автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Способы совершенствования тепловизионных систем на основе пировидикона

На правах рукописи

Сильвестров Алексей Львович

СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПИРОВИДИКОНА

05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2003

Работа выполнена на кафедре Электронных приборов Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Бодров Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кощавцев Николай Федорович; кандидат технических наук, Сидельников Сергей Спартакович.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Московское конструкторское бюро «Электрон».

Зашита диссертации состоится 21 ноября 2003г. в ^ часов в аудитории Е-603 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « »_2003г.

Ученый секретарь ^ ^

диссертационного совета ' ¡-'У^^-.! ! Буре И.Г.

■ ' с/ ь

Уоозг-Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные системы тепловидения находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Разработка конкурентоспособного неохлаждаемого тепловизора, является одной из важнейших задач, стоящих перед отечественными разработчиками тепловизионной аппаратуры.

Несмотря на значительные достижения в области разработки твердотельных приемников инфракрасного (ИК) излучения, пироэлектрические видиконы (ПЭВ) в настоящее время остаются одними из наиболее доступных отечественных ИК-датчиков, на основе которых возможно создание современных тепловизоров широкого применения, пригодных для решения задач диагностики и визуализации тепловых полей в дальнем ИК-диапазоне (8.. 14 мкм).

Дня улучшения характеристик пировидиконных тепловизоров, необходимо найти пути повышения отношения сигнал/шум на выходе пировидикона, а также найти способы обеспечения более равномерной чувствительности мишени ПЭВ. Публикации, как в нашей стране, так и за рубежом, свидетельствуют о том, что вопрос об оптимальном режиме работы ПЭВ до настоящего времени остается открытым. Анализ литературы и патентных источников информации, посвященных вопросам оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров, свидетельствует о многочисленных исследованиях, проводимых в этом направлении, что подтверждает актуальность данной проблемы.

Основнбй отличительной особенностью ПЭВ, по сравнению с обычными види-конами, является необходимость периодического формирования на его диэлектрической мишени так называемого заряда пьедестала. Положительный заряд пьедестала в цикле работы мишени должен периодически компенсировать отрицательный заряд, который осаждается на мишень ПЭВ в процессе считывания сигнала. Основные проблемы, стоящие перед разработчиками, обусловлены необходимостью выбора и сочетания оптимальных режимов считывания информации с мишени ПЭВ и режимов формирования на поверхности мишени равномерного заряда пьедестала

Различными авторами были предложены способы считывания сигнала и режимы формирования пьедестала на мишени ПЭВ, которые, по их мнению, в той или иной мере решают указанные проблемы. Однако, все эти способы применялись либо к конкретному пировидиконному тепловизору, либо были проанализированы лишь качественно. До настоящего времени не сообщалось о проведении систематизированного экспериментального сравнения различных режимов работы ПЭВ. Одной из причин этого была и остается сложность корректного сравнения данных, полученных для разных типов ПЭВ в разных пиротепловизорах, а также трудности изменения режимов работы ПЭВ в рамках одного и того же прибора. Сравнение режимов работы ПЭВ затрудняется, также, отсутствием перестраиваемых средств визуализации получаемого изображения, способных воспринимать различные форматы входного сигнала.

С появлением современной цифровой элементной базы появилась возможность разработки и создания перестраиваемого прибора, позволяющего изменять режимы работы ПЭВ, и, как следствие, воздействовать на его рабочие параметры, за счет изменения и регулировок режимов работы отдельных функциональных модулей, входящих в состав пиротепловизора. Параметрами, которые определяют качество сигнала ПЭВ, и требуют оптимизационных воздействий, являются: время накопления сигнального заряда на мишени, параметры формата разложения, тип развертки, уровень собственных шумов, возникающих при формировании пьедестала; параметры модуляции входного потока излучения, температура мишени.

Цель работы состоит в поиске путей совершенствования и построения пирови-диконных тепловизоров, которые позволят понизить уровень собственных шумов пировидикона, повысить отношение сигнал/шум и расширить динамический диапазон пировидиконов.

Задачи работы. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать существующие способы считывания сигнала и формирования пьедестала в ПЭВ и обосновать выбор представляющих практический интерес перспективных режимов работы;

• разработать математическую модель, адекватно описывающую физические процессы, происходящие на пироэлектрических мишенях. На основе этой модели провести исследования режимов работы ПЭВ, совместимых с телевизионным стандартом;

• разработать и осуществить реализацию экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющего проводить практическое сопоставление режимов работы ПЭВ;

• разработать принцип построения, схему, алгоритм и программу работы системы управления многорежимным пировидиконным тепловизором;

• разработать и создать специализированные функциональные модули (цифровой программируемый модуль управления; программируемый модуль генерации опорного сигнала для отклоняющей системы ПЭВ; модуль усиления для отклоняющей системы ПЭВ; модуль управления ПЭВ; модуль формирования видеосигнала) для экспериментального макета;

• реализовать на основе созданного экспериментального макета режимы работы ПЭВ, представляющие практический интерес;

• исследовать реализованные режимы работы, провести их сравнительный анализ и сопоставить полученные результаты с данными компьютерного моделирования

• дать рекомендации и предложить направления и способы совершенствования пировидиконных тепловизоров

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, методы теории электронно-лучевых приборов, методы математического

■ . ^

анализа, элементы теории аналоговой, цифровой и вычислительной техники.

Научную новизну проведенных в работе исследований определяют следующие основные результаты:

• предложен и запатентован новый режим работы пировидикона, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе этого прибора;

• разработана математическая модель работы пироэлектрической мишени, позволяющая проводить сопоставление режимов работы ПЭВ и прогнозировать их характеристики;

• предложена методика сравнительной оценки режимов работы ПЭВ, показавшая свою эффективность в практических исследованиях;

• создан экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, который позволил провести корректное экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ;

• получено экспериментальное подтверждение улучшения пороговых характеристик и повышения отношения сигнал/шум в пировидиконном тепловизоре при использовании предложенного режима работы пировидикона.

Практическая ценность работы заключается в получении результатов, которые указывают пути разработки современных конкурентоспособных пировидиконных тепловизоров. В ходе работы получены следующие практические результаты:

• Создана модель работы мишени пировидикона для сравнительной и прогностической оценки различных режимов работы ПЭВ.

• Созданы специализированные программируемые устройства, обеспечившие создание макета многорежимного пировидиконного тепловизора. Разработаны и реализованы на практике алгоритмы работы этих устройств.

• Разработан экспериментальный макет многорежимного тепловизора на основе пировидикона, позволяющий исследовать режимы работы пировидиконных тепловизоров.

• Получены экспериментальные результаты, подтвердившие предположение, что использование нетрадиционных режимов работы ПЭВ позволяет оказывать существенное положительное влияние на его характеристики.

• Созданный макет показывает одно из направлений создания ниротепловизоров нового поколения. Макет может быть положен в основу экспериментальных установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Предложен и реализован на практике новый режим работы пировидикона, позволяющий увеличить пороговую чувствительность и отношение сигнал/шум на его выходе без внесения технологических и конструктивных доработок.

2. Разработана математическая модель цикла работы пировидикона, позволяющая прогнозировать тенденции изменения характеристик и параметров пировидикон-ных тепловизоров при изменении режимов работы пировидикона

3. Результаты исследований, которые показывают, что при использовании нетрадиционных режимов работы пировидикона достигается существенное улучшение его характеристик.

Апробация работы. О результатах работы делались сообщения на следующих научно-технических конференциях:

1. Ежегодная научно-техническая конференция студентов и аспирантов вузов России «Радиотехника и электроника в народном хозяйстве», Москва, 1998.

2. Шестая международная научно-техническая конференция, студентов и аспирантов: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2000.

3. Семинар «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования, зданий и сооружений на основе приема излучений в инфракрасном спектре», Санкт-Петербург, 2002.

4. Одиннадцатая всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2003.

