А-РСЕ Ппаде То РБЕ Оето РдгсКазе (гст млллл/.А-РОр.сот 1о гетоуе Н1е 'л/а1егтагк

Электроннып аналог печатного издания: 1рязин Г. Н. Основы и системы
прикладного телевидения : учеб, пособие для вузов / Г. Н Грязин; Под ред.
П. К. Мальцеве п. — СПб. : Политехника, 2011. — 271 с. : ил.

УДК 621.397

ББК 32.94-5я7

Г92

1ЮЛ/.1ЕХЖКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Санкг Нпсрбур» 20Н

ууулу роМсскпкь.ги

Рекомендовано УМО по образованию
в области приборостроения и оптотехники
в качестве учебного пособил для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки 200200 — Оптотехника
и специальности 200203 Оптико электронные
приборы и системы

Рецензенты: кафедра телевидения и видеотехники Санкт-Петербургско-
го государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонн
Бруевича (зав. кафедрой доктор техн, наук, профессор Л. Л. Гоголь); заслу-
женный деятель науки РФ. доктор техн, наук, профессор □. Д. Панков

Грязин. Г. Н.

Основы и системы прикладного телевидения: учеб, пособие
для вузов / Г. И. Грязин; Под ред. Н. К. Мальцевой. —
СПб. : Политехника, 2011. — 274 с. : ил.

18ВЫ 978 5-7325-0992 2

В учебном пособии рассмотрены характеристики, параметры и прин-
ципы работы как телевизионных систем наблюдения визуального и
автоматического тин.-, различного ньзньчеиия . целом, так и основ-
ных устройств, «ходящих в их состав. Изложены основы цветного и
стереоскопического телевидения. Особое внимание уделен.- методам рас-
чета режима функционирования систем, которые иллюстрируются при
мерами решения практических задач энерготического расчета реаль-
ных прибор™ и систем. В приложении приводится справочный мате-
риал к устройствам шисывнемых телевизионных систем.

Пособие предназначено для студентов и аспирантов технических спе-
циальностей оптического и оптико-электронного профиля, также мо-
жет быть полезно научным сотрудникам и инженерам, занимающимся
проблемами разработки телевизионной аппаратуры.

УДК 821.397

ББК 32.94 Зя7

Издательство «Политехника» ичууу ро1у(есНгпс5.ги

€ Издательство «Политехника»,

18ВК 978-5-7325 0992-2
Предисловие автора .............................................. 5

Введение........................................................  6

Глава 1. ХАРАКТЕРЫ! ТИКИ И ПАРАМЕТТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ 13

1.1.	Психофизиологические параметры зрительной информации . . .

1.2.	Расчет контрастной чувствительности зрения в реальных уело
виях телевизионного наблюдения............................... 21

1.3.	Пространственно-частотная, частотно-контрастная и переходная
характеристики телевизионной системы.......................   21

1.4.	Градационная характеристика телевизионной системы .....	29

1.5.	Разрешающая способность системы и выбор числа строк разло-
жения ...................................................     32

1	6. Количество градаций яркости воспроизводимого изображения 36

1.7.	Выбор частоты смены кадров и яркости телевизионного изобра-
жения ....................................................... 38

1.8.	Энергетическая и контрастная чувствительности телевизионной
системы..................................................     40

Глава 2. РАЗВЕРТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ ВИДЕОСНГ НАЛА	12

2,1.	Законы и способы осуществления развертки изображения . . .

2.2.	Форма и частотный спектр видеосигнала................... 47

2.3.	Координатные искажения изображения и явления «муара* . . .	53

Г’Л.-. па 3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 55

3.1.	Диссектор..............................................

3.2.	Принцип накопления энергии в телевизионных фотонреобра-
зователях ..................................................  57

3.3.	Видикон и его модификации............................... 58

3.4.	Твердотельные фотоэлектрические преобразователи......... 68

3.5.	Сочлененные фотопреобразователи . ...................... 84

Глава 4. кипескопы черно-белого изображения .................... 92

4.1	Фокусировка и отклоисипе электронного луча. ...........

4.2.	Модуляционная и частотно-контрастная хараг тернстпки кине-
скопа ....................................................... 95

4.3.	Характеристики экранов...............................    96

4.4.	Проекционные кинескопы...............................    99

Глава 5- УСИЛЕНИЕ 11 АНАЛОГОВАЯ обработка видеосигнала .... 101

5.1	Состав И Требования К вИДеОуСНЛИТеЛЬПоМу Тракту .......

5.2.	Анализ исходных данных и эскизный расчет видеотракта . . .	103

5.3.	Восстановители постоянной составляющей сигнала......... 107

5.4.	Корректоры амплитудной характеристики идсотракта...... 110

5.5.	Апертурная коррекция и выделение контуров изображения . .	113

5.6.	Поня1пе и расчет шумового сопротивления полевого транзистора 116

Глава 6. цифровая обработка видеосигнала .	...... 118

6.1.	Цифровое представление изображения....................... -

6.2.	Принципы построения телевизионных систем с цифровой обра-
боткой сигнала.............................................. 121

6.3.	Система с преобразованием стандарта разложения......... 124

тгетьство «Политехника» ро1у1есЬтс5.ги
6.4.	Полупроводниковые устройства памяти................... 125

6.5.	Быстродействующие преобразователи напряжение — код . . .	126

Глава 7. РАЗВЕ1Ч ЫВАНЯЦИЕ Н С ИНХРОНИ <НР> ННЦИЕ УСТРОЙ! ТВА . .	12В

7.1.	Генераторы кадровой развертки.........................

7.2.	Генераторы строчной развертки.......................   134

7.3.	Синхронизирующие устройства........................... 13В

Глава 8. ОСНОВЫ ЦВЕТНОГО И СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ 147

8.1.	Цветовое зрение И смешение ЦВсЮВ......................

8.2.	Формирование сигналов в передающих камерах цветного теле-
видения ...............................................     152

8.3.	ПрИПЦИПЫ НОСТроеПИм Передающих Камер ЦПсТНоГО ГеЛеВИдеНПЯ 155

8	4. Устройства для воспроизведения цветных изображений..	159

8.5.	Основы стереоскопического телевидения................. 165

8	6. Телевизионный стереоскопический дальномер .......... 170

Глава 9. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ	172

9.1. Телевизионные системы промышленного назначения..........

9.2. Системы подводного телевидения........................ 184

9 3. Малокадровые, фототелевизионные и спектрозональные системы 191

9.4. Телевизионные системы наблюдения за быетродвлжущпмися
объектами и быстропротекающими процессами................   198

Глава 10. РАСЧЕТ РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИС-
ТЕМЫ ......................................................... 216

10.1.	Методология расчета .................................

