Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: Краткий конспект лекций - файл n1.doc

Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: Краткий конспект лекций
скачать (90.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc306kb.12.03.2004 15:28скачать

n1.doc

  1   2   3   4


Кафедра оптико-электронных приборов и систем

Г.Н. Грязин

СИСТЕМЫ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)


Примечание: нумерация формул и рисунков в тексте соответствует учебному пособию автора «Системы прикладного телевидения», СПб, Политехника, 2000 г.


Санкт-Петербург
2003 г.


ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ 4

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ 5

2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ 11

3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 16

4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ 23

5. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ 34



ПРЕДИСЛОВИЕ



Телевизионные системы, предназначенные для общего обзора пространства и поиска в нем интересующих наблюдателя объектов, составляют основную группу систем прикладного телевидения, как по количеству выпускаемой и вновь проектируемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач. Обзорные (наблюдательные) системы служат для визуального наблюдения и для автоматического обнаружения и опознавания объектов и могут быть черно-белыми, стереоскопическими, цветными, аналоговыми или цифровыми.

С точки зрения экономической целесообразности желательно, чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, то есть быть в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает необходимость автоподстройки режима функционирования системы при изменении внешних условий наблюдения, таких как освещенность, расстояние до объекта и других. Универсальность использования характерна в основном для аппаратуры так называемого промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серийно. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу входят специализированные системы: подводные, малокадровые, фототелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Режим их функционирования выбирается обычно исходя из необходимости решения относительно узкого круга задач.

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ



К промышленным телевизионным установкам принято относить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения и контроля за различного рода объектами, находящимися на улице, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях банков, станциях метрополитена и т.д. Универсальность ПТУ позволяет применять их в системах охранной сигнализации, системах технического зрения и в качестве датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной особенностью ПТУ является работа в режиме стандартного разложения с чересстрочной разверткой. ПТУ, как правило, предназначены для работы в видимом диапазоне излучений, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолетовый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.

Структурные схемы современных ПТУ весьма разнообразны и отличаются в основном набором элементов, количество и назначение которых диктуется выполняемыми задачами и допустимой, с позиций заказчика, стоимостью аппаратуры.

На рис. 10.1 представлена схема установки, в комплект которой входят четыре передающие камеры (ПК), два видеоконтрольных устройства (ВКУ), видеомагнитофон (ВМ), два пульта управления (ПУ) и видеокоммутационный центр (ВКЦ). На ВКУ2 одновременно можно наблюдать изображения со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор изображения с любой камеры осуществляется вручную или по заданной программе. Видеомагнитофон подключается с любого пульта управления для регистрации интересующего наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав аппаратуры могут включаться поворотные устройства камер, видеообнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства маскировки камер и т.д. В зависимости от окружающей среды камеры могут термостатироваться, помещаться в герметичные, пылебрызгозащитные, рентгенозащитные или иные специальные корпуса.

В настоящее время в качестве фотопреобразователей для передающих камер ПТУ применяются как трубки класса видикон, так и матрицы ПЗС. Передача полного ТВ сигнала, формируемого в камере, производится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, занимаемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции одной из несущих частот, стандартизированных в ТВ вещании. В последнем случае для воспроизведения изображений оказывается возможным использовать обычные телевизоры, а длина кабеля может достигать одного километра и более.

Передающие камеры ПТУ, как правило, комплектуются предприятиями-изготовителями стандартными объективами, предназначенными для работы в фото- и киноаппаратуре, хотя такую практику с технической точки зрения и нельзя считать оптимальной по следующим причинам. Во-первых, хроматические аберрации таких объективов корректируются в области спектральной чувствительности кинопленки, существенно отличающейся от спектральной чувствительности большинства телевизионных фотопреобразователей. Во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учитывается, что проецирование изображения на фоточувствительную производится в телевизионных камерах через переднее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло матрицы ПЗС. При этом световые пучки, падающие под углами к оптической оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что ухудшает разрешающую способность системы. Это явление сказывается тем больше, чем шире угол зрения объектива. В связи с этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объективов, специально предназначенных для вещательного телевидения и в обозначение которых добавляется буква «Т», например, «МИР-10Т». Однако эти объективы рассчитаны в основном для работы с трубками типа суперортикон, имеющими значительно больший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и матрицы ПЗС. Следует отметить, что в настоящее время практикуется выпуск матриц со стекловолоконным входом вместо обычного стекла, что позволяет легко сочленять их с ЭОПами.

При согласовании параметров передающей камеры ПТУ с условиями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать вопрос о выборе объектива или о соответствии установленного в камере объектива требованиям, вытекающим из решения поставленных задач. В первую очередь выбор объектива следует производить, исходя из заданного или заранее рассчитанного угла зрения камеры, связанного с фокусным расстоянием соотношением

, (10.1)
где bф – ширина изображения на фотослое, ?0 – угол зрения в горизонтальной плоскости.