Публикации. По материалам диссертации получен патент РФ, опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 239 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников та 73 наименований и двух приложений. Основное содержание изложено на 158 страницах машинописного текста, включая 39 рисунков и 22 таблицы. Приложения включают 33 рисунка и одну таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе рассматриваются проблемы создания и перспективы развития неохлаждаемых тепловизионных систем на основе пироэлектрических видиконов. Проводится обзор существующих тепловизионных систем, построенных на основе неохлаждаемых приемников ИК-излучения. Отмечается, что основными проблемами, возникающими при попытках получить качественное тепловое изображение с использованием пироэлектрических мишеней, являются: проблема обеспечения эффективного считывания информации и проблема формирования на поверхности мишени однородного заряда пьедестала при подготовке мишени ПЭВ к очередному циклу работы. Показано, что одним из путей воздействия на эффективность считывания информации является изменение режима развертки (формата разложения) в ПЭВ. В результате

рассмотрения ПЭВ в качестве входного датчика обобщенной тепловизионной системы сделан вывод, что возможными путями адаптации технических характеристик ПЭВ к изменяющимся информационным характеристикам источников сообщений являются повышение эффективности считывания сигнала, уменьшение собственных шумов ПЭВ и, как следствие, расширение его динамического диапазона. Эти задачи могут решаться как путем изменения режима формирования пьедестала в ПЭВ, при сохранении формата разложения изображения, так и путем изменения времени накопления и считывания сигнального заряда, за счет изменения скорости развертки (формата разложения). Все отмеченные пути поиска оптимальных параметров ПЭВ предполагают изменения режима его работы.

Вторая глава посвящена анализу режимов работы, методов считывания сигнала и формирования пьедестала в ПЭВ, совместимых с телевизионным стандартом. Проводится сравнительный анализ методов работы ПЭВ, условий их практической реализации, и определяется направление исследований. Для практического сопоставления выбрано три режима работы ПЭВ. Наиболее распространенный «телевизионный» режим работы ПЭВ в дальнейшем обозначается как Режим 1. Метод выравнивания пьедестала (Singer В., Steneck W., Stupp Е., Kurczewski R., "Suppression of pedestal noise in a pyroelectric vidicon", - IEEE Trans, on Electron. Devices, - 1980, vol. ED-27, № 1, pp. 193-199) обозначается как Режим 2. Предложенный автором режим работы ПЭВ [3] в дальнейшем обозначен как Режим 3. Основные отличия этих режимов заключаются в использовании разных способов формирования пьедестала, которые реализуются комбинациями изменения тока луча, а также изменения формы строчной развертки. Определяются основные технические требования, которым должен отвечать экспериментальный макет для проведения исследований в рамках выбранного направления.

Третья глава посвящена разработке математической модели и компьютерному моделированию цикла работы мишени ПЭВ. Проводится анализ существующих математических моделей работы пиротепловизоров. Отмечается, что существующие модели не рассматривают динамику взаимодействия электронного луча с мишенью ПЭВ. В то же время, оптимизация процессов считывания сигнала и формирования пьедестала на мишени ПЭВ является определяющей задачей, которую необходимо решать разработчикам для улучшения качества получаемого изображения.

Модель. Целью моделирования является количественное сопоставление различных режимов работы ПЭВ, оценка перспективности и целесообразности их практической реализации. Модель основана на матричном представлении полей сигналов и предполагает отсутствие градиента потока теплового излучения на входе ПЭВ (внешний поток теплового излучения постоянен во времени и равномерно распределен по поверхности мишени, или отсутствует)

Распределение плотности тока по сечению электронного луча принималось гауссо-

вым: j(r) - ——------, где j(r) - плотность тока луча, ib — полный ток луча, г

л -г. ехр(г/г,)

- текущий радиус и /^-эффективный радиус луча. Принималось, что при считывании сигнала радиус луча rh такой, что 2-rb~h, где //-высота строки растра, а соотношение эффективного и полного радиуса в луче: 2 ге=гь.

Мишень в модели имеет вид массива элементов (пикселей), в форме квадратов с длиной стороны, равной г4_. Для упрощения модели круглая форма сечения электронного луча заменялась квадратной формой. Луч рассматривался как ряд элементов, образующих квадратное окно - «матрицу луча», элементы которой имеют постоянную плотность тока по своей площади. Плотность тока в разных частях сечения луча вычислялась с использованием соотношений:

/ 1 ''

jc=~T =-тЫГУТЖ*, (1)

Sc x-ri g

i 1 ^ j per 2 2 ¡j (r) -2 m--dr,

(2)

где ¡с и ¡ре, - полный ток луча в центральной части и на его периферии соответственно, и Б,*, ~ площадь, перекрываемая центральной и периферийной частью луча. На этапе считывания сигнала соотношения (1) и (2) для всех рассматриваемых режимов (Режимы 1, 2 и 3) были одинаковыми. Для расчетов на этапе формирования пьедестала в формулы (1) и (2) вносились изменения, обусловленные изменением тока, и, как следствие, изменением размеров сечения электронного луча в каждом из режимов.

Модель имитирует растровое движение электронного луча по мишени. Последовательно вычисляется свертка «матрицы луча» со значениями потенциалов элементов, над которыми она проходит. Предполагается, что в период формирования пьедестала центр луча движется по тем же элементам, что и в период считывания.

Изменение размеров сечения электронного луча. Условие электронейтральности для отдельно взятой строки мишени в цикле работы ПЭВ определяется равенством отрицательного заряда, осаждающегося на мишень в процессе считывания, и положительного заряда пьедестала, формируемого на ней в период подготовки к очередному циклу работы:

'г^г='ргГ<0-1)-Трг, (3)

где /г-среднее значение тока мишени в процессе считывания сигнала (ток пьедестала); среднее значение тока луча в период формирования пьедесгада; /— коэффициент прозрачности сетки; а- коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭ); гг- время считывания сигнала (прямой ход луча); трг- время формирования пьедестала (обратный ход).

Можно видеть, что при типичных значениях длительности прямого и обратного хода, определяемых телевизионным стандартом, и типичных значениях КВЭ для мишеней ПЭВ, средний ток луча при формировании пьедестала должен превышать ток мишени при считывании приблизительно на порядок. Однако, с учетом реального коэффициента прозрачности сетки и неполного использования времени обратного хода строчной развертки для внесения компенсирующего заряда, ток луча в период формирования пьедестала должен превосходить ток луча при считывании сигнала примерно в 1.5-2 раза. При увеличении тока и неизменных условиях фокусировки луча, его сечение возрастает за счет расталкивающего влияния объемного заряда и тепловых скоростей электронов. В диапазоне ускоряющих напряжений, применяемых в ПЭВ, при одновременном учете влияния объемного заряда и разброса электронов по тепловым скоростям, увеличение тока в 2 раза приводит к росту сечения луча приблизительно в 1.5 раза.

Следует также учесть, что в период формирования пьедестала ПЭВ работает в режиме «быстрых» электронов, и для луча изменяются условия фокусировки и отклонения. Уменьшение размеров растра при увеличении ускоряющего напряжения на 7090 В, что имеет место при переводе ПЭВ в режим «быстрых» электронов, составляет порядка 15-20 %. Это эквивалентно (при сохранении размера массива расчета) увеличению сечения луча в плоскости мишени на такую же величину. Дня расчетов было принято, что без учета изменения сечения луча за счет увеличения тока луча (при переходе ПЭВ в режим «быстрых» электронов), увеличение сечения вследствие изменения условий фокусировки составляет 20%, по сравнению с периодом считывания.

При моделировании периода считывания сигнала матрица луча имела одинаковые размеры (3x3 элемента) для всех режимов. При выборе размеров матриц луча для периода формирования пьедестала учитывались одновременно оба указанных фактора, воздействующих на размер сечения луча. При этом матрицы луча увеличивались до размеров 7x7,9x9 и 5x5 элементов для Режимов 1,2 и 3, соответственно.

