5. ТЕПЛОВИЗОРЫ

Тепловизорами называют приборы, служащие для регистрации теплового излучения исследуемых объектов с последующим формированием их адекватных изображений, которые могут рассматриваться невооруженным глазом. Подобное определение применимо ко всем устройствам и приборам, создающим видимое изображение нагретых тел, поэтому условимся считать отличительной особенностью тепловизоров наличие системы развертки.

Сканирующее устройство совместно с оптической системой осуществляет разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площадок, чем обеспечивается видимое изображение теплоизлучающего объекта. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ интенсивности теплового излучения отдельных элементов производится приемником излучения, с выхода которого последовательно во времени снимаются дискретные сигналы, содержащие информацию о теплоизлучающем объекте. Сигналы передаются по одному каналу в воспроизводящее устройство (кинескоп), которое преобразует их в видимое электронное изображение. Так как в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа, должен быть идентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующих устройств.

Совокупность электрических импульсов, амплитуда которых пропорциональна мощности излучения отдельных элементов объекта, называют видеосигналом. В, канал, связывающий передающее и воспроизводящее устройство тепловизора, одновременно с видеосигналом подают сигналы синхронизации.

В зависимости от используемых системы сканирования и приемника излучения различают тепловизоры с оптико-механическими и фотоэлектронными системами сканирования, а также тепловизбры с одноэлементным приемником и двумерным сканир.ованием и тепловизоры с линейным многоэлементным приемником и одномерным сканированием.

В тепловизорах с оптико-механическими системами сканирования развертка рассматриваемого объекта на элементы выполняется деталями оптической системы, перемещающимися по определенному закону, что позволяет последовательно направлять излучение с различных элементов объекта на приемник излучения. В тепловизорах с фотоэлектронными системами сканирования изображение объекта проектируется на мишень передающей трубки; развертка изображения на элементы производится электронным лучом, управляемым электростатическим или магнитным полем. Эти тепловизоры позволяют наблюдать кратковременно протекающие процессы и быстро перемещающиеся объекты, однако их конструкция предусматривает использова-fiKe телевизионных передающих трубок, чувствительных в инфракрасной области cneiTpa, которые еще находятся в стадии разработки.

В большинстве случаев в тепловизорах Применяют телевизион и ую развертку: луч движется с постоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые при этом линии называются строками. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются однапод другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром. В теории телевизионной развертки используют следующие обозначения: tiz, Таг - время прямого и обратного хода при строчной развертке; Тг = tiz + Xgi - .период строчной развертки: Tj, - время прямого и обратного хода при кадровой развертке; Ху = tit/-{-tzy - период кадровой развертки; г - число строк в кадре; fy - частота кадровой развертки; /г = zfy - частота строчной развертки.

Для определения требуемой полосы пропускания Д/ усилителей необходимо знать верхнюю и нижнюю граничные частоты видеосигнала:

= -f. Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует неподвижному объекту, состоящему из двух деталей с различной интенсивностью-теплового излучения и горизонтальной границей раздела (рис. 7.11, а). В этом случае период повторения видеосигнала равен периоду кадровой развертки и f = fy.

Верхняя граничная частота определяется общим числом элементов в кадре:

N = i);z2,

где = fc/n - формат кадра (рис. 7. И, б).

При pasBeiDTKe изображения объекта в виде шахматной доски видеосигнал представляет серию прямоугольных импульсов, следующих с частотой

а

Щ

Рис. 7.11. Объекты наблюдения из. двух (а) и нескольких (б) деталей; с' различной яркостью и соответствующие им видеосигналы

Так как f, принимают Aff. Например, при мгновенном угле зрения оптической системы V = 5, углах обзора по вертикали = 6° и по горизонтали Тг = 12°, а также при частоте кадров

= Wh = 72; = V,/V=2; = 4]3z2ff,/2 = 2 722 . 15/2 78 кГц.