10.2.	Расчет энергетической и контрастной чувствительностей теле-
внзионн >й системы визуального типа . ..................    218

10.3.	Расчет энергетической п контрастной чувствительностей авто
магической телевизионной системы........................... 230

10.4.	Энергетический расчет системы при наблюдении в атмосфере 237

10.5.	Энергетический расчет импульсной телевизионной системы . . . 247

Ю.6. Энергетический расчет системы подводного наблюдения .... 254

10.7.	Энергетический расчет систем с инфракрасной подсветкой объекта 262

Приложение I Параметры матричных ПЗС российских фирм.......... 2б6

Приложение 2. Параметры кинескопов черно-белого изображения  267

Приложение 3. Параметры, спектральные характеристики и кривые
ВЭПП импульсных ламп.......................................... 208

Список литературы ... ....................................     270

Предметны* указатель.......................................... 273

11 ельство «Политехника» и'игиг. ро1у1есЬп1С8.ги
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Первое учебное пособие для оптических специальностей вузов «Си-
стемы прикладного телевидения» (автор профессор Г Н Грязин} вы-
шло в 2000 г. 1- издательстве «Политехника* (СПб) тиражом 1000 эк-
земпляров и сравнительно быстро было реализовано. Этому способство-
вало то обстоятельство, что во многих технических вузах вопросы, свя-
занные с разработкой и эксплуатацией новых телевизионных систем или
выбором режима функционирования как новых, так и существующих
приборок и систем, стали включаться в учебные планы и программы
различных сопредельных специальностей. Особенно это стало заметным
в последние годы в связи с расширением областей применения инфор-
мационных технологий, базирующихся на основополагающем принци-
пе телевидения развертке двухмерного оптического изображения и
преобразовании его ь I идеосигнал.

В настоящем пособии общая направленность и основная структура
сохранены в прежнем виде. Вместе с тем содержание отдельных глав
претерпело изменения в соответствии с сс ременными тенденциями раз-
вития прикладного телевидения. Сокращены разделы, посвященные пе-
редающим трубкам и генераторам разверток, изъято описание аналого-
цифровых и цифроаналоговых преобразоытелей, а также основ магнит
ной записи видеосигналов, излагаемых ь других дисциплинах. Одно-
временН' большее внимание уделено характеристикам приборов с заря
докой связью, цифровой обработке видеосигнала и устройствам воспро
изведения изображений. Как и ранее, отдельный раздел посвящен ре
жимам функционирования телевизионных систем визуального и авто
матическог  типа и содержит примеры расчетов, используемых студен
тами при выполнении домашних задании, курсовых и дипломных про
ектов Первые восемь глав посвящены основам прикладного телевиде
нпя, 9 и 10 главы — телевизионным системам.

Издание, ь первую очередь, предназначено для студентов, обуча
ющихся по направлению «Оптотехника* и специальности «Оптико элек-
тронные приборы и системы* в рамках учебных планов и программ для
бакалавров, магистров и инженеров, но может быть полезным и студен
там других специальностей и специализаций.

сльство «Политехника» и’игиг ро1у1есИшс5. ги
ВВЕДЕНИЕ

Современное телевидение — это научно техническое направление
в информатике, объединяющее вопросы электрооптического анализа и
синтеза как движущихся, так и неподвижных изоораженид и переда
чи их на расстояние по электрическим и волоконно оптическим лини
ям связи. В основе телевизионного метода передачи и воспроизведения
оптической информации лежит принцип последовательной и поэлемент-
ной развертки изображения. Суть его заключается в том, что любое под
лежащее передаче и затем воспроизведению двухмерное (плоское! изоб-
ражение представляется как совокупность дискретных элементов, яр-
кость которых последовательно преобразуется в одномерный электриче-
ский сигнал, являющийся функцией времени. Таким образом, разверт-
ка изображения позволяет передавать информацию о яркости большого
числа элементов изображения последовательно по одному каналу связи
(рис. 1).

Принцип последовательной поэлементной развертки изображения
помимо пепосредствеппо телевидения лежит также в основе других ей-
деоинформационных систем и технологий, к которым, > частности, от-
носятся тепловидение и факсимильная связь.

Впервые идея последовательной развертки изображения была пред-
ложена в проектах аппаратов, авторами которых являлись португальский
ученый А де Пайва (1878) и русский ученый II. II. Бахметьев (1880).
В 1884 г. немецкий изобретатель Пауль Нипков предложил для разверт-
ки изображения использовать вращающийся диск с отверстиями, рас-
положенными по спирали Архимеда. Число отверстий в диске опреде-
лило число строк, на которое разлагалось изображение как на переда-
ющей, так и на приемной стороне (два диска вращались синхронно и
синфязно).

Работы профессора Московского университета А- Г. Столетова по ис-
следованию внешнего фотоэффекта (1880-1890 гг.) и изобретение пре-
подавателем Петербургского технологического института Б. Л. Розин

Рис. 1. Структурная схема телевизиоаиой спстемы визуального типа:
Ь'(х, у) и Цх, у) — поле лучистой энергии входного и выходного
изображений, (/', и (7Г — видеосигнал па входе и выходе канала
связи

11 - ।лтельство «Политехника» иллги ро1у(есНп1С5.ги
гом электронно-лучевой трубки для воспроизведения изображений (1907)
наряду с предложенным ранее принципом развертки изображения зало-
жили основу современного электронного телевидения. Заслуга Б. Л. Ро-
зинга заключается в том, что он впервые применил в трубке новый про-
цесс — модуляцию электронного луча по плотности с --д повременным
отклонением его по двум перпендикулярным осям. Дальнейшее разви-
тие телевидения шло в основном по линии создания и совершенствова
ния элементной базы электроники и средств связи на основе примене-
ния известных и вновь открываемых физических явлений 1561

В настоящее время телевизионная техника развивается по двум ос-
новным направлениям. Одно направление составляет вещательное теле-
видение. Второе направление получило название прикладного телевиде-
ния, под которым понимается использование телевизионных методов и
средств в народном хозяйстве, научных исследованиях, космической
связи, военном деле и т. д. Следует отметить, что па протяжении всей
истории оба направления развивались в тесном взаимодействии между
собой. Однако в силу специфики решаемых задач требования к систе-
мам вещательного и прикладного телевидения могут существенно раз-
личаться. Основное требование к вещательным системам заключается в
воспроизведении на телевизионном экране изображений, обеспечива
ющих необходимые условия для художественного восприятия зрителем
передаваемой сцены (сюжета). И здесь на первый план выступает про-
блема качества воспроизводимого изображения. Требования, предъяв-
ляемые к системам прикладного телевидения, вытекают из их конкрет-
ного назначения, которое может быть как достаточно универсальным,
так и узко специализированным.

Системы прикладного телевидения по назначению и принципу пост
роения делятся на две основные группы. К первой и наиболее многочис-
ленной группе относятся наблюдательные системы, называемые также
обзорно-поисковыми или информационными системами. Опи предназ-
начены для наблюдения за общей обстановкой внутри заданного простран-
ства, ограниченного полем зрения объектива, а также для визуального
или автоматического поиска, обнаружения и опознавания интересующих
оператора объектов. К> второй группе относятся телевизионныеилмери
тельные системы, служащие для контроля и измерения отдельных па
раметров объекта.

Передача информации в системах прикладного телевидения в подав
ляющем большинстве случаев осуществляется по кабельным линиям свя-
зи. Такие системы получили название замкнутых. Электрический сиг-
нал в них может передаваться от передающей к приемной стороне как в
видеочастотной области спектра, так и на одной из радиочастот путем
предварительной ее модуляции. В отдельных случаях (например, при
передаче изображении с летательных аппаратов) в качестве линии связи
используется радиоканал. Такие системы называют открытыми.