Флуктуашш коэффициента вторичной эмиссии. Непостоянство КВЭ является одной из главных причин возникновения шума в сигнале ПЭВ. Пространственные флуктуации КВЭ при считывании электронным лучом преобразуются во временные флуктуации сигнала. С помощью модели было исследовано влияние случайных изменений КВЭ отдельных участков мишени ПЭВ на процесс формирования пьедестала, и, как следствие, на флуктуации потенциального рельефа мишени. При этом предполагалось, что собственные шумы электронного луча пренебрежимо малы, а флуктуации плотности тока вторичной эмиссии обусловлены случайными изменениями КВЭ участков поверхности мишени. Коммутация высокоомной мишени электронным лучом сопровождается протеканием ряда физических процессов, которые одновременно оказывают влияние на КВЭ. Это, например, изменение сопротивления луча, влияние приповерхностных полей мишени на распределение вторичных электронов по ее поверхности, влияние переднего края сечения движущегося электронного луча и т п.

Влияние каждого из этих факторов в фиксированный момент времени можно считать случайным, поэтому их результирующее воздействие моделировалось, как случайное изменение КВЭ вблизи некоторой заданной средней величины, которая, в свою очередь, задается с учетом известных вторично-эмиссионных характеристик мишени. В модели учитывался разброс текущего значения КВЭ относительно среднего значения по элементам мишени. Отдельные акты эмиссии вторичных электронов под общим действием упомянутых факторов мы считали независимыми и подчиняющимися нормальному закону распределения.

Расчет изменения потенииала элементов мишени. Изменение потенциала мишени в процессе считывания вычислялось как:

ДК=-, (4)

С„ ■ ¿г • г2 (1 + ехр(- —*-))

где}ь~ плотность тока электронного луча; - время воздействия луча на элемент мишени; Д5 - площадь элемента мишени; Се1 - емкость элемента мишени; г — радиус луча; V, - начальный потенциал элемента мишени, до воздействия на него электронным лучом; У0 — характеристический параметр вольтамперной характеристики мишени.

Режим «медленных» электронов. При считывании ПЭВ работает в режиме «медленных» электронов, на мишень осаждается отрицательный заряд, и потенциал элемента уменьшается:

Уе1=У,-АУ. (5)

Здесь Л V определяется по (4) при подстановке}ь~]г, , где/г - плотность тока луча, а 1Г - время воздействия луча на элемент мишени при считывании сигнала. Плотность тока уг вычисляется с помощью (1) или (2) для центральной и периферийной частей луча, соответственно.

Режим «быстрых» электронов. Когда ПЭВ переводится в режим «быстрых» электронов, на мишени формируется положительный заряд пьедестала, и потенциал элемента увеличивается:

Уе1 = V, + АУ = V, + 7рг рг--у-, (6)

С„ ■ я" • г 2 (1 + ехр(- —)) ко

гДе ]рг - ток луча, а /,„. - время воздействия луча на элемент мишени на этапе формирования пьедестала.

Вследствие того, что выражение (4) справедливо для области ВАХ мишени, соответствующей режиму «медленных» электронов, в выражении (6) можно пренебречь экспоненциальным множителем, и считать, что изменение формируемого в режиме «быстрых» электронов заряда и, соответственно, потенциала, не зависит от текущего

потенциала мишени. Такой подход справедлив для Режима 1, для которого, изменение потенциала мишени на этом этапе рассчитывалось как:

^ ЛГ/ Г/ -V 'V -ДЯ-Сс-!)

У л = К + = К -г--(7)

СеГЛ'Г2

Для Режима 2 процесс формирования положительного заряда пьедестала рассчитывался по формуле (7). В фазе выравнивания пьедестала для этого режима расчеты проводились по формуле (5), поскольку в фазе выравнивания ПЭВ работает в режиме «медленных» электронов.

В Режиме 3, процесс взаимодействия электронного луча с мишенью на этапе формирования пьедестала распадается на три фазы. Изменение потенциала во время первой и второй из этих фаз рассчитывалось по формуле (7). С целью учета реально протекающих физических процессов, при моделировании третьей фазы формирования пьедестала использовалось выражение (б).

В формулах (6) и (7) коэффициент вторичной эмиссии стдля каждого элемента мишени в процессе расчета изменялся в соответствии с нормальным распределением относительно заданного среднего значения случайным образом. Диапазон изменения среднего значения КВЭ составлял от 1.2 до 1.6.

Условием окончания расчета принималась заданная разность между средними значениями потенциала в свободной от краевых эффектов рабочей зоне мишени в текущем и предыдущем рассчитанном поле потенциалов.

Результаты моделирования. В качестве критериев для сравнения эффективности различных режимов были использованы ширина гистограммы распределения потенциалов элементов по мишени О и разность средних потенциалов мишени на соседних строках Л. Ширина гистограммы В характеризует разброс значений потенциалов по мишени. Чем уже гистограмма (чем меньше £>), тем меньше разброс потенциалов и ниже геометрический шум ПЭВ. Величина разности средних потенциалов соседних строк мишени Л характеризует взаимное влияние элементов соседних строк на процесс формирования пьедестала. Чем меньше эта разность, тем равномернее пьедестал.

Моделирование проводилось для нескольких вариантов каждого из Режимов 1,2 и 3. Варианты отличались типом растра (чересстрочная или прогрессивная развертка) и степенью перекрытия текущей строкой соседних строк. В процессе эксплуатации видиконов часто имеет место сильное взаимное перекрытие соседних строк, поэтому результаты расчета, моделирующего чересстрочный растр с сильным перекрытием соседних строк (ЧРСП) представляли наибольший интерес. На рис.1 показан пример бокового вида поля потенциалов, полученного в результате моделирования растра такого типа в Режиме 1, а на рис.2 соответствующая гистограмма распределения потенциалов элементов по мишени.

Сравнение результатов моделирования проводилось по характерным вариантам расчета. Эти варианты имеют одинаковые расчетные параметры, кроме токов фор-

мирования пьедестала, которые, в отличие от тока считывания, варьируются для разных режимов работы. Однако, использованные для сопоставления характерные варианты разных режимов эквивалентны с позиций формирования на мишени ПЭВ одинаковой (во всех режимах) величины заряда пьедестала. Отличия же режимов лежат в способе формирования пьедестала, и этот способ оказывает решающее влияние на получаемые результаты.

о » то и

Ц.1

Рис.1 Боковой вид поля потенциалов мишени. Моделирование чересстрочной развертки с сильным перекрытием соседних строк. (М - номер столбца в массиве элементов, и, - потенциал мишени).

N [ООО

500

о

Рис.2. Гистограмма распределения потенциалов элементов по мишени ПЭВ (Ы - количество элементов)

Ниже приведен фрагмент таблицы результатов, в котором приведены данные "

расчетов характерных вариантов для ЧРСП. В столбцах Б указана ширина гистограммы (неравномерность пьедестала, в вольтах), в столбцах А разность (в <

. вольтах) между средними потенциалами соседних строк.

Режим 1 Режим 2 Режим 3

о, в А,В Д,В О,В Д,В

0 21 0.01 0.04 0.002 0.013 0 004

Результаты показывают, что по сравнению с традиционно используемым Режимом 1, Режимы2иЗ характеризуются существенно лучшими показателями - более равномерным формированием пьедестала (Л) и меньшим разбросом потенциалов (/)),

п-1-г

Режим 1

1рГ= 1.8 мкА, о=1.4 У0=0.25 В

что дает основания ожидать улучшение равномерности пьедестала в получаемом сигнале при использовании этих режимов.

Спектральный анализ флуктуации потенииала мишени Для оценочного сопоставления результатов моделирования с шумовыми характеристиками сигналов реального ПЭВ, был проведен спектральный анализ рассчитанной реализации флуктуаций потенциала мишени. Для этого рассчитанные пространственные поля потенциалов (для ЧРС1Т) были преобразованы во временную последовательность строк. Полученные реализации флуктуаций потенциала были подвергнуты преобразованию Фурье. Анализ показал, что для всех рассмотренных режимов спектр не убывает во всем исследованном диапазоне частот и колеблется около некоторого л среднего значения, наподобие спектра «белого» шума. Как известно, сумма квадратов

модулей составляющих шумового спектра дает величину мощности шума, которая численно характеризует случайный процесс. Результаты вычисления этих сумм для I различных режимов приведены в Таблице 3 (строка 4). Подобный подход позволил

провести количественное сравнение моделируемых режимов.

