На рис. 5.2 подана функціональна схема тепловізора «Рубін-3» («Факел») [16].

Інфрачервоне випромінювання (ІЧВ) від сканувального дзеркала 1 через об'єктив 3, дзеркало 2 і конденсор 4 потрапляє на приймач 5, звідки відеосигнал надходить на попередній підсилювач 7, до другого входу якого через інтегрувальне коло R1C1 підключено слідкувальний підсилювач 8. На виході попереднього підсилювача 7 середнє значення напруги U₁ за час рядка близьке до нуля, оскільки другий вхід слідкувального підсилювача 8 має нульовий потенціал. Для запобігання завалу амплітудно-частотної характеристики попереднього підсилювача 7 на низьких частотах і, щоб уникнути спотворення відеосигналу постійна часу R1C1 визначається з умови

(5.1)

де Е - напруга живлення попереднього підсилювача;

f_н - нижня частота відеосигналу;

S - вольтова чутливість приймача;

Ф_пор - пороговий потік.

Через велике значення ? потрібно застосовувати електролітичні конденсатори і мегаомні резистори, внаслідок чого в момент включення тепловізора опір стікання конденсатора С1 співрозмірний з R1, заряд на конденсаторі не формується, і система може не входити в режим. Щоб уникнути цього, введено ключ К1, який замикають у момент включення тепловізора на час приблизно 10 с, що забезпечує прискорене формування заряду конденсатора С1 і вихід системи на режим, після чого ключ К1 розмикають.

Рисунок 5.2 – Функціональна схема тепловізора "Рубін-3" ("Факел"

У тепловізорі застосований спосіб синусоїдального сканування і реєстрації, причому в моменти неробочого ходу по рядку обтюратор 6 за допомогою електромагніта 15 перекриває вимірюваний потік Ф_х від об'єкта і подає на приймач власний потік Ф₀ як опорний. Для зменшення неконтрольованих фонових засвіток приймача на зворотній стороні контрдзеркала об'єктива, перед приймачем 5, встановлене невелике сферичне дзеркало, що відбиває на приймач його власне випромінювання. Використання випромінювання обтюратора як опорного потоку Ф₀ замість вбудованого інфрачервоного випромінювача обумовлене тим, що у високочутливих тепловізорах на стабільний опорний потік випромінювача в оптичному каналі накладається значний нестабільний і неконтрольований потік Ф_п від елементів конструкції, що викликає дрейф сигналу. У моменти часу, коли на приймач подається потік Ф₀, відеосигнал U₂ після схеми прив'язки на конденсаторі і ключі К2 дорівнює нулю (U₂=0). Оскільки Ф₀ змінюється нелінійно від прогріву конструкції і температури навколишнього середовища, ця зміна враховується подачею на суматор 9 через функціональний підсилювач корекції 16 сигналу поправки U_п від датчика температури. На цей же суматор через функціональний підсилювач рівня відліку 19 подається і сигнал u₀ рівня відліку температур Т₀ від атенюатора рівня 22, внаслідок чого після ключа К3 у розімкнутому стані сумарний сигнал U₃ = U₂ + U₁ + U₀.

Значення U₀ вибирається атенюатором 22 «Рівень». При цьому відеосигнал на електронно-променевому індикаторі 10 спостерігається симетрично відносно середини масштабної сітки екрана, не виходячи по амплітуді за межі екрана, що досягається за допомогою регулятора фази 11 і атенюатора 12 («Діапазон»), який змінює коефіцієнт підсилення відеоканалу. Відеосигнал залежить від температури об'єкта нелінійно, внаслідок чого рівним приростам температури при різних рівнях її відліку відповідають нерівні прирости напруги відеосигналу. Тому коефіцієнт передачі атенюатора 12 залежить і від напруги U₀, що задається атенюатором 22.

Коефіцієнт передачі підсилювача 19 нелінійний і апроксимується лінійно-кусковою функцією при налагодженні тепловізора по виносних ІЧ випромінювачах. В тепловізорі коефіцієнти передачі всіх нелінійних підсилювачів задаються в лінійно-кусковому вигляді з достатньою точністю апроксимації, що дозволяє спростити процес налагодження вимірювального каналу.