Большинство наблюдательных систем служат для визуального обзо-
ра пространства. К ним относятся промышленные, диспетчерские, под-
водные, подземные и другие аналогичные установки, многие из кото-
рык выпускаются серийно. С помощью наблюдательных систем осуще-
ствляется телевизионная разведка с летательных аппаратов, решаются
задачи воздушной навигации и управления воздушным движением,
наведения самодвижущихся носителей на объект. Телевизионные сис-
темы используются в астрономии, что позволяет существенно увеличить
дальность наблюдения, а также в биологии и медицине (телевизионная
микроскопия, эндоскопия, трансляция хода операций и пр.).

Как правило, перед наблюдательной системой ставится также зада-
ча поиска и обнаружения объекта в пространстве. При атом обнаруже-
ние может происходить как непосредственно оператором, так и автома-
тически, по заданному признаку объекта - Наиболее совершенные систе-
мы этого типа способны решать задачи автоматического распознавания
объекта и его отнесения к определенному классу.

Па рис. 2 показана общая структурная схема телевизионной системы
наблюдения, входным звеном которой служит датчик видеосигнала —
телевизионный датчик (ТД). Он представляет собой совокупность .эти-
ческих, электронных и, при необходимости, механических устройств,
обеспечивающих получение и преобразование входного оптического изоб-
ражения наблюдаемого пространства или объекта в электрический сиг-
нал (видеосигнал), пригодный дчя дальнейшей обработки. В телевизион
ный датчик входят оптическая головка, фотопреобразователь, устрой-
ство развертки изображения, предварительный усилитель, цепи синх-
ронизации. Необходимо отметить, что в процессе формирования и пре-
образования входного оптического изображения в телевизионном датчи-
ке может осуществляться первичная обработка изображения в целях
увеличения его информативности. Такая обработка, как правило, более
эффективна, чем в усилительном тракте, поскольку она осуществляется
до основных источников шумов: фотопреобразователя и входного звена
усилителя.

Принцип построения телевизионного датчика зависит от назначения
и требований, предъявляемых к системе наблюдения. Известно, что в об-
щем случае поле лучистой энергии, несущее информацию об объекте,

Рис. 2. Структурная схема телевизионной системы наблюдения

ьство «Политехника» ро1у1есЬп'1С8.ги
может быть функцией пяти переменных 1 (х, у, г, I, Л). Если необходимо
передать изображение объекта в грех координатах х, у и г, то телевизион-
ный датчик должен быть построен но стереоскопическому принципу, т. е.
состоять из двух передающих камер, находящихся друг от друга на опре-
деленном расстоянии, называемом базой. При передаче изображений бы
гтро движущихся объектов, т. е. в случае. когда яркость в каждой точке
зависит от времени ? и когда становится заметным скоростное сыазыва
ние изображения, следует сокращать время кадра или переходить к им-
пульсному режиму экспонирования фотопреобразователя. Передача спек-
трального состава излучения объекта и окружающего его пространства
осуществляется с помощью цветных телевизионных систем. Учет спект-
ров излучения объекта Ло и фона Аф с целью улучшения условий обнару-
жения объекта производится в спектрозональных системах.

Очевидно, что реализовать телевизионный датчик, выходной сигнал
которого являлся бы дискретной функцией всех пяти переменных, прак-
тически сложно (воспроизвести соответствующую непрерывную функ-
цию поля лучистой энергии невозможно даже теоретически, так как это
потребовало бы передачи но линии связи бе^-конечн^ большого объема
информации). Однако в рамках прикладного телевидения необходимос-
ти в таком датчике фактически никогда не возникает.

В телевизпонн эм датчике реализуется основной принцип телевиде
ния — развертк.'! изображения, которая может осуществляться как в
мпогоэлсмсптпых фотопрсобразоватслях, к которым относятся переда-
ющие трубки и приборы с зарядовой связью, так и в пространстве объек-
тов, например, путем качания лазерного луча. Видеосигнал, поступа-
ющий с датчика, подлежит усилению и обработке, включая при необхо-
димости запись на магнитный или иной носитель (см. рис. 2). В визу-
альных системзх обработка сигнала обычно служит для согласования
показателей оптического изображения (четкости, количества градаций
яркости и др.) со зрительным анализатором оператора.

Другая цель обработки заключается в том, чтобы выделить или под-
черкнуть в исходном изображении те признаки, которые необходимы
для решения задачи обнаружения или опознавания объекта. В этом слу-
чае окончательное решение может приниматься как непосредственно
оператором с помощью видеоконтрольного устройства (ВКУ), так и с по-
мощью специального классификатора, в памяти которого хранятся от-
личительные признаки исследуемого объекта Обработка сигнала может
производиться и ь апалогоь--й и ь цифровой формате. Согласование во
времени всех операций по развертке изображения, обработке сигнала,
его записи осуществляется синхрогенератором.

Для визуальных систем прикладного телевидения, имеющих уни-
версальное назначение, так же как и для вещательных систем, важной
является проблема обеспечения качества изображения. Существует ряд
критериев определения качества воспроизводимого изображения, будь
то изображение, полученное оптическим, фотографическим, телевизи-
онным или иным другим путем. Сложность создания единого критерия
качества заключается в том, что последний носит в значительной степе-
пи субъективный характер, т. е. зависит от особенностей восприятия и
зрительных Свойетн наблюдателя. Очевидно, что идеальным критерием
был бы критерий полного подобия (точности) передаваемого и воспроиз-
водимого изображений, оцениваемых конкретным наблюдателем. Одна-
ко подобная «физиологическая» точность при передаче натурных объек-
тов практически не достижима из-за ограниченного динамического ди-
апазона воспроизводимых системой яркостей, ограниченн >го поля зре
ния и пр. Поэтому все известные критерии качества изображений носят
в значительной степени частный характер, что, однако, не мешает их
использованию в практических целях. Рассмотрим два критерия Каче-
ства: интегральный и информационный.

Интегральный критерий качества был предложен М. В. Антипи
ным [ 1 ]. Он численно выражается некоторым функционалом ©21, пред-
ставляющим собой произведение п сенсорных характеристик зритель-
ного анализа! ора < 1:

<?=п?«

(=1

Каждая сенсорная характеристика соответствует 1-му показателю
качества изображения (зашумленности, резкости, контрасту и др.) и
представляет собой зависимость данного показателя, уцениваемого ря-
дом наблюдателей по принятой в психофизике субъективной шкале от-
ношений, от некоторой объективно измеряемой величины. Для показа-
теля зашумленности такой величиной является отношение сигнал-'шум
на выходе видеотракта, для показателя резкости — площадь под частот-
но-контрастной характеристикой системы, для показателя контраста —
сам контраст и т. д. В гл. 9 приведен пример использования интеграль-
ного критерия качества для оценки оптимального времени экспонирова-
ния фотопреобразователя в импульсной системе. Недостатком рассмот-
ренного критерия является одиндко юе весовое соотношение всех сен-
сорных характеристик, в то время как весовые соотношения между ха-
рактеристиками должны быть связаны с передаваемым сюжетом.