На основе анализа результатов моделирования можно ожидать примерно трехкратное уменьшение шума при переходе от традиционного «телевизионного» Режима 1 к нетрадиционным Режимам 2 и 3. По результатам моделирования эти режимы имеют лучшие качественные показатели (более равномерный пьедестал и меньший шум пьедестала). Можно также предположить, что предложенный в ходе работы Режим 3 будет характеризоваться лучшими показателями, чем известные ранее режимы работы ПЭВ.

Четвертая глава посвящена анализу экспериментальных результатов и их сопоставлению с результатами моделирования. Для проведения экспериментального сопоставления режимов работы ПЭВ, а также проверки возможности практического использования разработанной компьютерной модели, был создан экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора.

Сопоставление экспериментальных данных проводилось путем оценки следующих параметров: отношения сигнал/шум и величины шумового сигнала; пороговой разности температур; степени неравномерности распределения потенциала ' пьедестала по поверхности мишени ПЭВ.

Экспериментальная установка Схема установки приведена на рис.3. Для получения нормированных значений температуры объекта измерений использовалось абсолютно черное тело (АЧТ). Оптический сигнал от АЧТ через объектив поступал на входное окно ПЭВ, входящего в состав экспериментального макета (ЭМ). С сигнальной пластины ПЭВ электрический сигнал поступал на вход предварительного усилителя (ПУ). С выхода ПУ сигнал передавался на модуль формирования видеосигнала ЭМ, и на входы осциллографов. Для визуализации осциллограмм различных реализованных режимов, и записи полученных данных в компьютер (ПК), использовался цифровой компьютерный осциллограф. Визу-

альный контроль работы ЭМ осуществлялся при помощи видеоконтрольного устройства (ВКУ) и осцшшографаСЫ 14.

В процессе измерений использовался переходной режим работы ПЭВ, который обеспечивался модуляцией входного оптического сигнала механической шторкой Ш. В экспериментах использовались пировидиконытита ЛИ-492-3.

Ш

АЧТ

О

А

и П

Ü

11 ч i

■ ^ W4"

-ПУ

m ci-114

FQ PCS500

ВКУ

f.PT ПК

Рис.3. Схема экспериментальной установки

Оиенка шума Оценка шума проводилась путем определения ширины шумовой «дорожки» на экране ЭЛТ осциллографа. Проведенные измерения, дали значения ширины шумовой «дорожки» сигнала ПЭВ на выходе предварительного усилителя (ПУ), которые приведены в Таблице 3 (строка 5).

Оценка собственного шума ПУ проводилась в процессе работы ЭМ без подачи на вход ПУ сигнала пировидикона. Для всех исследуемых режимов в рабочей области мишени поддерживалось одна и та же величина потенциала пьедестала 0.1 В (по сигналу ПУ), которая, с учетом, известных свойств ПУ, соответствовала току пьедестала порядка 80 нА. Под рабочей областью мишени принималась ее центральная часть. Принимая во внимание то, что свойства ПУ в процессе измерений для разных режимов работы остаются неизменными, можно предположить, что вклад самого ПУ в шумовое напряжение для разных режимов работы одинаков, и можно сравнивать относительные величины шумовых напряжений, которые будут характеризовать шумовые свойства ПЭВ в разных режимах его работы.

Сопоставление результатов измерений показывает, что шумовое напряжение пьедестала в Режимах 2 и 3 на 45 % меньше, чем в Режиме 1 (если принять за 100 % шум пировидикона при Режиме 1). Таким образом, использование ПЭВ в Режимах 2 или 3 позволяет уменьшить шум пьедестала в ПЭВ, получить более высокое отношение сигнал/шум, а значит и более качественное изображение.

Оиенка пороговой разности температур и отношения сигнал/шум. Методика оценки пороговой разности температур (ПРТ) заключалась в измерении разницы выходных сигналов ПЭВ, полученных для двух нормированных значений температуры

АЧТ, и шумовых сигналов ПЭВ, которые измерялись при отсутствии входных оптических сигналов. Для измерений использовался видеосигнал, снимаемый с выхода ПУ.

По величине перепада сигнала С/;, при воздействии АЧТ, находящегося при некоторой температуре Т,, и перепада сигнала \]2, при воздействии АЧТ, находящегося при температуре Т2, можно вычислить приращение сигнала А11= /(У, - и, /, которому соответствует перепад температур ЛТ= 1Т2-Т1 /.

Оценка шума, как и ранее, проводилась по шумовой «дорожке» на экране ЭЛТ осциллографа. Известно, что оценка величины о; т.е. среднеквадратичного (нормального) отклонения возможна по удвоенному значению максимальных шумовых выбросов. При нормальном законе распределения выброс шума не превышает значения 3-а

Среднеквадратичное значение шумового напряжения £/' , и пороговое значение сигнала ил соотносятся как: II,к =2-3-а = 6-^Ц^ . Измеренному значению 1/!к соответствует искомое значение оценки ПРТ АТ,к. Для корректного сопоставления данных, получаемых в разных режимах работы, на мишени ПЭВ поддерживалось постоянное значение потенциала пьедестала. Полученные результаты сведены в Таблицу 1, в которой приведены данные оценки ПРТ.

Таблица 1

Экспериментальная оценка пороговой разности температур

Заводской номер ПЭВ Потенциал пьедестала, мВ 75 100 150 200

Режим работы Оценка пороговой разности температур АТц,., К

ПЭВ №1810 Режим 1 0.330 0.416 0.476 0.435

Режим 2 0.194 0.201 0.238 0.298

Режим 3 0.182 0.194 0.221 0.287

ПЭВ №2475 Режим 1 0.625 0.682 0.714 0.714

Режим 2 0.317 0.379 0.454 0.595

Режим 3 0.303 0.362 0.378 0.543

ПЭВ №1295 Режим 1 0.392 0.625 0.590 0.658

Режим 2 0.300 0.317 0.379 0 397

Режим 3 0.227 0.227 0.362 0.379

Видно, что переход от «телевизионного» Режима 1 к Режиму2 или 3 позволяет снизить ПРТ на 0.15 - 0.35 К в зависимости от величины пьедестала и индивидуальных характеристик используемого ПЭВ. При этом Режим 3 во всех случаях характеризуется меньшими значениями ЛТ^, чем Режим 2 или 1. Для всех рассмотренных режимов наблюдается увеличение ПРТ с увеличением потенциала пьедестала, что соответствует известному факту нарастания шума пьедестала при увеличении его

абсолютной величины. Анализ непосредственных результатов измерений показал, что Режимы 2 и 3 характеризуются, как правило, бблыпими значениями амплитуды сигнала, по сравнению с Режимом 1.

В Таблице 2 приведены полученные в результате измерений и расчетов данные об отношении сигнал/шум. С увеличением потенциала пьедестала для всех режимов наблюдается тенденция уменьшения отношения сигнал/шум, которая объясняется более быстрым нарастанием шума по сравнению с ростом амплитуды сигнала.

Увеличение отношения сигнал/шум, полученного для измерений при разных температурах АЧТ и для разных значений потенциала пьедестала для Режимов 2 и 3, с одной стороны, и Режима 1, с другой, лежит в диапазоне 1.2-2.5.

Таким образом, экспериментальные результаты показывают, что отступление от традиционного режима работы ПЭВ, позволяет уменьшить ПРТ и увеличить отношение сигнал/шум в выходном сигнале, а предложенный в ходе работы Режим 3 характеризуется лучшими показателями, по сравнению с предложенным ранее Режимом 2.