Відсікаючи шуми на частотах вище верхньої частоти f_в спектра відеосигналу, фільтр верхніх частот на цій частоті зміщує фазу відеосигналу на Δf_в, що при використаному в тепловізорі способі двостороннього сканування і реєстрації викликало б подвоєння зображення на величину Δl. Для виключення подвоєння зображення регулятор фази 27 через сканер 28 зміщує фазу Δφ_с коливань дзеркала 1 відносно барабана електрохімічного реєстратора 24 такої величини, що Δl=0. При цьому Δφ_с необхідно періодично корегувати, тому що привод реєстратора 24 синхронізується змінною (у невеликих межах) частотою мережі 50 Гц, що при високій добротності механічної коливальної системи сканера викликає значне відхилення його фази. Якщо не налаштовувати фазу сканера, тобто Δφ_с=0, величину Δl визначають з формули

(5.2)

де V_з - лінійна швидкість розгортки реєстратора.

У зв'язку з тим, що сканування в тепловізорі синусоїдальне, для виключення модуляції оптичної щільності термограми в напрямку рядка служить коректор яскравості 14, через який проходить сигнал з відеопідсилювача 13. Коректор яскравості керується синусоїдальною напругою, одержаною у рядковому синхронізаторі 23, який кінематично зв'язаний з реєстратором 24.

Процесор цифрової інформації 25 за сигналами атенюаторів 12 і 28 кадрового 26 і рядкового 23 синхронізаторів посилає цифрову інформацію через комутатор 18 на реєстратор 24. У результаті на термограмі у цифровому вигляді записуються рівень відліку, діапазон температур, що реєструються, ширину ізотерми і номер кадру. Під час неробочого ходу сканера по рядку на термограму наносяться: оптичний клин з допомогою генератора пилкоподібної напруги 21, вертикальний термопрофіль – формувачем термопрофілю 20, ізотерми – формувачем ізотерм 17. В формувачі термопрофілю відбувається вибірка відеосигналу в заданий момент часу відносно початку рядка, запам'ятовування його амплітуди і перетворення в тривалість імпульсу. Ключі К1-К4 синхронізуються рядковою частотою і забезпечують усунення дрейфу сигналу і прив'язку його до заданого рівня.

У процесі серійного виробництва до тепловізора «Рубін-3» («Факел») розроблена електронна схема, яка вбудовується і дозволяє одержувати термограми, квантовані на п'ять градацій яскравості.

В моделі AGA-680 (рис. 5.3) сканування по рядку і кадру виконується призмами, що обертаються і пропускають випромінювання [16].

Рисунок 5.3 – Функціональна схема оптичної головки тепловізора ОГТ (OHT) AGA-680

Вхідний об'єктив 1 приймальної камери зі світлосилою 1:1,8, що складається з трьох кремнієвих лінз, фокусує випромінювання від елемента об'єкта з відстані від 0,95 м до нескінченності; при цьому глибина різкості на відстані 2,5 м складає 0,27 м. Від об'єктива ІЧ випромінювання надходить на оптико-механічний сканувальний пристрій, який складається з двох призм, що обертаються від окремих електродвигунів: кадрова 2 через прецизійний редуктор, рядкова 3 — безпосередньо через муфту. При обертанні призм і використанні стандартного об'єктива поля зору приладу 10×10°, додаткові змінні об'єктиви забезпечують поле зору 2?2, 25×25 і 40×40°. Миттєвий кут зору (кутовий дозвіл) для основного об'єктива 1,3 мрад. Розбіжний пучок випромінювання перетворюється за допомогою конденсорної лінзи 4 в паралельний і проходить ряд допоміжних пристроїв, що складають комплект переривача 5. Під час зворотного ходу по кадру прийняте випромінювання переривається алюмінієвим обтюратором з полірованими із задньої сторони лопастями. Обтюратор обертається синхронно зі сканувальною по кадру призмою. Під час перекриття випромінювання ІЧ приймач піддається впливу власного (відбитого від лопасті) випромінювання, і цей сигнал використовується як опорний для підсилювача 9, що підтримується постійною складовою вихідного сигналу один раз за час кадру.