Информационный критерий качества изображения базируется на
известном соотношении:

1 - .Ул 10^2(1 + ^1» )»

где I — информационная пропускная способность системы, бит/с; .У —
число воспроизведенных элементов изображения; п — число передавав
мых изображений в секунду; тГ — число воспроизводимых градаций
яркости.

Использование этой формулы предполагает, что одинаковому коли-
честву информации соответствует одинаковое качество изображения.
Такое предположение, однако, можно считать обоснованным, если вход-
ные изображения являются избыточными по сравнению с информаци-
онной емкостью системы и ценность передаваемой информации ио всем
показателям качества примерно одинакова.

ельство «Политехника» и’шиг ро1у(есЬгйсв ги
Рис. 3. Структурная схгма измерительной телевизионной системы

Информационный критерий целесообразно применять только а от-
дельных случаях, когда, например, полностью отсутствуют априорные
сведения об объекте наблюдения.

Телевизионные измерительные системы строятся по структурной
схеме, изображенной на рис. 3. Основное требование, предъявляемое к
телевизионному датчику такой системы, в отличие от наблюдательной,
заключается в обеспечении необходимой точности преобразования тре-
буемого параметра изображения объекта ь видеосигнал. Составные час-
ти телевизионного датчика измерительной системы в принципе те же,
что н системы наблюдения. С выхода телевизионного датчика сигнал
поступает на видеоконтрольное устройство, выполняющее функцию ви-
доискателя, и в устройство усиления и обработки. Назначение этого ус-
тройства заключается в том, чтобы придать видеосигналу вид, пригод
пый для использования в вычислительном устройстве. Характер обра-
ботки видеосигнала зависит от назначения системы и требований,
предъявляемых к ней. В состав устройства обработки входят корректоры
видеосигнала, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь стан-
дартны, позволяющий согласовать параметры видеосигнала с быстродей
станем ЭВМ, и ряд других.

Преобразованный сигнал с выхода устройства обработки поступает в
вычислительное устройство, предназначенное для непосредственного
решения измерительных задач а соответствии с заданной программой
работы системы. Сигнал, снимаемый с выхода вычислительного устрой-
ства, фиксируется специальным регистрирующим органом, а в систе-
мах следящего тина управляет исполнительным механизмом.

Применение современных телевизионных измерительных систем
позволяет решать большое число разнообразных задач. К ним относятся,
в первую очередь, измерение и контроль различных размеров объекта
(линейных размерив, площади, периметра). Телевизионные системы ис-
пользуются для измерения координат > точечных» объектов и, при необ-
ходимости, слежения за ними. В биологии и медицине применяются

здательство «Политехника» уууууу ро1у(есЬп(С8.ги
системы для счета частиц произвольной формы (например, автоматы для
исследования состава крови). Системами для измерения параметров дви-
жения регистрируются средняя и мгновенная скорости Движения, угол
наклона траектории и т. д. Специальную группу телевизионных измери-
тельных систем составляют следящие системы, имеющие обратную связь
от исполнительного устройства к телевизионному датчику.

К тенденциям развития прикладного телевидения следует отнести
широкое внедрение твердотельных многоэлементных фото преобразова-
телей — приборов с зарядовой связью (ПЗС) и цифровой вычислитель-
ной техники. Последняя позволяет не только применять сложные и раз-
нообразные алгоритмы обработки изображений с целью получения спец
эффектов, но и проводить необходимые операции по обнаружению, опоз-
наванию, классификации и измерению параметров объектов в реальном
времени. Поскольку энергетическая чувствительность ПЗС недостаточ-
на для решения многих практических задач, перспективным является
применение матриц, сочлененных с электронно-эптическими преобра-
зователями.

Важным направлением в развитии прикладной телевизионной тех-
ники остается создание адаптивных (самонастраивающихся) систем. По-
добные системы способны изменять свои параметры ь зависимости от
изменяющихся условий наблюдения. При этом достигается оптималь
ное согласование характеристик системы и объекта, что способствует
более успешному решению поставленной задачи.

Пиле 1ьство*По )итехпика<' ро1у1есЬп1С5.ги
ГЛАВА 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

1.1. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

В большинстве телевизионных систем предусматривается зри-
тельное получение информации. Это касается не только чисто
визуальных систем, но и телевизионных автоматов, в которых
визуальный канал имеет вспомогательное значение, играя роль
видоискателя.

Зрительное  осприятие изображений объектов на различных
устройствах отображения информации (кинескопах, индикатор-
ных панелях и др.) можно разделить на три стадии: обнаруже-
ние, различение и опознавание [25].

Обнаружение — это стадия зрительного восприятия, на кото-
рой наблюдатель выделяет объект из фона, но не может еще судить
о его форме и признаках, для обнаружения необходимо выделять
в изображении только очертания объекта или его крупные детали.

Различение это стадия зрительного восприятия, на которой
наблюдатель способен раздельно воспринимать два объекта, а также
выделять отдельные детали объектов.

Опознавание это стадия зрительного восприятия, на кото-
рой наблюдатель выделяет существенные признаки объекта и от-
носит его к определенному классу. Опознавание требует воспроиз-
ведение системой большинства мелких деталей. На практике при
решении различных задач проектирования обычно ограничивают-
ся двумя понятиями: обнаружения и опознавания.

Зрительное восприятие изображения зависит от ряда независи-
мых информационных показателей: угловых размеров изображе-
ния объекта или его деталей, уровня адаптирующей яркости, кон-
траста между изображениями объекта и фона, времени восприя-
тия изображения (подвижности объекта) и его зашумленности.
С другой стороны, на процессы обнаружения и опознавания объек-
та наблюдения непосредственно влияют характеристики зритель-
ного анализатора оператора и, и первую очередь, контрастная
чувствительность зрения.

Рассмотрим кратко каждый из ипфоомационных показателей
изображения.
Рис, 1.1. К расчету углового размера изоб-
ражения детали объекта

Угловые размеры. Угло-
вой размер изображения
объекта определяется как
у!Ч)л между лучами, направ-
ленными от глаз операто-
ра к крайним точкам изоб
ражения (рис. 1.1). Угло-
вой размер определяют по
формуле

а = 2 агс^я (5/277),

где 5 — линейный размер
изображения объекта;
Н расстояние от глаз

оператора до плоскости наблюдения.

Расстояние Н рекомендуется выбирать в пределах Н - (4-?-5)Л,
где Л высота растра на экране кинескопа. Для малых углов
а = 8/11. При расчетах удобно пользоваться также соотношением
и |)э- 8/Ь, где |3Э — угол, под которым наблюдается растр на
экране кинескопа; Ь размер растра в направлении измерения
размера детали 5.

Очевидно, что для каждой стадии зрительного восприятия по-
роговые угловые размеры изображения будут разными. Абсолют-
ный порог у большинства людей составляет 0,5" (тонкая черная
линия на светлом фоне), что примерно в 120 раз меньше, чем
пороговая величина, которую в большинстве расчетов принято
считать равной 1'. Остротой зрения (разрешающей способностью
глаза) называют величину у= 1/апор, определяющую способность
раздельного видения двух отдельных предметов. Острота зрения
зависит от контраста изображения, расстояния между соседними
светочувствительными элементами сетчатки глаза, от формы на-
блюдаемого предмета и места его расположения на сетчатке. Ост-

тво оПо пггехника* ро1у1есНгнс5.ги

рота зрения выше для протяженных предметов и максимальна в
центральной части сетчатки (примерно в угле зрения 7 ).

