5. 2. Тепловизор.
Оптоэлектронным прибором для получения изображения в ИК – лучах является тепловизор. Этот прибор дает представление о распределении температуры по поверхности объекта. В отсутствие отраженного солнечного света доминирующим становится тепловое излучение тел. Высокого разрешения добиваются, применяя многоэлементные приемные матрицы размером 586´586 элементов. В тепловизорах обычно фиксируется не излучение, а разность сигнала между падающим на приемник и опорным сигналом, компенсирующим сигналом (той же частоты, фазы, формы). Амплитуда компенсирующего сигнала выбирается такой, чтобы результирующий сигнал на выходе предусилителя был равен нулю при фиксации прибора на заранее выбранной точке объекта. В 1980 г. в нашей стране был промышленностью изготовлен тепловизор «Рубин – 2» для измерения тепловых процессов энергетических установок, для контроля технологических процессов, для диагностики заболеваний. Для получения компенсирующего сигнала используется электронно-оптический опорный датчик с усилителем. Сигнал от него подается на синхронный детектор, в котором формируется компенсирующий сигнал. На выходе синхронного детектора, на который через усилитель поступает разность основного и компенсирующего сигналов, возникает напряжение, знак и амплитуда которого зависит от перепада температуры частей объекта относительно выбранной точки объекта. Этот сигнал далее усиливается. Параметры тепловизора «Рубин – 2»:
Пороговая чувствительность по температуре 0.1°С
Разрешающая способность 8¢
Диапазон расстояний 0.4 м - ¥
Диапазон температур 18 - 200°С
Питание 220 В, 50 Гц
Потребляемая мощность 200 Вт
Вес ~ 60 кг
В качестве приемника излучения использовался фоторезистор из антитимонида индия, охлаждаемый до температуры жидкого азота. Частота модуляции лучистого потока составляла 1360 Гц.
В тепловизоре с фотоприёмным устройством (ФПУ), имеющим один малоразмерный чувствительный элемент, развертка изображения должна вестись по двум координатам аналогично строчной и кадровой разверткам обычного телевизора. Существует много конструкций двухкоординатных сканеров с использованием вращающихся зеркал, зеркальных призм и клиньев, но все они сложны и дороги. Тепловизоры с одним фоточувствительным элементом в ФПУ не достигают той чувствительности, которая необходима для многих применений. Это легко понять, если вспомнить, что время кадра 1/25 секунды определяется свойствами человеческого глаза и не может быть уменьшено без ущерба для качества изображения. За 1/25 секунды нужно осмотреть все элементы разложения изображения. Поэтому сигналы от каждого элемента получаются очень короткими и для их усиления и обработки в электронном тракте нужна широкая полоса частот. При этом значительно растут шумы и снижается отношение сигнал/шум.
Следующим этапом развития тепловизионных приборов является использование ФПУ с многоэлементными линейками чувствительных элементов. В этом случае отпадает необходимость сканирования по двум координатам. Время сканирования вдоль линейки может быть сделано равным времени кадра. В этом случае возникают новые трудности, связанные с неоднородностью параметров фоточувствительных элементов линейки. Кадр приобретает полосатую структуру. В случае параллельного сканирования при появлении дефекта хотя бы в одном из элементов линейки появляется черная строка. Поэтому лучше возвратиться к сканированию по двум координатам, применяется последовательное сканирование с режимом временной задержки и накопления сигнала. Элементы изображения пробегают при сканировании вдоль линейки и создают сигналы, которые затем складываются на конденсоре, и общий сигнал поступает в усилитель. Сигнал последнего элемента поступает без задержки, а сигнал первого – с наибольшей задержкой. При N элементах линейки сигнал растёт в N раз, а шум – в ÖN раз, так как случайные процессы складываются по правилу сложения квадратов. Если в линейке имеется один дефектный элемент, то сигнал несколько снизится, но изображение ухудшится незначительно. Принцип последовательного сканирования с временной задержкой и накоплением сигнала схематично представлен на рис. 31.
Рис. 31. Схема последовательного сканирования с задержкой и
накоплением сигналов:1-линейка фотоэлементов, 2-предусилители,
3-линии задержки, 4-накопитель сигнала, 5-усилитель видеосигнала.