Для розширення діапазону температур об'єктів, що обстежуються, передбачено обмеження пучка променів за допомогою діафрагми 7. При повній світлосилі об'єктива можна обстежувати об'єкти з температурою від -30 до +190°С. При мінімальній діафрагмі світлосила об'єктива стає 1:14, що дозволяє досліджувати об'єкти з температурою до 850°С. Зменшення світлосили об'єктива супроводжується збільшенням різкості, що створює перевагу при спостереженні розподілу температури довгих об'єктів. В переривачі передбачено також встановлення світлофільтрів 6. При використанні поглинальних сірих фільтрів можна досліджувати об'єкти з температурою до 2000°С.

Конструкцією сканувального вузла камери не передбачена синхронізація вертикальної і горизонтальної сканувальних призм, тому рядки на екрані ЕПТ повільно зміщуються по екрану. Цим досягається неперервність заповнення екрана зображенням об'єкта, і темні проміжки між рядками не виділяються так різко, як при жорсткій синхронізації рядкової і кадрової розгорток, що особливо важливо при фотографуванні. Крім того, застосована вобуляція (розмиття) рядка від генератора сигналів частотою 600 кГц, що створює ілюзію безрядкового растра.

Подальше удосконалення тепловізорів зроблено на моделях: AGA-750, AGA-720, AGA-780 і AGA-782. Сканування випромінювання в усіх модифікаціях здійснюється двома призмами, що обертаються. Основні відмінності від тепловізора AGA-680 – менші габаритні розміри приймальної камери і сканувального пристрою, підвищення частоти кадрів до 25 Гц, ускладнення блоків підсилення й обробки сигналу для збільшення швидкості й обсягу одержуваної інформації, збільшення числа допоміжних пристроїв. Моделі AGA-750, AGA-720 і AGA-728 є малогабаритними варіантами основної моделі AGA-780. Блоки приймальної камери ідентичні для всіх моделей і розрізняються залежно від області застосування комплектом змінних об'єктивів. Використовується малогабаритний блок ВКП з найбільш простою обробкою сигналу: подання сигналу на чорно-білому екрані в позитивному і негативному відображеннях, дві ізотерми з відліком рівня, перемикач чутливості і регулювання «Рівень чорного».

Для моделі розроблено три варіанти приймальної камери: короткохвильова з приймачем випромінення з InSb, довгохвильова з приймачем з HgCdTe і подвійна. Подвійна камера діє одночасно з двома чорно-білими індикаторами. Функціональна схема приймальної камери (рис. 11.4) аналогічна схемі приймальної камери моделі AGA-680 і містить фокусувальний трикомпонентний об'єктив, дві пропускні сканувальні призми і переривач, конденсор з двох лінз із проміжною регулювальною діафрагмою і диск з фільтрами. Прийняте від об'єкта випромінювання фокусується на приймачі випромінювання 2. У довгохвильовій приймальній камері з фоторезистором з HgCdTe використовуються тільки германієві елементи оптичної системи. Додатково введено запобіжний пристрій контролю рівня рідкого азоту в сосуді Дьюара ПІ, який закриває підсилювальний канал при певному низькому рівні азоту, сигналізуючи про це оператору. Подвійна камера містить два взаємозалежних одиночних сканери, змонтованих разом в одному корпусі. Введено два додаткових пристрої регулювання: вертикального рівня і паралаксу, які механічно встановлюють вертикальні і горизонтальні положення сканувальних блоків так, щоб вони були спрямовані на ту саму ділянку об'єкта, що досліджується.

Особливою рисою тепловізорів моделі AGA-780 є висока стабільність сигналу, що забезпечує велику точність і повторюваність вимірів. Щоб зменшити рівень постійного дрейфу, викликаного зміною температури приймальної камери, застосовують комбіновану схему прив'язки рівня і компенсації. Для підвищення стабільності роботи приладу використана також імпульсна схема контролю швидкості черезрядкового сканування. Швидкістю і регулюванням фази двигуна кадрового сканування керує двигун рядкового сканування так, щоб виробити чотири черезрядкових поля.