Пороговое значение углового размера ипо|> зависит от яркости
фона 1ф. Эта зависимость при опознавании кольца Ландольта
приведена ниже.

кд/м2.......	0,1	1,0	10	100	1000

й„Ор,'.................. 5,0	1,8	1,0	0,7	0,5

Яркость изображения. Диапазон яркостей, который, может вос-
приниматься глазом, весьма широк и составляет 10 ’ Ю 5 кд/м2.
Однако рабочий диапазон яркостей намного меньше и зависит от
уровня адаптации, т, е. средней яркости поля зрения, к которой
приспосабливается глаз. При низких уровнях адаптации интер-
вал яркостей, различаемых одновременно, составляет примерно
10:1, а при высоких уровнях (дневной свет) 1000:1. Переход
от одного уровня адаптации к другому требует определенного вре-
мени. От уровня адаптации зависит острота зрения, причем опти-
мальным уровнем адаптации с этой точки зрения считают 500-
700 кд/м ', что намного превышает яркость экранов современных
кинескопов.

Для оптимальных условий работы глаза важным является со-
отношение яркостей объектов, находящихся в поле зрения:

3:1 — между рабочим полем и близким его окружением;

10:1 между рабочим полем и дальним его окружением;

20:1 — между источником света и ближайшим его окружени-
ем;

40:1 между самым светлым и самым темным местом, попа-
дающим в поле зрения.

Контраст изображения и контрастная чувствительность зре-
ния Любое изображение характеризуется яркостным контрастом.
Под контрастом многоградацион кого изображения в общем слу
чае понимается величина, характеризующая различие в яркости
отдельных его участков. От контраста элементов воспроизводи
мого изображения зависит обнаружение как крупных, так и мел-
ких деталей объекта, а следовательно и его восприятие наблюда-
телем [20]. Определим контраст как отнои/ение яркостей двух
участков изображения Ь1 и Ь2 к большему значению Ь2:

к ~

К — '	»

1и

На практике обычными являются случаи, когда один из участ-
ков изображения служит фоном по отношению к другому, прини
маемому за объект.

В зависимости от соотношения яркостей объекта и фона удоб-
но различать два вида контраста прямой и обратный [25].
При прямом контрасте яркость изображения фона 4ф больше яр-
кости изображения объекта Ьо и тогда

пл ч.»1иц.к»}Л[1>а ммм ••емипчади! »'[]• ош

при обратном контрасте

4.  41,
А —---------
Рис. 1.2. Зависимость и<>ро!«-
вых угловых размеров разли
часмых объектов апор от яр-
кости фона Ьф при различных
значениях контраста К

Контраст может выражаться как в
относительных единицах (0 К < 1),
так и в процентах. Обычно контраст
до 20 % рассматривается как малый,
до 50 % — как средний и свыше
50 % как высокий. Оптимальным
при длительном наблюдении считает-
ся контраст изображения 85 -90 пА и
выше. Фактически при наблюдении
изображений на экранах воспроизво-
дящих устройств приходится иметь
дело с контрастами, намного меньши-
ми оптимального. При этом обнару-
жительная и различительная способ-
ности зрения зависят не только от уг-
лового размера изображения объекта
и его яркости, но и от контраста. Из
графиков, приведенных на рис. 1.2,
следует, что при угловых размерах

объекта меньше Г его различимость может быть обеспечена только
при контрастах, близких к 90-100 %. Опознавание объекта воз
можно при угловых размерах, больших указанных на рис. 1.2.

При наличии внешней засветки экрана контраст изображения
снижается согласно формулам:

для прямого контраста

К'=----——;

длн обратного контраста

К'=----—----,

1 + А./А»

где 13 = р^3/л — яркость экрана от внешней засветки, создающей
освещенность Е3 (р — коэффициент отражения экрана).

Говоря о контрасте изображения, следует подчеркнуть, что эта
величина является объективной, т. е. может быть замерена од-
пим из ттпетрумептальпых способов. Вместе с тем различите явная
способность глаза определяется субъективным его восприятием,
или иначе, ощущением относительного приращения яркости
яркостного контраста (Вебер, 1860).

Впервые закон зрительного ощущения яркостей был экспери-
ментально установлен Вебером и Фехнером. Этот закон вытекает
из соотношения
1А = е-—,	(1.11

где АД — приращение зрительного ощущения яркости в случае,
когда одна из наблюдаемых соприкасающихся достаточно боль-
ших поверхностей (например, полукругов, см. рис. 1.12, и) имеет
яркость 1, а другая — яркость Ъ 4 ДЬ; 0 — коэффициент пропор-
циональности.

Очевидно, что для предельной, т. е. пороговой, различимости
обеих поверхностей равенство (1.1) приобретает вид

ДА,дк=0^^-.	(1.2)

Принимая во внимание малое значение порогового контраста,
формулу (1.2) можно представить в дифференциальном виде

= 0—.

Если 0 - сопз!, то

А = е1пЬ + С|,

(1-3)

где С1 — постоянная интегрирования.

Функция Л = /(1п Ь) называется кривой зрительного ощущения
яркостей, которая в случае 0 =соп51 имеет вид прямой наклонной
линии. Крутизна этой кривой равна 0 и при условии \Апор  1, как
это следует из уравнения (1.2),
О = ^'/(-‘пор-



Вебер и Фехнер показали, что
отношение Енор/Ь, называемое
пороговым контрастом КП(Ц1, в
широком диапазоне яркостей
дейстьительн»* является посто-
янной величиной, примерно рав-
ной 1,7% (рис. 1.3). Величину
('/(пор’ обратную пороговому
контрасту, называют контраст
ной чувствительностью /лаза.
Таким образом, закон Вебера
Фехнер» может быть представ
лен в виде уравнения (1.3), из
которого следует, что зритель
ное ощущение яркости пропор
циомально логарифму самой яр
кости.

Рис. 1 3 Зависимость порогового
контраста от яркости фона
В заключение отметим, что, нескольку пороговая величина зри-
тельного ощущения ЛАП0|) по своей сути является субъективной,
т. е. не поддающейся прямому измерению, рационально в преде-
лах постоянства порогового контраста принять ДАПи|р = 1 и счи-
тать ее градацией зрительного восприятия яркости. Заметим, что
Л1пор является объективной градацией яркости.

Временные характеристики зрительного восприятия. Времен
ные характеристики зрительного восприятия изображений связа-
ны с инерционными свойствами зрения и имеют большое значе-
ние при наблюдении за движущимися объектами или за объекта-
ми, предъявляемыми наблюдателю кратковременно. При таком
характере наблюдения яркость изображения, воспринимаемая гла-
зом, пли иначе, эффективная яркость (термин введен Л. В. Луи-
зовым) оказывается зависящей от длительности раздражения сет-
чатки глаза.. В результате при коротких раздражениях эффектиь
ная яркость оказывается существенно меньше действительной
яркости 1.