Таблица 2

Оценка отношения сигнал/шум

ПЭВ Up, мВ Режим

Режим 1 Режим 2 Режим 3

1- 2 •• у ~ 2 - - 1- 2

ПЭВ №1810 75 •з__ 8 5:i 13.7 " 3.Î 14.3

100 ГА- 6.4 13.7 ; "" -1} 13.7

150 Г 5.5 12 J : * 12.5

200 i" 5.8 '4.2 9.8 " 43 ' 10

ПЭВ. №2475 75 M.' 4 7 "3.3 8.5 3. 8.5

100 1.1 3.6 "" . 235 7 2-6 7.2

150 1.2 3.6 6 * M , 7.2

200 1.3 3.7 г 4.8 - Il 4.8

ПЭВ.. №1295 75 2 6.3 ' 2.5 8 . 3,3 10.6

100 1.7 4.3 2.8 8 3.3 10.6

150 1.7 4.5 2.4 68 "2,2 6.8

200 1.3 3.9 2.6 6.8 2.* 6.8

-1 - отношение сигнал/шум для оптического сигнала АЧТ с Т=30°С; 2 - отношение сигнал/шум для оптического сигнала АЧТ с Т=40°С; ир - потенциал пьедестала.

Оценка неравномерности потенциала пьедестала Неравномерность пьедестала rto мишени оценивалась по сигналу на экране ЭЛТ осциллографа. Под величиной неравномерности понималась разность максимального и минимального значений потенциала ■пьедестала в рабочей области мишени. Результаты измерений приведены в Таблице 3,

строка 3 (использовался ПЭВ №2475). Неравномерность пьедестала определялась исходя из измеренного среднего потенциала пьедестала по полю, который поддерживался постоянным при измерениях во всех режимах работы ПЭВ, и составлял 0.2 В. Это значение потенциала пьедестала принималась за 100%. Из сопоставления измеренных величин неравномерности потенциала пьедестала по полю можно заключить, что применение Режима 2, или Режима 3, позволит улучшить равномерность в 1.5-2.5 раза, по сравнению с традиционно применяемым Режимом 1.

Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования. В Таблице 3 приведены экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования (Глава 3). Для всех исследованных режимов результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Мощности шума пьедестала для Режимов 2 и 3, вычисленные по результатам моделирования, а также измерение неравномерности пьедестала по мишени дают соотношение величин, которое сопоставимо с экспериментом. Полученное расхождение результатов моделирования с практическими данными для Режима 1 можно отнести отсутствию учета моделью сглаживания потенциального рельефа соседних участков мишени при существенном различии их потенциалов. Таким образом, предложенная модель позволяет прогнозировать тенденции изменения характеристик при переходе от одного режима работы ПЭВ к другому.

Таблица 3

Сопоставление эксперимента и модели

Параметр Режим 1 Режим 2 Режим 3

Ширина гистограммы Б, /неравномерность пьедестала Модель, В 0.21 0.04 0.013

Результат измерения, В 0.05 0.03 0.02

Шум пьедестала Модель, отн. ед. 6.95 2.84 1.61

Измеренное ию мВ 18 10 10

Результаты сопоставления экспериментальных данных с данными моделирования дают основания говорить об адекватном отражении предложенной моделью динамики процессов считывания и формирования пьедестала. Предложенная модель с некоторыми коррективами может быть использована для сопоставления шумовых свойств разных режимов работы ПЭВ и для прогностической оценки неравномерности распределения потенциала пьедестала по мишени.

В Приложении 1 проводится обзор методов работы пировидиконных тепловизоров, для реализации которых необходимо использование устройства модуляции входного оптического сигнала.

В Приложении 2 рассматриваются проблемы создания экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора. Обсуждаются представляющие практический интерес вопросы проектирования и схемотехнической реализации отдельных узлов и модулей экспериментального макета.

Основные результаты и выводы:

1.' Создана модель, позволяющая исследовать динамику процессов, происходящих на мишени пировидикона при взаимодействии электронного луча с мишенью. На основе предложенной модели проведен анализ режимов работы пировидикона, представляющих практический интерес.

2. Предложена методика и определены критерии сопоставления моделируемых режимов работы ПЭВ. Эффективность предложенной методики подтверждена экспериментальными данными, полученными при исследованиях с использованием созданного в ходе работы экспериментального макета многорежимного пировиди-конного тепловизора.

3. Спроектированы, изготовлены и настроены специализированные программируемые модули экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора: микропроцессорный модуль управления, и цифровой модуль генерации опорного сигнала для строчной и кадровой разверток. Разработаны и реализованы алгоритмы работы этих устройств.

4. Создан действующий экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющий исследовать пути оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров. Разработаны и реализованы схемотехнические, конструктивные и программные решения отдельных функциональных модулей, которые позволяют корректировать рабочие параметры макета и изменять режимы работы ПЭВ. Созданное устройство может быть положено в основу экспериментальных установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов. Выявлена возможность создания адаптивных пировидиконных тепловизоров, характеристики которых можно изменять в процессе работы в зависимости от поставленных задач и свойств источников тепловых изо-

5.бра>Нш6йзе созданного макета, проведено экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ, представляющих практический интерес. Хорошее совпадение результатов экспериментальных исследований с данными компьютерного моделирования позволило сделать вывод, что предложенная модель может быть использована для прогностической оценки шумовых свойств и неравномерности потенциала пьедестала по мишени ПЭВ.

6. Реализация защищенного патентом режима работы пировидикона, позволила существенно улучшить характеристики ПЭВ без его технологических и конструктивных доработок. В зависимости от величины потенциала пьедестала и индивидуальных характеристик используемого ПЭВ пороговая разность температур снижена, по сравнению с традиционно используемым «телевизионным» режимом, на 0.15-4-0.35 К. Рост отношения сигнал/шум по результатам экспериментов составил

от 20 до 150%, равномерность потенциала пьедестала улучшена в 1.5-^2 раза.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Бодров В.Н., Сильвестров АЛ. О возможности использования микроконтроллера Siemens С167 для управления пиротепловизором. //Ежегодн. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве»: Тез. докл. в 2-хт.—М.: Изд-во МЭИ, 1998.—Т.1.—С. 138-139.

2. Бодров В.Н., Сильвестров АЛ. Опыт применения микроконтроллеров фирмы Atmel для управления пиротепловизионной камерой. // Шестая междунар.науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т. — М.: Изд-во МЭИ, 2000—Т. 1— С. 151-152.

3. Патент РФ №2141172. Способ эксплуатации пировидикона. /Сильвестров A.JI. // Открытия. Изобретения.— 1999.— №31.

4. Сильвестров АЛ. Некоторые направления развития пиротепловизионной техники.// Конверсия в машиностроении.— 2001.—№2. — С.87-90.

5. Сильвестров A.JI. Особенности развития пиротепловизионной техники для энергетики.// Энергетик,— 2001.—№11. — C.27-2S.

6. Сильвестров АЛ. Пиротепловизионная техника. Современное состояние, перспективы развития и применения в энергетике.// ПЭИПК, Материалы семинара "Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования, зданий и сооружений на основе приема излучений в инфракрасном спектре". Выпуск 17. СПб.: Изд-во ПЭИПК.— 2002,— С.62-74.

7. Обидин Г.И., Сильвестров АЛ. Математическое моделирование цикла работы пироэлектрического видикона.// Труды 11-й Всероссийской НТК «Современное телевидение», М., 2003.—С.30-33.

8. Сильвестров АЛ. Экспериментальное сопоставление различных способов формирования пьедестала в тепловизоре на основе пироэлектрического видикона.// Труды 11-й Всероссийской НТК «Современное телевидение», М., 2003.—С.33-36.

*

; " Зак*Ш Тир. <Ct П.Л. ■[, Я S

ПЦ МЭИ (ТУ), Красноказарменная ул., д. 13

И 94 g Ш1 4 9 4 6

?

i

i

Введение.

Глава 1. Современное состояние, проблемы создания и перспективы развития тепловизионных систем на основе пироэлектрических видиконов.