Рисунок 5.4 – Функціональна схема приймальної камери тепловізора АGА-780:

1 – підсилювач сигналу температурної компенсації; 2 – приймач випромінювання; 3 – передпідсилювач; 4 – електронний ключ; 5 – суматор; 6 – перемикач вибору апертури і фільтра; 7 – терморезистор температурної компенсації; 8, 25 – двигуни рядкової і кадрової сканувальних призм; 9, 10 – формувач імпульсів; 11, 22 – вихідні підсилювачі; 12, 20 – компенсатори; 13 – блок контролю швидкості рядкової призми; 14, 23 – призми рядкового і кадрового сканування; 15, 24 – магнітні датчики рядкової і кадрової синхронізації; 16, 27 – підсилювачі; 17, 26 – тригерні підсилювачі;
18, 21 – лічильники розподілу імпульсів; 19 – блок відстеження швидкості кадрової призми; 28 – цифровий фазовий детектор; 29 – об'єктив

Тепловізор AGA-780 у сімействі швидкодіючих приладів дозволяє отримати максимальну інформацію про об'єкт, відрізняється високою якістю зображення, наявністю великого числа допоміжних блоків.

Тепловізори з піріконом (рис. 5.5) призначені для спостереження на малих відстанях низькотемпературних рухомих і нерухомих об'єктів [16]. В передавальній камері використовується тимчасова модуляція потоку випромінювання об'єкта, яка здійснюється дисковим модулятором зі змінними прозорими і непрозорими секторами. Модулятор має схему стабілізації частоти обертання і забезпечує постійну частоту переривання потоку, яка дорівнює 12,5 Гц. Для цього в схему стабілізації подаються опорні імпульси синхрогенератора й імпульси від датчика частоти обертання модулятора. Електропривод модулятора керується напругою, що знімається зі схеми стабілізації.

Блок підготовки пірікона до дії здійснює поляризацію і розряд мішені, включення робочого режиму. Цей блок також формує імпульси, що подаються під час зворотнього ходу по рядках у катод пірікона і які служать для створення електронного п'єдесталу на мішені.

Блок розгорток і формування відеосигналу містить синхрогенератор, генератор кадрової і рядкової розгорток, підсилювач-формувач і блок живлення.

Тепловізор може працювати в режимі спостереження об'єкта без обробки відеосигналу і в режимі накопичення відеосигналу з наступним проведенням міжкадрової різновидної обробки. В першому випадку відеосигнал з підсилювача-формувача надходить на стандартний відеоконтрольний пристрій, а в другому – в блок пам'яті на базі запам'ятовувальної, електронно-променевої трубки. Призначення блока пам'яті – накопичувати корисний сигнал від об'єкта і, таким чином, згладжувати нерівномірність фону мішені та підвищувати відношення сигнал/шум при наступному зчитуванні мішені.

Після попереднього підсилення відбувається виділення інформаційної частини сигналу. Для одержання уніполярного відеосигналу при модуляції падаючого потоку випромінювання служить підсилювач-інвертор. Сигнал з підсилювача-інвертора надходить в підсилювач-формувач, з виходу якого знімається відеосигнал позитивної полярності амплітудою не менше 1 В на навантаженні 75 Ом.

Рисунок 5.5 – Функціональна схема передавальної тепловізійної камери з піріконом:

1 – інфрачервоний об'єктив; 2 – модулятор із блоком керування; 3 – котушка розгортки; 4 – ФОС; 5 – пірікон; 6 – попередній підсилювач; 7 – підсилювач-інвертор;
8 – підсилювач-формувач; 9 – блок підготовки і формування п'єдесталу; 10 – датчик положення модулятора; 11 – датчик частоти обертання модулятора; 12 – схема стабілізації частоти обертання модулятора; 13 – блок електроживлення;
14 – синхрогенератор

Інфрачервоне випромінювання об'єкта спостереження падає на об'єктив (див. рис. 5.5), що формує зображення в площині мішені пірікона. Вважаючи, що перекриття модулятором мішені відбувається миттєво, можна записати вираз для її опроміненості у такому вигляді:

(5.3)

де Т - період модуляції потоку випромінювання;

L₀ - опроміненість мішені, створювана випромінюванням об'єктива і модулятора передавальної камери.

Блок пам'яті (рис. 5.6) крім запам'ятовувальної трубки з ФОС містить синхрогенератор, блок розгорток, схеми керування режимами роботи трубки і комутації напруг на її електродах, підсилювач запису, попередній підсилювач, підсилювач-формувач вихідного відеосигналу й автоматичної зміни інформації. Крім синхронізації блоку пам'яті у робочому режимі від синхронізатора передавальної камери передбачена автономна синхронізація при відтворенні записаного зображення.