Ниже рассматриваются только тепловизоры с оптико-механическими системами сканирования, которые, несмотря на большую инерционность, обусловленную движениями крупных оптических элементов, имеют высокую чувствительность. В качестве приемников излучения в тепловизорах с оптико-механическими системами сканирования применяют фоторезисторы, порог чувствительности которых приближается к теоретическому значению.

В тепловизорах с одноэлементным приемником поверхность исследуемого объекта последовательно просматривают оптико-механическим сканирующим устройством, вследствие чего излучение от отдельных элементов теплоизлучающего объекта поочередно попадает на приемник. Усиленный выходной сигнал с приемника излучения модулирует луч кинескопа синхронно с разверткой, создавая на экране видимое изображение объекта.

Сканирование по полю обзора осуществляют следующими способами:

качанием плоского зеркала, расположенного перед объективом в параллельном илн расходящемся пучке лучей;

качанием плоского зеркала, расположенного в сходящемся пучке лучей между объективом и приемником излучения;

вращением оптических клиньев;

качанием плоского зеркала и вращением призмы, расположенной в сходящемся или параллельном пучке лучей.

Способ, Основанный на качании плоского зеркала, рае-положенного перед объективом в параллельном или расходящемся пучке лучей, не вносит аберраций, но приводит к большим размерам подвижного элемента и к жестким допускам на качество изготовления его отражающей поверхности. Если зеркало наклонено на значительный угол к оси объектива (чаще всего 45°), плохое качество поверхности вызывает астигматизм в изображении точки.

По схеме с качающимся зеркалом построена инфракрасная камера фирмы Барнес Инжиниринг (США). Большое плоское зеркало системы

каиирования (рис. 7.12) смонтировано перед зеркальным объективом на кардаиовом подвесе. При помощи кулачкового механизма оно вращается округ оси АА и оси, проходящей через точку В и перпендикулярной плос-жости чертежа, так, что осуществляется сканирование заданного поля зрения 10 X 20Р по телевизионной траектории. Синхронно со сканирующим зеркалом перемещается зеркало развертки изображения, проектирующее световой поток от неоновой лампы на фотопленку.

Тепловое излучение объекта фокусируется зеркальным объективом диаметром 200 мм-на приемник, сигнал с которого поступает в блок управления еоновой лампой. Выходной сигнал приемника, изменяясь в зависимости от

Рис. 7.12. Схема инфракрасной камеры фирмы Барнес Инжиниринг :

/ - пленка; 2 - фотокамера; 3 - неоновая лампа; 4 линза; 5 - зеркало развертки изображения; 6 - сканирующее зеркало; 7- входное окно; 8, 9 - зеркальный объектив; /О - модулятор; -приемник излучения; 12-двигатель привода модулятора; /3 - модулятор; 14-генератор серого тоиа; /5 - усилитель фототока

мощности излучения отдельных участков объекта, модулирует яркость излучения неоновой лампы и меняет освещенность пленки, на которой образуется черно-белое изображение стонами, соответствующими уровню излучения объекта.

Интенсивность излучения объекта можно определить, оценивая градацию тонов фотоизображения. Для этого в комплекте аппаратуры предусмотрен генератор серого тона, обеспечивающий воспроизведение на фотографии осьми тонов, от белого до черного. Градацию тонов полуЧают с помощью электрических сигналов, которые проходят через схему возбуждения модулятора неоновой лампы аналогично тому, как проходят сигналы с усилителя фототока. Для получения линейной зависимости между выходным сигналом приемника излучения и яркостью неоновой лампы, пропорциональной протекающему через нее току, используют усилитель постоянного тока с глубокой обратной связью.

Если на оси сканирующего зеркала установить датчики, напряжения которых (пропорциональные перемещениям зеркала относительно двух взаимно пе1шендпкулярных осей) подавать на отклоняющие пластины кинескопа, то луч кинескопа будет повторять движение оптической оси зеркала.