1.1. Сравнительные характеристики фотонных и тепловых приемников ИК-излучения. Особенности сопоставления тепловизоров на основе многоэлементных фотоприемников.

1.2. Современный этап развития неохлаждаемых тепловизионных устройств.

1.3. Особенности работы пироэлектрического видикона.

1.3.1. Проблемы считывания сигнала пировидикона.

1.3.2. Проблемы подготовки мишени к экспозиции.

1.4. Пути улучшения качественных показателей тепловизоров на основе пировидиконов.

Выводы.

Глава 2. Режимы работы пироэлектрического видикона.

2.1. Методы считывания сигнала и подготовки мишени пировидикона к очередному циклу работы.

2.1.1. «Телевизионный» режим работы и однофазный метод подготовки мишени пировидикона.

2.1.2. Режим работы пировидикона с использованием последовательности трех фаз подготовки мишени.

2.1.3. Метод выравнивания пьедестала при трехкратном проходе луча по строке.

2.1.4. Модифицированный метод выравнивания пьедестала в пировидиконе.

2.1.5. Метод наращивания потенциала мишени.

2.2. Анализ режимов работы пировидикона и выбор направления исследований.

Выводы.

Глава 3. Моделирование режимов работы пировидикона.

3.1. Анализ математических моделей работы пировидикона.

3.2. Математическая модель работы пироэлектрической мишени.

3.3. Анализ результатов моделирования.

3.3.1. Моделирование группы вариантов «42».

3.3.2. Моделирование группы вариантов «41».

• 3.3.3. Моделирование группы вариантов «П».

3.3.4. Сопоставление моделируемых режимов.

3.3.5. Спектральный анализ флуктуаций потенциала мишени.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов.

4.1. Экспериментальный макет многорежимного пиротепловизора.

4.2. Экспериментальная установка.

4.3. Оценка шума.

4.4. Оценка пороговой разности температур и соотношения сигнал/шум.

4.5. Оценка неравномерности распределения потенциала пьедестала.

4.6. Сопоставление экспериментальных результатов с результатами компьютерного моделирования.

Выводы.

Современные тепловизионные системы находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Разработка конкурентоспособного неохлаждаемого тепловизора, является одной из важнейших задач, стоящих перед отечественными разработчиками тепловизионных систем.

Несмотря на значительные достижения в разработке твердотельных приемников инфракрасного (ИК) излучения и, в частности, неохлаждаемых «смотрящих» матриц, пироэлектрические видиконы (ПЭВ) в настоящее время остаются одними из наиболее доступных отечественных ИК-датчиков, на основе которых возможно создание современных тепловизоров широкого применения для решения практических задач диагностики и визуализации тепловых полей в промышленности, энергетике, строительстве, на транспорте и в других отраслях

1-5].

Основными преимуществами тепловизора, построенного на основе ПЭВ, являются: отсутствие охлаждения прибора, компактность, удобство в эксплуатации, возможность использования стандартной телевизионной аппаратуры для визуализации получаемого изображения и относительно низкая себестоимость. Пи-ровидиконы применяются для визуализации объектов, прежде всего в дальнем ИК-диапазоне (8. 14 мкм).

Для улучшения характеристик пировидиконных тепловизоров, необходимо найти пути повышения отношения сигнал/шум на выходе пировидикона, а также найти способы обеспечения более равномерной чувствительности мишени ПЭВ. Публикации как в нашей стране, так и за рубежом свидетельствуют о том, что вопрос об оптимальности телевизионного стандарта, традиционно применяемого для работы ПЭВ, до настоящего времени остается открытым. Анализ литературных данных и патентных источников информации, посвященных вопросам оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров, свидетельствует о многочисленных исследованиях, проводимых в этой области [6-33], что подтверждает актуальность данной проблемы.

Основные проблемы, которые стоят перед разработчиками пировидикон-ных тепловизоров, связаны с определением оптимальных способов считывания информации с мишени ПЭВ, определением оптимальных режимов формирования на поверхности мишени равномерного заряда пьедестала требуемой величины и обеспечением условий для оптимальной работы пировидиконов с учетом их специфических особенностей. Необходимо, также, учитывать дополнительные требования, определяемые различными областями применения, решаемыми задачами визуализации тепловых полей и условиями эксплуатации ПЭВ.

Исследователями были предложены различные способы считывания сигнала и режимы формирования пьедестала на мишени ПЭВ, которые, по их мнению, в той или иной мере решают указанные проблемы. К сожалению, большинство этих способов применялись либо к какой-то конкретной пировидиконной тепловизионной системе, либо были проанализированы лишь качественно. До настоящего времени, насколько нам известно, о проведении систематизированного сопоставления различных способов считывания сигнала и способов формирования пьедестала в ПЭВ, не сообщалось. Одной из причин этого была и остается сложность сравнения данных, полученных для разных типов ПЭВ в разных пиротепловизорах, а также трудности изменения режимов работы ПЭВ в рамках одного и того же тепловизора, без внесения в его конструкцию серьезных изменений. Кроме того, сравнение эффективности различных режимов работы ПЭВ затрудняется отсутствием перестраиваемых средств визуализации получаемого изображения, способных воспринимать различные форматы входного сигнала.

Автор попытался найти пути решения этих задач созданием перестраиваемого прибора, позволяющего влиять на рабочие параметры ПЭВ за счет изменения и регулировок режимов работы отдельных модулей, входящих в состав пиро-тепловизора. Параметрами, влияющими на температурное и пространственное разрешение ПЭВ, и, как следствие, на качество получаемого термоизображения, являются:

- время накопления сигнального заряда на мишени (время экспозиции);

- параметры формата разложения;

- тип развертки;

- уровень собственных шумов, возникающих при формировании на мишени пировидикона заряда пьедестала;

- режимы модуляции входного потока излучения;

- температура мишени.

Цель работы состоит в поиске путей совершенствования и построения пировидиконных тепловизоров, которые позволят понизить уровень собственных шумов, повысить отношение сигнал/шум и расширить динамический диапазон пировидиконов.

Объектом исследования в настоящей работе являются процессы, происходящие на мишени пировидикона при считывании с нее информации и при ее подготовке к очередному циклу работы.

Предметом исследования является анализ условий и режимов эффективного считывания сигнальных пироэлектрических зарядов и формирования компенсирующего заряда на мишени пировидикона, которые обеспечивают понижение собственных шумов пировидикона и расширение его динамического диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать существующие способы считывания сигнала и формирования электронного пьедестала в пировидиконах и обосновать выбор перспективных режимов работы, обеспечивающих улучшение характеристик пиро-видиконной тепловизионной системы;

- разработать математическую модель, адекватно описывающую процессы считывания сигнала и формирования пьедестала на пироэлектрических мишенях. На основе этой модели провести исследования различных режимов работы ПЭВ;

- разработать и осуществить реализацию экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющего проводить практическое сопоставление режимов работы ПЭВ;

- разработать принцип построения, схему, алгоритм и программу работы системы управления макетом многорежимного пировидиконного тепловизора;

- разработать и создать специализированные функциональные модули (программируемый модуль управления; программируемый модуль генерации опорного сигнала для управления токами в отклоняющей системе ПЭВ; модуль управления ПЭВ; модуль усиления для отклоняющей системы ПЭВ; модуль формирования видеосигнала) для экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора;

- реализовать на основе созданного макета режимы работы ПЭВ, представляющие практический интерес;

- провести исследования и сравнительный анализ реализованных режимов работы и сопоставление полученных результатов с данными компьютерного моделирования.

В работе использованы методы математического моделирования, методы теории электронно-лучевых приборов, методы математического анализа, элементы теории аналоговой, цифровой и вычислительной техники.