Предположим, что глаз наблюдателя фиксирован на опреде-
ленной точке, располагающейся в пределах экрана, в которой на
время т однократно появляется интересующий наблюдателя объект.
Если принять, что объект появляется перед наблюдателем в нуле
вой момент времени, то в интервале времени от до 0 наблюда-
тель воспринимает только яркость фона, причем ф « 1ф. Эф-
фективная яркость объекта Ь3 о в рассматриваемой точке про
странства

= 4-М-ПЛ+ 4- । А(т-Г)Л,

О '	О *

а прямой эффективный контраст —

в» «р

где й — время инерции зрения; Л3(^) — функция затухания зри-
тельного восприятия.

Экспери ментально доказало [34], что время инерции в широ-
ком интервале яркостей (примерно от 10 до 10’ кд/м2) равно
0,05 с, а функция затухания достаточно точно аппроксимируется
зависимостью

<.

АДО = е

\	. рол !.есЬп1С5.ги
При этом эффективные значения яркости и контраста опреде-
ляются по формулам:

- с г °) + Лрс Л\ = К(1 - с т *).

Таким образом, при однократных раздражениях эффективный
контраст, т. е. контраст, воспринимаемый наблюдателем, будет
всегда меньше действительного контраста.

Благодаря инерции зрения при периодическом возбуждении глаза
с частотой /. превышающей некоторое критическое значение /кр,
мелькающее изображение воспринимается как слитное. Это об-
стоятельство лежит в основе выбора частоты смены кадров в кино
и телевидении. Для вычисления значения /кр часто используют
эмпирическую формулу

/кр = и 1е 1 + Ь,

где а и Ь — коэффициенты, зависящие от условий наблюдения.

При выполнении условия / > /кр — аффективная яркость опре-
деляется лакомом Тальбота

I I
Д, = / /

О
а прямой эффективный контраст — выражением

Д1.р ~ Т, а


В кино и телевидении частота смены кадров или полукадров
^ = Л

Зашумленность изображения. Установлено, что влияние шу-
мов на изображение, наблюдаемое на экране кинескопа, проявля-
ется двояко [30]. Во-первых, происходит увеличение средней яр-
кости свечения экрана за счет шумовой подсветки, являющейся
следствием детектирующих свойств модуляционной характерис-
тики трубки. При этом снижается контраст изображения и нару-
шается распределение градаций яркости по динамическому диапа-
зону. Во-вторых, переменная составляющая шума создает флук-
туации яркости на экране, что ухудшает различимость отдельных
мелких деталей изображения.

Шумовая подсветка экрана влияет в основном на изображение
кру’пных деталей размером не менее нескольких десятков элементов
разложения. На рис. 1.4 изображена модуляционная характеристи-
ка кинескопа, подчиняющаяся уравнению Ь - где р — коэф-
фициент пропорциональности; Ц.м приложенное к модулятору

ктво «Политехника- \\\\\\	гпсз.ги
Рис. 1.4. Модуляцион-
ная характеристика
кинескопа при шумо-
вой подсветке экрана

Рис. 1.5. Зависимость порого-
вого контраста от отношения
спгнал/шум на модуляторе
кинескопа

кинескопа напряжение видеосигнала. Из рисунка видно, что даже
при отсутствии видеосигнала вследствие детектирования положи-
тельных выбросов шума будет иметь место свечение экрана, па фоне
которою возникают шумовые точки. Таким образом, модуляцион-
ная характеристика изменится, как это показано на рис. 1.4 штри-
ховой линией. Очевидно, что аналогичный результат будет наблю-
даться и в случае, когда модуляционная характеристика отвечает
степенной функции Ь = где у — показатель степени.

Наличие шумовой подсветки приводит к снижению контраста
изображения аналогично тому, как это имеет место при внешней
засветке экрана. При наблюдении мелких деталей, измеряемых
единицами элементов разложения, существенное значение поми
мо шумовой подсветки приобретает переменная (флуктуирующая)
составляющая яркости. Наличие этой составляющей приводит к
тому, что контраст детали также стаповитея флуктуирующим.
Возможность обнаружения детали объекта на фоне шумов при
этом резко падает из-за увеличения порогового контраста, равно-
го >КПОД. На рис. 1.5 показапа зависимость порогового кон-
траста от отношения сигнал/шум на модуляторе кинескопа для
наблюдаемой детали размерами 3x3 элемента разложения, у= 2,
равномерного спектра шума от 0 до 5 МГц и порогового контраста
при отсутствии шума КПО[} = 0,08. Кривая 1 построена с учетом
влияния на пороговый контраст как шумовой подсветки, так и
флуктуации яркости, а кривая 2 — с учетом только шумовой
подсветки.
Из графиков видно, что приЧ7 > 10 можно положить К
а при У < 2 мелкие детали становятся малоразличимыми [30]

Следует отметить, что иа маскирующее действие шума оказы-
вает влияние спектральная плотность мощности шума. Если ос-
нор чая энергия шума сосредоточена в области верхних частот, то
значение А’пор уменьшается.

1.2 РАСЧЕТ КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗРЕНИЯ
В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Возможность обнаружения, различения или опознавания изоб-
ражения объекта оператором определяется контрастной чувстви-
тельностью зрения (КЧЗ) в заданных условиях наблюдения. Из
предыдущего следует, что КЧЗ есть безразмерная величина, об-
ратная пороговому контрасту изображения объекта, при котором
он обнаруживается оператором с вероятностью Роб:

е =	=ь/ы^,

где Ь = Ьф для прямого контраста и Ь = Ьо — для обратного
контраста изображений объекта и фона соответственно.

Вместе с тем, основываясь па законе Вебера — Фсхпера, порого-
вый контраст целесообразно выразить в логарифмической шкале
яркостей [23]. Для прямого контраста его пороговое значение оп-
ределится в этом случае соотношением

б =	= к— = к------—-----= к— ------•	(1-4)

2ф«^.вр1ф 1-/Свор

Аналогичный результат получается и в случае обратного кон-
траста.

Допуская независимость влияния па пороговый контраст рас-
смотренных ранее показателей изображения, можно записать

1

вы

где — нормированные функции, учитывающие изменения поро-
гового контраста при отклонении наблюдения от нормальных ус-
ловий; п — число учитываемых факторов; бу — пороговый кон-
траст при нормальных условиях наблюдения.

Под нормальными условиями наблюдения понимается отсут-
ствие шума в изображении, его большие угловые размеры, веро-
ятность обнаружения объекта Р^^ 0,5, равенство яркостей адап-

а те ।кепи 1 П» шитехника» тму/уу, ро1у1есЬп1С8.ги
танин и фона (Ьа = 1ф) и длительное крем я наблюдения, суще-
ственно превосходящее время инерции зрения. Таким образом,
величина <5ф зависит только от яркости адаптации и при условии
выполнения закона Вебера—Фехнера, для которого пороговый кон-
траст в широком диапазоне яркостей равен йпор, имеем б0 = 0,01.