Рисунок 5.6 – Функціональна схема блоку пам'яті:

1 – підсилювач запису;
2 – комутатор за катодом; 3 – блок розгорток; 4 – попередній підсилювач; 5 – підсилювач формування; 6 – комутатор режимів роботи; 7 – автомат зміни інформації; 8 – стабілізатор фокусувального струму; 9, 10, 11 – відповідно комутатори за мішенню, другим і першим анодами; 12 – блок керування; 13 – автомат зміни інформації; 14 – синхрогенератор

Схема керування режимами робіт запам'ятовувальної трубки служить для переведення її в режим «Запис», «Стирання», «Цикл» і «Стоп-кадр». Підсилювач запису призначений для посилення і фіксації рівня відеосигналу, що подається на трубку. Він забезпечує амплітуду відеосигналу до 40 В при вхідному сигналі 1 В у смузі частот 50 Гц ... 2 Мгц. В схемі підсилювача передбачена можливість зміни коефіцієнта підсилення залежно від обраної кількості кадрів запису. В режимі «Запис» вихідний сигнал підсилювача подається на запам'ятовувальну трубку. Відеосигнал останньої після попереднього підсилення подається в комутатор режиму роботи тепловізора разом з вихідним відеосигналом передавальної камери. Комутатор вибирає характер обробки відеосигналу, тобто режим роботи передавальної камери, і у випадку другого режиму підключає попередній відеопідсилювач блока пам'яті до підсилювача-формувача, що забезпечує на виході відеосигнал з амплітудою не менше 1 В на навантаженні 675 Ом. Подальше підсилення відеосигналу відбувається у відеоконтрольному пристрої, що відповідає стандартній телевізійній системі типу ПТУ-27.

Функціональна схема японського тепловізора з піріконом, призначеного для аналізу теплових полів, показана на рис. 5.7. Мішень пірікона виготовлена з полівініліденфториду товщиною 9 мкм. Трубка, наповнена воднем під тиском приблизно 1.3×10^-10 Па. Позитивні іони, що утворюються в результаті зіткнення електронного пучка з молекулами газу, попадають на мішень і створюють позитивний струм зміщення [16].

В трубку введений гетер, селективно абсорбуючий і випускаючий водень. При пропусканні електронного струму по гетеру вдається регулювати ступінь вакууму в трубці в діапазоні 1,3×10^-12...1,3×10^-9Па.

Передавальна камера оснащена механічним модулятором і об'єктивом із просвітленого германію зі світлосилою 1:0,8. Теплове зображення об'єкта можна спостерігати на чорно-білому телевізійному моніторі. Крім того, сигнали з виходу передавальної камери перетворюються в цифровий код за допомогою спеціального перетворювача. Синхронізовані з модулятором сигнали, що запам'ятовуються блоком пам'яті на інтегральних схемах, за допомогою схеми перетворення перетворюються в сигнал восьми кольорів. Сама гаряча точка об'єкта відповідає білому кольору, а сама холодна – чорному. Перетворені чорно-білі сигнали подаються на стандартний кольоровий монітор, на якому в реальному масштабі часу зображаються закодовані кольором ізотерми чи інші картини теплових полів.

Процес перетворення чорно-білих сигналів у кольорові полягає в такому. Кожному з восьми кольорів відводиться тризначний двійковий код; чорна градація кодується 000, біла 111. Частота сигналів передавальної телевізійної камери 5 МГц, що дає 500 імпульсів на один телевізійний рядок. Коди, що відповідають кожному імпульсу, подаються на кольоровий монітор, де кожен розряд тризначного коду керує одним із трьох електронних прожекторів кольорової трубки. Так код 111 включає одночасно всі три прожектори (білий колір), у той час як при коді 000 не працює жоден прожектор (чорний колір). При комбінаціях 100, 010, 001 працює тільки один із прожекторів, відтворюючи на екрані основні кольори – червоний, зелений чи синій. При інших комбінаціях включаються які-небудь два прожектори, висвічуючи добре помітні змішані кольори.