Научную новизну проведенных в работе исследований определяют следующие основные результаты:

- предложен и запатентован новый способ работы ПЭВ, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе этого прибора;

- разработана математическая модель работы пироэлектрической мишени, позволяющая проводить сопоставление различных режимов работы ПЭВ;

- предложена методика сравнительной оценки режимов работы ПЭВ, показавшая свою эффективность в практических исследованиях;

- создан экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, который позволил провести корректное экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ;

- проведены исследования и получено экспериментальное подтверждение повышения отношения сигнал/шум, улучшения равномерности пьедестала и снижения пороговой разности температур в пировидиконном тепловизоре при использовании предложенного режима работы ПЭВ.

Практическая ценность работы заключается в получении результатов, которые указывают пути разработки современных конкурентоспособных пировидиконных тепловизоров. В ходе работы получены следующие практические результаты:

• создана модель работы мишени пировидикона для сравнительной и прогностической оценки различных режимов работы ПЭВ;

• созданы специализированные программируемые устройства, обеспечившие создание экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора. Реализованы на практике алгоритмы работы этих устройств;

• разработан, изготовлен и настроен экспериментальный макет многорежимного тепловизора на основе пировидикона, позволяющий исследовать режимы работы пировидиконных тепловизоров;

• получены экспериментальные результаты, подтвердившие предположение, что использование нетрадиционных режимов работы ПЭВ позволяет оказывать существенное положительное влияние на его характеристики;

• созданный макет показывает одно из направлений создания пиротепловизо-ров нового поколения. Макет может быть положен в основу экспериментальных установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложен и реализован на практике новый режим работы пировидикона, позволяющий увеличить пороговую чувствительность и отношение сигнал/шум на его выходе без внесения технологических и конструктивных доработок.

2. Разработана математическая модель цикла работы пировидикона, позволяющая прогнозировать тенденции изменения характеристик и параметров пировидиконных тепловизоров при изменении режимов работы пировидикона.

3. Результаты исследований, которые показывают, что при использовании нетрадиционных режимов работы пировидикона достигается существенное улучшение его характеристик.

Структура диссертационной работы. В первой главе рассматриваются проблемы создания и перспективы развития неохлаждаемых тепловизионных систем на основе пироэлектрических видиконов. Кратко обсуждаются сравнительные характеристики фотонных и пироэлектрических приемников ИК-излучения, а также особенности сопоставления тепловизоров на основе многоэлементных фотоприемников. Проводится обзор существующих тепловизионных систем, построенных на основе неохлаждаемых приемников ИК-излучения. Рассматриваются основные особенности пироэлектрического эффекта и работы ПЭВ. Отмечаются основные проблемы, стоящие перед разработчиками пировидиконных тепловизоров. Предлагаются некоторые пути улучшения качественных показателей тепловизоров на основе ПЭВ.

Вторая глава посвящена анализу методов считывания сигнала и формирования электронного пьедестала в ПЭВ, совместимых с телевизионным стандартом. Проводится сравнительный анализ условий, необходимых для практической реализации рассмотренных методов работы ПЭВ. Определяются направление экспериментальных исследований и методы работы ПЭВ, представляющие наибольший практический интерес. Определяются основные технические требования, которым должен отвечать экспериментальный макет для проведения исследований в рамках выбранного направления.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов считывания и формирования пьедестала на мишени пировидикона. Рассматриваются существующие математические модели пировидиконных тепловизоров. Дается описание разработанной математической модели процессов считывания сигнала и формирования пьедестала. Анализируются результаты компьютерного моделирования, предлагаются методика и критерии сопоставления моделируемых режимов. Предлагается способ сопоставления результатов моделирования с практическими экспериментальными результатами.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Анализируются экспериментальные результаты и проводится их сопоставление с результатами математического моделирования.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Создана модель, позволяющая исследовать динамику процессов, происходящих на мишени пировидикона при взаимодействии электронного луча с мишенью. На основе предложенной модели проведен анализ режимов работы пировидикона, представляющих практический интерес.

2. Предложена методика и определены критерии сопоставления моделируемых режимов работы ПЭВ. Эффективность предложенной методики подтверждена экспериментальными данными, полученными при исследованиях с использованием созданного в ходе работы экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора.

3. Спроектированы, изготовлены и настроены специализированные программируемые модули экспериментального макета многорежимного пировидиконного тепловизора: микропроцессорный модуль управления и цифровой модуль генерации опорного сигнала для строчной и кадровой разверток. Разработаны и реализованы алгоритмы работы этих устройств.

4. Создан действующий экспериментальный макет многорежимного пировидиконного тепловизора, позволяющий исследовать пути оптимизации режимов работы пировидиконных тепловизоров. Разработаны и реализованы схемотехнические, конструктивные и программные решения функциональных модулей экспериментального макета, которые позволяют корректировать рабочие параметры макета и изменять режимы работы ПЭВ. Созданное устройство может быть положено в основу установок для исследования и реализации условий адаптации режимов работы ПЭВ к решаемым задачам визуализации тепловых полей и к информационной емкости наблюдаемых сюжетов. Выявлена возможность создания адаптивных пировидиконных тепловизоров, характеристики которых можно изменять в процессе работы в зависимости от поставленных задач и свойств источников тепловых изображений.

5. На базе созданного макета, проведено экспериментальное сопоставление режимов работы ПЭВ, представляющих практический интерес. Хорошее совпадение результатов экспериментальных исследований с данными компьютерного моделирования позволило сделать вывод, что предложенная модель может быть использована для прогностической оценки шумовых свойств и равномерности распределения потенциала пьедестала по мишени ПЭВ.

6. Реализация защищенного патентом режима работы пировидикона, позволила существенно улучшить характеристики ПЭВ без его технологических и конструктивных доработок. В зависимости от величины потенциала пьедестала и индивидуальных характеристик используемого ПЭВ по сравнению с традиционно применяемым «телевизионным» режимом пороговая разность температур снижена на 0.15 ^-0.35 К. Рост отношения сигнал/шум по результатам практических измерений составил от 20 до 150%, равномерность потенциала пьедестала улучшена в 1.5-К2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Либенсон Б., Меркин С., Станская Т., Цырлин Л. Использование пироэлектрических приборов в тепловизионных системах // Оптический журнал. 1997 - №6.-С. 118-120.

2. Степанов Р., Станская Т., Меркин С. Портативная тепловизионная камерадлинноволнового ИК-диапазона для широкого круга применений) // Прикладная физика. 1999. - №3. - С. 53-58.

3. Сильвестров А.Л. Некоторые направления развития пиротепловизионной техники // Конверсия в машиностроении. 2001.-№2. - С. 87-90.

4. Сильвестров А.Л. Особенности развития пиротепловизионной техники дляэнергетики.// Энергетик. 2001.-№11. - С. 27-28.

5. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений / Под ред.

6. Б.Кейзана- М.:Мир, 1980 Зт.

7. Ван Цзюнь, Ван Фань. Методы и система обработки данных в термовидениис применением пироэлектрического видикона / Пер. с китайского статьи из журнала Хунвай яньцзю. 1986. - том 5. №4. - С.285-292.

8. Разработка устройства цифровой обработки сигнала тепловизора с пироэлектрическим видиконом: Отчет о НИР ОКБ «Ритм» Таганрогского радиотехнического института, отв. исп. Вайсберг В.Л., № ГР 01.86.008305. -Таганрог, 1986.-С.51.

9. Патент США №4177483 Process and arrangement for reconstituting the thermalflux absorbed by a pyroelectric target / Felix P. 1979.

10. Патент Великобритании №2022353 Pyroelectric vidicon error correction / Igel A.N.- 1979.

11. Патент США №4481535 Signal processing system for chopper type pyroelectric camera / Hodd D.E., Bucher H.R. 1984.

12. Патент США №4686566 . Automatic initiation of target crossover recovery in a pyroelectric camera / Bucher H.R. 1987.

13. Патент США №4694334 Pyroelectric camera signal processing having pedestal signal level compensation / Bucher H.R., Hodd D.E. 1987.

14. Патент Великобритании №2187060 Electronic thermal image reproduction / Mazzo A., Jaeger W. 1987.

15. Патент США №4740840 Pyroelectric camera signal processing having interrelated multi-parameter pedestal signal level compensation / Bucher H.R., Hodd D.E. 1988.

16. Патент США №4866275 Method for the electronic production of thermal image reproduction and apparatus for carrying out the method / Mazzo A., Jaeger W. 1989.

17. A. c. №1358110 СССР, Устройство формирования тепловизионного изображения. / Боженко И.Б., Зеляновский Ю.Е., Кондратов П.А. 1987.

18. А. с. №1458977 СССР,. Устройство для преобразования видеосигнала./ Боженко И.Б., Кондратов П.А., Мешков О.К 1989.

19. А. с. №1737752 СССР, Устройство формирования сигнала тепловизионного изображения. / Боженко И.Б., Зеляновский Ю.Е., Кондратов П.А., Мешков О.К- 1992.

20. А. с. №1786683 СССР, Устройство формирования тепловизионного изображения./Боженко И.Б., Зеляновский Ю.Е., Кондратов П.А. 1993.

21. А. с. №1790043 СССР, Устройство для преобразования видеосигнала /Боженко И.Б., Кондратов П.А., Мешков O.K. 1993.

22. Тэраниси А. и др. Обработка сигналов пироэлектрического видикона / Пер. с яп.из журнала Тэрэбидзен гаккайси.- 1981.-т.35.-№2.-С. 136-142.

23. Conclin Т., Singer В., Crowell М.Н., Kurczewski R. Theory and performance of pyroelectric vidicon with an electronically generated pedestal current for the cathodepotential stabilized mode. 'Tech. Digest Int. Electron Devices Meet.-1974.-P. 451^454.

24. Патент США №4100574 "Method for electrically reading a resistive target in a camera tube"./ Felix P.- 1978.

25. Singer В., Steneck W., Stupp E., Kurczewski R. Suppression of pedestal noise in a pyroelectric vidicon IEEE Trans, on Electron. Devices. - 1980.- vol. ED-27, № 1,-P. 193-199.

26. Патент США №4437118 "Pyroelectric vidicon with improved signal-to-noise ratio"./ Singer В., 1984.

27. Harmer A.L. Ramp mode operation of a pyroelectric vidicon IEEE Trans, on Electron Devices - 1976 - vol. ED-23 - P. 1320-1325.

28. Патент США №3946232 Pyroelectric camera tubes /Harmer A. 1976.

29. Патент США №4225882 Method and a device for analyzing a pyroelectric target /Moiroud G., Veron S. 1980.

30. Патент США №3774043 Camera system utilizing a pyroelectric target /Le Car-vennec F. 1973.

31. Патент США №4063093 Infrared vidicon system /Astheimer R. W., Falbel G. 1977.

32. Канэко А. Совершенствование технических характеристик высокочувствительной пировидиконной телекамеры // Тэрэбидзен гаккайси.- 1986 том 40.- С. 878-885.

33. Современное состояние информационных оптико-электронных датчиков окружающей обстановки. Технологические аспекты их промышленного производства. Шифр "Волна-2000"/ ГУП "Государственный центр системных исследований" М., - 2000.-120с.

34. Jane's Electronic Optical Systems, III Edition 1997-1998.

35. Jane's Electronic Optical Systems, VI Edition-2000-2001.

36. Ерофейчев В.Г., Мирошников M.M. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении // Оптический журнал 1997. -№2. - С.5-13.

37. Хребтов И.А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники излучения // Оптический журнал.- 1997. -№6. С. 3-17.

38. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре РФ НПО "Орион'7/Прикладная физика.-2000.-№5.-С. 5-17.

39. Grant В. IR imagers break the cold barrier // Photonics Spectra. -1997. №6. - P.1338

40. Малахов И.К. Пироэлектрические видиконы // Техника кино и телевидения.- 1980.- №10. С.60-66.

41. Криксунов JI.3., Рабышко В.А. Пириконы.- Киев: Техшка, 1984.-80с.

42. Goss A.J. The pyroelectric vidicon // Passive Infrared Systems and Technology.-1987. SPIE Vol.807. - P.25-32.

43. Pyroelectric Pickup Tubes Thomson CSF- 1989. (Проспект фирмы Thomson-CSF).

44. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. -М.: Мир, 1988.-408с.

45. Косцов Э. Микроэлектронные тепловизионные системы на основе тонких сег-нетоэлектрических пленок//Микроэлектроника. 1996. - №3. - С.176-187.

46. Гончаренко Б.Г., Разин А.И., Савоскин В.И. Несканирующий неохлаж-даемый тепловизор высокой четкости. Концепция построения и возможности реализации // 10-я Всероссийская НТК «Современное телевидение», М.-2002.-С.41-43.

47. Гончаренко Б.Г., Разин А.И., Савоскин В.И., Брюхневич Г.И. Некоторые результаты разработки несканирующего неохлаждаемого тепловизора наоснове пироЭОПа // Труды 11-й Всероссийской НТК «Современное телевидение», М.,- 2003. С.36-38.

48. Кременчугский JI.C., Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения.-Киев: Наукова думка, 1982.-364с.

49. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. М.: Сов.радио, 1979. - 176 с.

50. Watmore R.W. Pyroelectric devices and materials.// Rep. Prog. Phys. 1986 -№49. - P.1335-1386.

51. Pyricon TH 9883-2, Technical Specification, Thomson Tubes Electoniques.- 1992.-8c.

52. Видикон ЛИ-492-3.- Паспорт, ОРЗ.355.272-01 ПС-12c.

53. Logan R.M., Watton R. Analysis of cathode potential stabilisation of a pyroelectric vidicon. // Infrared Physics. 1972. - Vol.12. - P. 17-28

54. Патент РФ №2141172 . Способ эксплуатации пировидикона /Сильвестров A.JT. 1999.

55. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. JL: Машиностроение, 1980.-272с.

56. Левит А.Б. Введение в общую теорию телевидения // Советское радио, 1967.-160с.

57. Гершберг А.Е. Электронный луч и потенциальный рельеф в электроннолучевых приборах. Д.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние., 1981.-312с.

58. Авдеев С.П, Сидельников С.С. Метод оценки пространственного и энергетического разрешения пироэлектрических видиконов. //Техника средств связи, сер. Техника телевидения. 1988. - вып.2, -С.37-45.

59. Данилов A.M., Сидельников С.С. Метод обработки экспериментальных пространственно-частотных температурных характеристик тепловизионных систем. //Техника средств связи, сер. Техника телевидения -1988 вып. 6.-С. 99-103.

60. Сидельников С.С. Метод измерения функции концентрации энергии телевизионных систем. //Техника средств связи, сер. Техника телевидения. -1991.-вып. 2.-С. 42-46.

61. Гитин A.B., Сидельников С.С. Объективный способ оценки диаметра кружка рассеяния. //Техника средств связи, сер. Техника телевидения.- 1988. С.47-51.

62. Новик В.К., Смирнов Д.Ю. Пировидиконная тепловизионная камера математическая модель //Оптическая техника. - 1996. - №1.-С36-42.

63. Гершберг А.Е. Передающие телевизионные трубки с внутренним фотоэффектом. Изд. 2-е, доп., JI: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1973.-256с.

64. Герус В.Л. Физические основы электронно-лучевых приборов.-М.: Физмат-лит, 1993-352с.

65. Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. Монография.- М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры.,1969.-344с.

66. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 2 -е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1983.-696с.

67. ГОСТ 7845-92 Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений. М.: Издательство стандартов.-1992.-36с.

68. Обидин Г.И., Сильвестров А.Л. Математическое моделирование цикла работы пироэлектрического видикона.// Труды 11-й Всероссийской НТК «Современное телевидение», М., 2003 -С.30-33.

69. Сильвестров А.Л. Экспериментальное сопоставление различных способов формирования пьедестала в тепловизоре на основе пироэлектрического видикона.// Труды 11-й Всероссийской НТК «Современное телевидение», М., -2003.-С. 33-36.