Рассмотрим функции Ц. Функция/^(р^) учитывает вероятность
обнаружения изображения объекта на экране кинескопа. При ве-
роятности Роб > 10,8-0,9) эту функцию можно аппроксимировать
выражением

/|(р) = 1 + ХР/2,	(1.6)

где %р — процентное отклонение нормальной случайной величи-
ны, причем Ф(Хр) = Р^ — интеграл вероятности.

Вероятность Ро6 связана с временем обнаружения объекта
153]:

Йо = 1 - ехр

1 )

(1.7)

где для бинокулярного зрения коэффициент Д] = 6,3 х
х 102 (угл. мин)л(кд/м2)0,3-с-град. ‘; Рэ угол поля обзора, т. е.
угол, под которым виден экран кинескопа.

Функция /2(«) учитывает влияние углового размера изображе-
ния объекта1

24
&(а) = 1 + -Г2-,
а1-

(1.8)

где а выражается в угловых минутах

Из графика, отвечающего формуле (1.8), следует, что при
а > (1+2) /2(а) - 1 (рис. 1.6). Отметим, что значение а зависит

помимо прочего от размеров экрана
кинескопа и от расстояния наблю-
дения (см. рис. 1.1).

Функция /3(т) учитывает влия-
ние времени предъявления изобра
жения объекта наблюдателю т;
/3(т) - К,'КЭ, где — эффектив-
ный контраст.

При однократном или редко по-
вторяющемся появлении объекта в
точке наблюдения (паиример, вслед-
ствие его быстрого перемещения)
зрительное восприятие фона на эк-

Плдагелъство «Оптггехника- ро1у1есЬп1С8.ги
ране кинескопа при частоте кадров, не меньшей критической час-
тоты мельканий, будет непрерывно суммироваться длительное
время, а объекта только - течение времени т. Тогда искомая
функция

где 0 — время инерции зрения.

Время т можно определить по известней скорости перемещения
изображения объекта на экране кинескопа о и линейной величине
изображения 5: т Я/п. Для малоразмерных движущихся объек-
тив или их деталей, подлежащих опознаванию, функция /3(т) мо-
жет оказаться существенно больше единицы, что отразится на
контрастной чувствительности зрения оператора.

При наблюдении за малоподвижными объектами можно поло-
жить Кл = К и тогда /3(т) = 1.

Соотношение между яркостью адаптации и средней яркостью
изображения на экране кинескопа 1 можно учесть с помощью
функции/’д(0а). которая с учетом усреднения по многим экспери-
ментальным данным имеет вид

Д (бЛ) = 0,5(е-°','-е^0‘),

(1.9)

где	 причем при сравнительно небольших размерах

изображения объекта можно принять за яркость Ь яркость одно-
родного фона. В случае Ь = Д, имеем Л1(0а) = 1. что соответствует
паилучшему условию наблюдения. Отмстим, что если при расче-
тах функция Л1(ба) оказывается немного меньше единицы, то сле-
дует принимать /4(ба) = 1 (рис. 1.7),

II . I.'. с |м тво «Политехника и V. с. по1ук*сЬт<
Функция /5(0) учитывает влияние зашумленности изображе-
ния на пороговый контраст:

А(о) =

°сА )

(1 10)

где апз — эффективное значение шума в наблюдаемом изображе-
нии, определяемое флуктуациями логарифма яркости; ое — эф-
фективное значение собственных шумов зрительной системы» пе-
ресчитанных на ее вход; Кв — коэффициент, учитывающий спек-
тральный состав внешнего шума, при нормальном законе раенре-
деления шумов и равномерном энергетическом спектре 2^, = 1.

Формула (1.10) пяппсапа в предположении, что собственные
шумы зрительной системы Суммируются с внешними шумами по
закону средних квадратов. График, отвечающий формуле (1.10),
приведен па рис. 1 8.

Таким образом, используя приведенные соотношения, можно
оценить контрастную чувствительность зрения с учетом различ
пых факторов и сделать вывод о возможности обнаружения объекта
на экране кинескопа телевизионной системы.

1.3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНАЯ, ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНАЯ
И ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Любое преобразование информации, а также передача ее по
каналу связи всегда сопровождаются определенными потерями.
В телевизионной системе существуют три пида потерь информа-
ции: пространственные, градационные и временные. Пространствен-
ные потери информации связаны с уменьшением амплитуды от-
дельных гармонических составляющих, из которых складывается
исходное изображение. Градационные потери определяются умень-
шением числа уровней энергии, передаваемых системой, а вре-
менные потери максимально допустимой частотой съема ин-
формации, равной, как правило, частоте смены кадров.

Способность линейной системы к передаче амплитуд сиена
лов всех пространственных частот, из которых складывается
исходное изображение, определяется пространственно-частотной
характеристикой системы (ПЧХ), которая в одномерном вари-
анте для продольного направления х находится из комплексной
частотной характеристики

I

хЦ/го) = | а(х)е дх,	(1Л1)

—со

где а(х) - функция рассеяния точки (импульсная характеристи-
ка системы); круговая пространственная частота.

ПЧХ представляет собой модуль комплексной частотной ха-
рактеристики х)(<о)

= 0(а))е‘/чЫ,

где ф(м) аргумент этой характеристики

Зависимоегь <р(со) является фазочастотной характеристикой си-
стемы (ФЧХ), которая при отсутствии фазовых искажений пред-
ставляет собой нрямую наклонную линию.

В линейной системе существует жесткая связь между комплекс-
ной частотной и переходной 1г(х) характеристиками системы.

й(х) = — |* — О(/н))с,шхсй-).

2г, /ю

Эта связь устанавливается также соотношением (1.11). поско.гь-
ку справедливо равенство а(х) = д/г(х)/дх. Таким образом, про-
странственные потери информации зависят от формы переходной
характеристики.

В оптике и фотографии пространственные частоты .V измеря-
ются числом периодов гармонической составляющей изображения,
приходящихся на один миллиметр: М - 1/Л, ю - 2тйУ, где А —
период гармонической составляющей, выраженный в миллимет-
рах. В телевидении пространственную частоту выражают чис-
лом полупериодов т гармонической составляющей изображения,
укладывающихся не на единииу длины, а на произвольную высо
ту растра К, т. с. т = 2Л/А, и, следовательно, 0) = ят/й. Величи-
ны й и Л можно измерять как в миллиметрах, так и числом строк

II . 1 : ельство «Политехника» ъуууху. ро,
разложения, прячем в последнем случае о - яя»/2п, где 2а —
число активных, т. е. приходящихся только на время прямого
хода кадровой развертки (на высоту растра) строк разложения.
Единицей измерения пространственной частоты при этом явля-
ется телевизионная линия (тел). Из сказанного следует, что
т = 214/г, твл.

Таким образом, телевизионная линия (твл) — это единица
измерения пространственной частоты синусоидальной или штри
ховой миры, либо другой периодической структуры изображе-
ния, равная отношению его высоты к половине периода.

Существует также понятие относительной пространственной
частоты, под которой понимается отношение 4 = т/22л. Тогда
со - пт/2а = 2п^. В случае т = 2а имеем с, = 0,5 и со = л.