Рисунок 5.7 – Функціональна схема експериментальної тепловізійної установки з піріконом:

1 – об'єкт спостереження; 2 – об'єктив, що пропускає інфрачервоне випромінювання; 3 – модулятор; 4 – передавальна камера; 5 – пірікон; 6 – підсилювач; 7 – схема приводу модулятора; 8 – перетворювач неперервних сигналів у цифровий код; 9 – синхронізатор і подільник сигналів; 10, 17 – перемикач роботи в режимах нормальному і запам'ятовування; 11 – перетворювач послідовного коду в паралельний; 12 – суматор; 13 – вентиль пам'яті; 14 – блок пам'яті на інтегральних схемах (256×128×8 біт); 15 – регістр; 16 – перетворювач паралельного коду в послідовний;
18 – схема центрування; 19 – кольоровий телевізійний монітор; 20 – чорно-білий телевізійний монітор; 21 – генератор синхронізувальних імпульсів; 22 – схема регулювання

Застосування стандартних ЕОМ створює певні труднощі, пов'язані з узгодженням тепловізійної апаратури зі структурою таких машин. Тому розроблено універсальний поліпроцесор ПП (P), призначений для узгодження тепловізійних (і інших телевізійних вимірювальних) систем з ЕОМ. Поліпроцесор являє собою цифровий обчислювальний відеоаналізатор, який в межах введеної програми обробляє відеосигнал і приводить його до вигляду, зручного для керування іншими пристроями.

Поліпроцесор (рис. 5.8) складається з декількох мікропроцесорів, що можуть виконувати за допомогою введених у запам'ятовувальний пристрій констант різні обчислювальні і керувальні функції. Кількість мікропроцесорів залежить від призначення даної системи і необхідної швидкодії. Мікропроцесори мають так звану вибіркову конструкцію, при якій усі дані, що підлягають обробці, вводяться по об'єднаному каналу передачі даних, а проведення операцій обчислення чи керування тими чи іншими обчислювальними модулями виконується відповідно до запрограмованих кодованих наказів.

Прикладом сучасної тепловізійної камери на піріконі є камера ТН 7506 фірми «Томсон ЦСФ» (рис. 5.9). В камері моделі ТН 7506А використовується пірікон ТН 9840 із залишковим газом, а в камері ТН 7506 В - високовакуумний пірікон ТН 9851; корисний діаметр мішені обох піріконів 17 мм.

Рисунок 5.8 – Функціональна схема поліпроцесора:

1 – передавальна телевізійна камера; 2 – блоки пам'яті; 3 – процесор керування камерою; 4 – блок оперативної пам'яті; 5, 6 – головний і вихідний процесори; 7 – об'єд-наний канал передачі даних; 8 – процесор керування; 9 – монітор

Рисунок 5.9 – Структурна схема тепловізійної камери фірми «Томсон ЦСФ»:

1 – синхронізувальний пристрій; 2 – лампа розжарювання; 3 – фотоприймач; 4 - синхронний серводвигун; 5 – блок відікона з піроелектричною мішенню; 6 - об'єктив; 7 – ФС; 8 – пристрій порівняння фаз; 9 – пристрій затримки сигналів; 10 - генератор синхронізувальних імпульсів (32 кГц) ; 11, 12 – подільник частоти; 13 - підсилювач; 14 – фільтр; 15 – процесор кадрів; 16 – передпідсилювач; 17, 18  підсилювачі негативних і позитивних сигналів; 19 – комутатор; 20 – вихідне коло; 21 – відеосигнал; 22- рядкові синхронізувальні імпульси; 23 – кадрові синхронізувальні імпульси

Тепловізійна комп'ютерна система "Інфрамед-01" – це комплекс апаратних і програмних засобів, що дозволяє реалізувати всі переваги і досягнення комп'ютерної обробки зображень для тепловізійної діагностики різноманітних захворювань. Вона реалізована на базі оптичної головки тепловізора типу "Радуга" і персонального комп'ютера типу IBM PC/AT. Поєднання оптичної головки, яка забезпечує високоточну калібровку тепловізійного сигналу і комп'ютера, оснащеного оригінальним програмним забезпеченням, дозволило створити винятково зручну і надійну в експлуатації тепловізійну систему, яка враховує особливості як початківця, так і досвідченого користувача.

Тепловізійна комп'ютерна система "Інфрамед-01" складається з оптичної головки тепловізора типу "Радуга", блоку введення інформації (БВІ), персонального комп'ютера з ч/б матричним принтером.

ЗМІСТ