Аналогично

,
где hф – высота изображения, ?0 – угол зрения в вертикальной плоскости.

Предварительный выбор углов ?0 и ?0 следует производить с учетом того, что на краях поля зрения изображение получается менее резким и ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусного расстояния, так и от относительного отверстия D/f. Для определения угла резкого изображения ?р можно воспользоваться эмпирическим соотношением

, (10.2)
На основании выражений (10.1) и (10.2) окончательно устанавливается необходимый угол зрения объектива и его фокусное расстояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходящий объектив.

Определенную универсальность передающей камеры, позволяющую легко переходить от широких полей зрения, обеспечивающих общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознавание объекта, придает вариобъектив. Промышленностью выпускается широкий набор вариобъективов, пригодных для использования с видиконами, имеющих размер мишени 12,7x9,5. Эти объективы обладают значительным диапазоном фокусных расстояний. Следует однако иметь ввиду, что применение вариооптики значительно увеличивает габариты и вес камеры, а при наличии устройства дистанционного управления объективом и усложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае может служить использование узкопольного объектива и поворотного устройства, на котором крепится камера, позволяющая последовательно осуществлять широкий обзор пространства.

Практически во всех передающих камерах ПТУ предусматриваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых яркостей. В связи с этим укажем, что динамический диапазон большинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не превышает 50 – 100 , а матриц ПЗС – 1000. Вместе с тем для универсального применения передающих камер может понадобиться расширение динамического диапазона до 104-105. С этой целью в камерах на видиконах применяют устройства авторегулирования напряжения на сигнальной пластине, а в камерах на ПЗС – авторегулирование времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объектива и регулировку пропускания специальных светофильтров, устанавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регулирующих устройств заключается в том, чтобы при изменения освещенности объекта внутри заданного диапазона значения видеосигнала не выходили за пределы действующего рабочего участка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наиболее светлой градации яркости должен оставаться примерно постоянным. Отметим, что применение оптических методов и регулировки времени накопления зарядов направлено на стабилизацию экспозиции, сообщаемой ФЭП, в то время как регулировка потенциала сигнальной пластины видикона приводит к изменению положения светосигнальной характеристики и ее крутизны (рис. 3.10), то есть, в конечном счете, световой чувствительности трубки.

Существует ряд способов автоматической регулировки напряжения на сигнальной пластине видикона при изменении его освещенности. Один из них иллюстрируется схемой с пиковым детектором на входе (рис. 10.2). Видеосигнал размахом 1,5- 2,0B поступает на пиковый детектор (диоды VD1 иVD2 и конденсатор С2), напряжение с которого поступает на базу усилителя постоянного тока, а с выхода последнего – на сигнальную пластину видикона. Увеличение освещенности трубки приводит к повышению уровня видеосигнала и напряжения на базе транзистора, что способствует уменьшению его сопротивления и, следовательно, уменьшению напряжения на выходе устройства (рис. 10.3). Резистор R служит для установления первоначального напряжения на сигнальной пластине Uсп. Недостатком схемы является опасность возникновения самовозбуждения в предварительном усилителе, который оказывается связанным со схемой автоподстройки. Чтобы ликвидировать этот недостаток, рекомендуется вводить управляющее напряжение вместо сигнальной пластины в катод видикона.

Для управления диафрагмой объектива может использоваться видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное напряжение с которого после усиления поступает на балансную дифференциальную схему (рис. 10.4). При изменении освещенности фотопреобразователя сигнал также изменяется, и на выходе балансной схемы образуется управляющее напряжение соответствующего знака.

В рассмотренных случаях стабилизация тока сигнала в пределах ± 20% осуществляется при изменении освещенности объекта до 500 раз.

В более широких пределах изменения освещенности (примерно до 104 раз) можно стабилизировать ток видикона с помощью различных электрооптических светофильтров, изменяющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с использованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, широкими пределами регулировки светопропускания, но требует подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает большим светопоглощением. Светофильтры на основе светохромных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до нескольких секунд) управляются низкими напряжениями, измеряемыми единицами вольт.

В импульсных системах стабилизацию выходного сигнала можно осуществить, изменяя длительность экспонирования фотопреобразователя, для чего перед ним устанавливается электрооптический затвор. В качестве последнего можно применить электронно-оптический преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В суперкремниконе в качестве электронного затвора используют секцию переноса изображения, в которую добавляют специальный электрод.

Регулировку времени накопления зарядов с целью стабилизации величины видеосигнала удобно осуществлять в матрицах ПЗС путем автоматического управления длительностью импульсов, поступающих в накопительную секцию. На рис. 10.5, а представлена схема управления, примененная в камере КТП-79 и позволяющая стабилизировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от 4 до 20 лк.

Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью, зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход операционного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью пикового детектора VD1, VD2, C5 видеосигнал преобразуется в постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоянного тока (операционный усилитель У2). Величина выходного напряжения регулируется резистором R4, изменяющим чувствительность схемы. С выхода УПТ напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе У3. На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на транзисторах VT1 и VT2 и конденсаторе С6 (транзистор VT2 служит для стабилизации тока заряда конденсатора с целью повышения линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами U1, как это показано на рис. 10.5,б. В момент времени t1 происходит сравнение двух напряжений U2 и U3 и на выходе компаратора формируется двухполярный сигнал управления U4, который затем ограничивается диодом VD4 и преобразуется в однополярный сигнал U5.

К числу автоматических устройств, применяемых в передающих камерах ПТУ, относятся устройства автоматической фокусировки объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения. Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно применять в случаях, когда глубина резко изображаемого пространства недостаточна, например, при использовании длиннофокусных объективов. Критерием расфокусировки обычно служит информация о резкости или детальности изображения, которым в видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составляющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошибки) указанную информацию необходимо иметь как минимум при двух положениях объектива. На рис. 10.6 представлена структурная схема системы автофокусировки, в которой в качестве характеристики управления используется детальность многоградационного изображения, определяемая как
,
где Uс - напряжение видеосигнала, Tк – время кадра.

Принцип действия системы основан на том, что в сфокусированном состоянии объектива детальность изображения должна быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается на формирователь Ф, в котором производятся операции дифференцирования, усиление и ограничение в соответствии с заданным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограничения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2. Делитель частоты уменьшает количество импульсов напряжения до величины, отвечающей емкости счетчиков. Счетчики служат для суммирования импульсов и запоминания величины Du. В счетчике С1 запоминается значения детальности, соответствующее одному положению объектива, в счетчике С2 – другому положению. Для получения второго значения необходимо переместить объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периодической посылкой специального испытательного сигнала. Оба значения детальности сравниваются между собой в устройстве сравнения УС и в зависимости от знака полученного результата объектив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с помощью исполнительного устройства ИУ.

Недостатком рассмотренного устройства является ухудшение условий наблюдения при испытательных перемещениях объектива. Поэтому рекомендуется предусматривать в телевизионном датчике по возможности отдельный канал автофокусировки.

В случае если наблюдателя интересует один или несколько конкретных объектов, расстояние до которых может изменяться независимо от общей обстановки, можно использовать метод автофокусировки объектива, основанный на применении импульсного лазерного дальномера. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в направлении объекта пучок ИК лучей малой расходимости. Отраженный сигнал принимается фотоприемником и полученная информация после обработки используется для формирования управляющего сигнала.

Применение в телевизионном датчике импульсного светодальномера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить специальные регулировки, направленные на сохранение постоянного масштаба изображения, т.е. его размеров и осуществление беспропускного режима наблюжения в малокадровых и импульсных телевизионных системах при непрерывном изменении расстояния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения способствует решению задач обнаружения, опознавания и контроля параметров различных объектов, а также необходимо при использовании телевизионной системы для картирования местности, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решении других задач.

На рис. 10.7 показана структурная схема устройства управления вариообъективом, позволяющая поддерживать постоянство масштаба изображения путем изменения фокусного расстояния, т.е. угла зрения оптической системы. Входные импульсы, поступающие от светодальномера, временной интервал между которыми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирователь ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямоугольный импульс, который в схеме совпадения СС заполняется тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ. Получающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобразуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов счетчика должно выбираться в зависимости от необходимой точности преобразования расстояния до объекта в двоичный код. Цифровой сигнал декодируется затем в ЦАП и в аналоговой форме через усилитель У управляет приводным устройством ПР вариообъектива ВО.

Применение в устройстве управления двойного преобразования типа «аналог-код» и затем «код-аналог» позволяет достаточно простыми средствами и с заданной точностью осуществлять регулировку фокусного расстояния вариообъектива а широком интервале изменения расстояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.
ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Применение телевизионной аппаратуры для наблюдения за объектами, находящимися вне помещений, требует учета влияния атмосферы на дальность наблюдения. При определении дальности наблюдения за удаленными объектами следует учитывать, что, во-первых, происходит ослабление лучистой энергии воздушной средой и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе системы. Последнее обстоятельство обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и, как правило, является определяющим дальность наблюдения h.

Контраст на входе системы наблюдения равен



или, поскольку L0=E?/?, Lн=Ew/ ?,

,

где K0 –контраст объекта с фоном, L0- яркость объекта или фона (большее значение), Lн - яркость насыщенного слоя атмосферы (яркость неба у горизонта), ? - коэффициент отражения объекта или фона, w- - коэффициент погоды, ? - показатель ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км, Е - освещенность объекта и фона.

Коэффициентом погоды w называется отношение яркости Lн неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой поверхности, освещенной суммарным дневным светом. Коэффициент погоды зависит от метеорологических условий и может быть как меньше, так и больше единицы.

Из второго уравнения находится искомая дальность наблюдения:

. (10.3)

На рис. 10.8 представлены расчетные графики, отвечающие выражению(10.3).

  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации