом варианте выполнения осуществляется ключом, замыкающим цепь интегрирования по сигналу от синхронизатора 5 и разрывающим по окончании сектора приема.

Устройство преобразования теплового изображения в электрический сигнал работает следующим образом.

В исходном положении от оптической системы поступает кадр 1 в ИК диапазоне спектра размером H•L. Разобьем кадр на n строк с шагом L/n и m столбцов с шагом h= H/m. Интенсивность излучения каждого элемента матрицы точечных источников - А_ij будем считать неизменной в ходе приема. Растр вращается с угловой скоростью Ω и его параметры соответствуют соотношениям, приведенным выше. Момент начала приема совпадает с началом пересечения границей сектора границы кадра. В этот момент интеграторы обнулены, а с (n+1)-го элемента фотоприемника 10 поступает сигнал, запускающий интегрирование. Кадр поступает на растр 2, причем i-я строка кадра попадает на окна, расположенные на i-й концентрической окружности. В результате вращения растра сигнал А_ij последовательно пересекается прозрачными окнами шириной h и непрозрачными промежутками между ними шириной h. В результате растр модулирует i-ую строку кадра несущей, например, F(ω_it) = cos(ω_it), причем, благодаря конструкции растра, функции F(ω_it) удовлетворяют условию (1). Таким образом, на выходе растра будут получена совокупность сигналов A_ijcos(ω_it). Заметим, что, поскольку расстояние между столбцами кадра h, a период окон 2h, соседние столбцы i-й строки модулируются сигналами cos(ω_it) и cos(ω_it+π) соответственно, т.е. четные и нечетные столбцы противофазны, что не нарушает выполнение условия (1). Фотоприемник 3 содержит m элементов 6, каждый из которых принимает свой столбец модулированных сигналов. В результате j-й фотоприемник принимает сигналы от всех строк j-го столбца кадра, преобразует их в электрический сигнал и суммирует, формируя сигнал

Одновременно с модуляцией кадра синхронизатор 5 производит формирование опорных сигналов G(ω_it) = sign[cos(ω_it)] для частотного селектора 4. Умножение выходного сигнала каждого столбца S_i на все сигналы G(ω_it) с последующим интегрированием позволяет получить, в соответствии с (2) искомые значения U_ij. Отметим особенность работы устройства, связанную с тем, что в начале приема кадра (интегрирования) границу сектора приема проходит ось симметрии фотоприемника 3. При этом одни элементы 6 фотоприемника 3 уже прошли границу сектора приема, а другие еще не дошли до нее. Аналогичная, но обратная ситуация складывается в конце приема кадра. Решение этой проблемы заключается в том, что сектора приема повторяются, поэтому элементы 6 фотоприемника 3, не дошедшие до границы сектора приема в начале интегрирования модулируются предыдущим сектором приема, а перешедшие границу заканчивают прием уже в следующем секторе.

Преимущество данных изобретений состоит в возможности несканируемого преобразования двумерного теплового изображения простыми средствами: одномерной структурой приемников, цепей связи и входных устройств схемы считывания. Результатом является существенное упрощение технологии создания матричных преобразователей.

Источники информации
1. Богомолов П. А. Приемные устройства ИК-систем. - М.: Радио и связь, 1987.

2. Kruer M. R, Scribner D.A., Killiani J.M. Infrared focal plane arrey technology development for Navi applications./ OPTICAL ENGINEERING/ March 1987/ Vol.2.

3. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983.

4. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.3. - М.: Наука, 1969.

5. Тепловизор. Патент РФ 202905, Н 04 N 5/33.

6. Тепловизор. А.с. SU 1690214, Н 04 N 5/33.

7. Устройство компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов многоэлементного приемника. - Патент РФ 2012155, Н 04 N 5/33.

8. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. М.: Мир, 1988.

Формула изобретения

1. Способ преобразования теплового изображения в электрический сигнал, заключающийся в том, что кадр теплового изображения с интенсивностями элементов модулируют периодическими несущими сигналами F(ω_it+ϕ_ij), где ω_i - частота модуляции, ϕ_ij - начальная фаза по i-й строке, j-му столбцу, принимают излучение по столбцам и преобразуют в суммарные электрические сигналы, которые селектируют по частотам модуляции ω_i, отличающийся тем, что частоты периодических несущих сигналов выбирают из условия ω_i = πk_i/T, где k_i - целое, много больше единицы, Т - интервал приема кадра, а начальные фазы ϕ_ij в одной строке у разных столбцов должны либо совпадать, либо отличаться на π, при этом ϕ_ij = ϕ_i+kπ, k = {0,1}, для селекции по частотам умножают суммарный электрический сигнал каждого столбца на n периодических опорных сигналов G(ω_it+ϕ_i), совпадающих по частоте с частотами периодических несущих сигналов F(ω_it+ϕ_i) и ортогональных им на интервале приема кадра, и интегрируют произведение на этом интервале.

2. Устройство преобразования теплового изображения в электрический сигнал, содержащее растр, фотоприемник и частотный селектор, входной двумерный кадр размерностью НxL через растр подается на фотоприемник размером НxL, состоящий из m фоточувствительных элементов длиной L, расположенных с шагом h = H/m, выходы которых являются входами частотного селектора, nxm выходов частотного селектора являются выходами устройства, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено синхронизатором, растр выполнен в виде повторяющихся секторов кольца шириной L, расположенных на непрозрачном диске радиуса R, в периферийной его части: R>>L, R≫H/2π, в секторах на n равноотстоящих концентрических окружностях имеются прозрачные окна размером h и шагом 2h, длина дуг всех концентрических окружностей в секторах кратна h, на диске расположены маркеры секторов, фотоприемник синхронизатора размещен по оси симметрии фотоприемника радиально растру, частотный селектор содержит nxm умножителей и nxm интеграторов, первый вход i-го, j-го, умножителя соединен с выходом j-го элемента фотоприемника, второй вход соединен с выходом i-ого опорного сигнала синхронизатора, а выход соединен со входом i-го, j-го интегратора, вход задания периода интегрирования которого соединен с времязадающим выходом синхронизатора, выход i-го, j-го интегратора является i-м, j-м выходом частотного селектора.

3. Устройство преобразования теплового изображения в электрический сигнал по п.2, отличающееся тем, что синхронизатор выполнен в виде оптического источника и фотоприемника синхронизатора, выполненного в виде линейки из (n+1) элемента, установленной радиально растру по оси симметрии фотоприемника, i-й сигнал от оптического источника, прошедший через окна i-й концентрической окружности сектора растра, подается на вход i-го элемента фотоприемника синхронизатора, а его выход является выходом i-й опорной частоты синхронизатора, а сигнал от оптического источника, прошедший через маркеры секторов, является входом (n+1)-го фотоприемника синхронизатора, а его выход является времязадающим выходом синхронизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3