21. №16. Электромагнитные локационные системы. Принцип действия магнитных и вихретоковых эмлс. Электромагнитные локационные системы специального назначения.

№17.Акустические локационные системы. Датчики и системы акустической локации. Акустические локационные системы специального назначения.

№ 18. Оптические локационные системы (класс локации). Характеристики оптических и лазерных ЛС. Применение в мехатронике и РТС

19. Стз. Датчики изображения, телекамеры. Базовые алгоритмы обработки изображения

6.3. Датчики изображения

6.3.1. Общие сведения

В настоящее время промышленно выпускают датчики изображения для самых разных целей (производственных, медицинских, военных и др.). Независимо от назначения и принципа действия все они содержат оптоэлектронный преобразователь, служащий для преобразования сфокусированного оптического изображения в электрический видеосигнал. Это изображение формируется в ЧЭ преобразователя, который изменяет свое состояние под действием излучения объекта. Если излучение лежит в диапазоне длин волн λ = 0,38...0,78 мкм (видимый свет), датчик относится к классу видеокамер, если в диапазоне 0,78... 1000 мкм — к классу телевизионных инфракрасных камер. Большинство материалов непрозрачны в этих диапазонах спектра, однако пропускают СВЧ излучение. Данную особенность используют при разработке преобразователей, функционирующих в диапазоне длин волн 2 мкм ... 100 мм. Так, для тепловизоров характерно применение излучения среднего инфракрасного диапазона (λ = 2... 10 мкм), для которого многие материалы слабопрозрачны. Это позволяет исследовать тепловое излучение объектов как живой, так и неживой природы. Системы глубокого проникания, работающие в диапазоне СВЧ (λ = 1...100 мм), позволяют непосредственно изучать тепловой режим органов тела. Изменением рабочего диапазона длин волн можно регулировать глубину зондирования от 1...2 мм при λ = 1 мм до 200...300 мм при λ= 100 мм. При дальнейшем увеличении длины волны разрешающая способность системы падает.

Датчики изображения подразделяют по трем основным признакам:

1. по размерности — точечные (фотоэлементы), одномерные (линейки) и двумерные (матрицы);

2. по способу преобразования светового сигнала — вакуумные (видиконы, диссекторы и др.) и твердотельные (датчики на основе приборов с заря­довой связью и фотодиодов);

3. по рабочему диапазону длин волн — датчики, работающие в диапазоне видимых волн, инфракрасные (в том числе тепловые) и специальные.

Датчик изображения состоит из большого числа связанных между собой оптических преобразователей, образующих чувствительную поверхность, на которую проецируется изображение предмета. Каждый преобразователь, называемый элементом разложения, или пикселем, формирует сигнал, пропорциональный яркости спроецированной на него части предмета. Размер пикселя зависит от принципа преобразования, материала чувствительной поверхности и др. Получение информации с каждого элемента разложения осуществляется в соответствии с некоторым выбранным порядком, назы ваемым разверткой изображения. Различают последовательную (анализируются сигналы с пикселей, расположенных на одной строке), параллельную (сигналы снимаются со всех строк разложения) и специальную развертки. Совокупность всех строк разложения образует кадр.

Основными характеристиками датчиков изображения являются:

• разрешающая способность (апертурная характеристика);

• чувствительность;

• спектральная характеристика.

Разрешающая способность (разрешение) характеризует свойство датчика изображения {телекамеры) к воспроизведению мелких деталей. Она показывает, насколько четким получается изображение объекта, и зависит от числа строк разложения и типа телекамеры. Различают два вида разрешения: разрешение по вертикали и разрешение по горизонтали. Разрешение по вертикали r_в определяется числом горизонтальных полос — телевизионных линий, которое можно зафиксировать телекамерой и воспроизвести на экра­не монитора. Теоретически максимальное значение г_втах ограничивается числом строк разложения. На самом деле значение r_в несколько меньше и на практике для его вычисления используют поправочный коэффициент Келла, равный 0,7. Поэтому, например, в системе РАL r_в не превышает 400 твл. Разрешение по горизонтали r_г определяется числом вертикальных полос, которое можно зафиксировать телекамерой и воспроизвести на экране монитора. Учитывая, что в телевизионном стандарте формат кадра К = = 4/3, обычно r_г < 530 твл. Именно это значение и указывают в качестве разрешающей способности r.

Спектральная характеристика телекамеры зависит от материала ЧЭ ее оптоэлектронного преобразователя. Промышленно выпускают телекамеры, работающие в диапазоне видимого света, ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах.

Рассмотрение принципов построения телекамер начнем с передающих вакуумных электронно-лучевых приборов (ЭЛП), отличительной особенностью которых является использование сфокусированного в электронный луч потока электронов, взаимодействующего с мишенью (фотокатодом) из светочувствительного материала, на которую проецируется изображение рабочей сцены. Электронный луч формируется электронным прожектором, а его движение регулируется с помощью фокусирующе-отклоняющей системы, реализующей развертку луча по поверхности мишени. В зависимости от способа съема сигнала различают два основных типа: без накопления заряда (диссекторы) и с накоплением заряда (суперортиконы и видиконы).

Диссектор обладает наивысшими среди всех передающих ЭЛП чувствительностью и быстродействием. В так называемом режиме счета электронов возможна регистрация оптических сигналов от объектов, освещенность которых не превышает 10^-7 лк (1 лк приблизительно соответствует освещенности от свечи, находящейся на расстоянии 1 м от приемника излучения). Принцип действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. Благодаря отсутствию накопления электрического заряда на фотокатоде, а следовательно, смазывания изображения движущихся объектов, диссектор называют еще трубкой мгновенного действия. Кроме того, его достоинством является возможность формирования различных траекторий развертки. К недостаткам диссектора можно отнести его сравнительно большие габаритные размеры.

Суперортикон представляет собой высокочувствительный передающий ЭЛП с несколькими каскадами усиления, работающий по принципу накоп­ления зарядов. Изображение переносится с фотокатода на двустороннюю мишень, считывается с нее и усиливается фотоэлектронным умножителем.

К оэффициент усиления суперортикона достигает 10⁴ , что обеспечивает отношение сигнал/шум около 100 дБ при освещенности фотокатода 0,1 лк. Суперортиконы, как и диссекторы, способны работать практически в полной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размерами, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким диапазоном изменения освещенности. В настоящее время суперортиконы используют во многих телевизионных системах.

С амый распространенный вакуумный датчик изображения — видикон представляет собой малогабаритный передающий ЭЛП с накоплением заряда, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте. Сейчас выпускают видиконы нескольких типов, отличающиеся характеристиками мишени, системой фокусировки и отклонения луча и др. Более подробно эти датчики будут рассмотрены в 6.3.2.

В табл. 6.3 приведены типовые значения параметров вакуумных датчиков изображения.

Другим направлением в разработке датчиков изображения является использование матриц светочувствительных элементов. Разрешающая способность таких датчиков определяется размером светочувствительного элемента и шагом н> матрицы (расстоянием между отдельными элементами). Датчики изображения этого типа, называемые твердотельными телекамерами, разделяют на два основных класса:

• телекамеры с матрицами на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС);

• телекамеры с матрицами из фотоэлементов (фотодиодов, фототранзисторов или фоторезисторов).

Основные параметры матриц приведены в табл. 6.4.