Отметим, что измерение пространственных частот изображе-
ния в телевизионных линиях, относимых не к единице длины, а
к высоте растра на фотопреобразователе или кинескопе, связано с
характером самого телевизионной) изображения, которое в отли-
чие от оптического всегда имеет дискретную структуру с фиксиро
ванным числом элементов, не зависящим от способа формирова-
ния и размеров изображения.

На рис, 1.9, а, б представлены нормированные, т, е. приведен
ные к единице при 4 = 0 пространственно-частотные и соответству-
ющие им переходные характеристики телевизионной системы.
Функция 1 построена для случая, когда ПЧХ системы имеет
11-образную форму с резко ограниченней полосой частот. На соот-

Рис. 1 9 Прострапствеппо-чиетотиые (а) и переходные (б) характеристики
телевизионной системы
ветствующей переходной характеристике наблюдаются выбросы,
носящие при отсутствии фазовых искажений симметричный ха-
рактер. Наличие этих выбросов приводит к появлению на воспро-
изводимом изображении повторных контуров границ крупных де-
талей объекта. Из сравнения кривых 2 и 3 видно, что максималь-
ная крутизна переходной характеристики, имеющая место при
X = 0, зависит от площади, ограничиваемой ПЧХ.

По переходной характеристике определяют резкость границ
воспроизводимого изображения как разность \х - х0 у - х0 ) между
точками, соответствующими 0,9 и 0,1 Л(х) (см. рис. 1.9).

При нахождении ПЧХ системы следует помнить, что она пред-
ставляет собой произведение ПЧХ отдельных звеньев: объектива,
фотопреобразователя, видеотракта и кинескопа.

Из определения ПЧХ следует, что для ее получения экспери-
ментальным путем необходимо использовать оптические миры с
синусоидальным распределением яркости вдоль линии развертки
(рис. 1.10, а). Па практике, однако, удобнее пользоваться более
простыми штриховыми мирами, имеющими прямоугольное рас-
пределение яркости (рис. 1.10, б). Снятые по таким мирам харак-
теристики традиционно называют частотно-контрастными ха
рактеристиками (ЧКХ), обозначаемыми далее К((о) и представ-
ляющими собой зависимость амплитуды яркости штриховой ми-
ры от ее частоты. Для сравнения между собой ПЧХ и ЧКХ следу-
ет пользоваться формулами

6(ы) = ?
4

ПЛ8? • •

Я(ю) + -Х(3<»)-* Л'(5ю) + -К(7<о) .. ;
3	5	7

4	111

К(ш) = - 6(ю) - - 6(3<о) + - 6(5(о) - - 6(7ю)
л 3	5	7

Отметим, что как ПЧХ, так и ЧКХ могут непосредственно
выражаться через число полупсриодов или линий т соотвстству-

Риг. 1 10 Синусоидальные (и) и прямоугольные (б) распределе-
ния яркости ь оптической мире
Рис, 1.11 Частотно контрастные характеристики телевизионной сис
темы: а стандартная; б при различных отношениях сигпал шум;

'	Ж"*®*-2

ющей миры, приходящихся на высоту растра. Обозначают их О(т)
и К{т).

На рис. 1.11. а. б показаны ЧКХ систем, на которых по оси
ординат отложено отношение Л(т) Л(Ц), где по определению К(т) =
- Ь„(т) — амплитуда яркости т-го компонента штриховой миры;
Л'(0) = 10(/п) соответственно нулевого компонента (крупная
деталь изображения). Помимо понятия ЧКХ принято также пользо-
ваться понятием частотной зависимости коэффициента модуля-
ции Л/(т)/Л/(0), под которым понимается отношение амплитуды
яркости = (1ПшХ - Ьт1П)/2 к постоянной составляющей Ьо
(см. рис. 1.10). Нетрудно показать, что для любой частотной
компоненты

М(т) = Дц 1 Д| = (Д— Д1к10 ) 2Д| - (Дшх — Д_,1и ) (Доля +	 )•

Для пулевой компоненты Л/(0) - 1,га(0)/Ец, причем при уело
вин 1.т1п - 0 имеем ЛДО) - 1. Зависимость ЛД/п) носит название
функции передачи модуля цели (ФПМ). Из приведенных сообра-
жений следует, что

Х(ш)/Х(0) = М(т)/М(0) = ^(лО/Д.ДО),

т. е. понятия ЧКХ и ФПМ являются идентичными.

При стандартных измерениях ЧКХ зависимость К(т) обычно
снимается по предельно контрастным оптическим мирам и при
достаточно больших освещенностях фотопреобразователя, кото-
рые обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум ня выхо-
де видеотракта ииц1Х от крупных деталей изображения (рис. 1.11. а).

во «Политехника» ро^есНп.сб.ги
При пониженных значениях ф ЧКХ изменяют свое расположе-
ние. В этом случае семейство нормированных ЧКХ может быть
представлено в виде, изображенном на рис. 1.11, б. На этом ри-
сунке значение Х(0, 1) соответствует амплитуде сигналов на вы-
ходе видеотракта от крупных деталей изображения при V = Утах.
а кривая I представляет собой стандартную ЧКХ. Кривая 2 пост-
роена для случая у = 0,5ф111ах.

1.4. ГРАДАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Градационная (полутоновая) хароктсристика телевизионной
системы, определяющая ее нелинейные свойства, выражается за
висимостью 1пЬ = /(1п//), где Л яркость воспроизводимого на
экране кинескопа изображения; 1' — яркость объекта. Полное
физическое подобие двух полей яркостей Ь'(х, у) и /Дх, у) будет
иметь место, очевидно, в случае выполнения равенства Ь(х, у) =
у), где К 8 — коэффициент пропорциональности. Отсюда
вытекает соотношение

из которого следует, что телевизионная система должна полнос-
тью воспроизводить динамический диапазон яркостей объекта.
Однако это реально только для частных случаев передачи по теле-
визионному каналу фотографий, полиграфической и другой ана-
логичной продукции и практически неосуществимо при воспроиз-
ведении натурных объектов, динамический диапазон яркостей
которых, как правило, весьма широк.

Вместе с тем не только в прикладном, но и в вещательном
телевидении требование физического подобия обоих полей ярко-
стей нс является обязательным. Обязательным является лишь
получение необходимого объема зрительной информации об объекте
или требование, вытекающее из художественного восприятия пе-
редаваемой сцепы. При этом возможно по только сжатие динами
ческого диапазона яркостей объекта, но и, в случае необходимос-
ти, заведомое искажение закона распределения градаций яркости
внутри этого диапазона. Определяющим фактором является зри-
тельное впечатление от изображения, которое при заданных усло-
виях наблюдения и размерах изображения объекта будет зависеть
от кривой зрительных ощущений яркости А = /(1п Л>), где зритель-
ное ощущение яркости А выражается в условных единицах зри

- гво «Политехника» "
тельного ощущения, принимаемых как 1АЦОр = 1 [40]. Напом-
ним, что \АПрр соответствует одной световой градации, выражен-
ной в ощущениях яркости, в то зремя как ЛЕпор является той же
градацией, но выраженной в объективных единицах.

Рассмотрим два случая определения градационной характерис-
тики телевизионной системы, отвечающие условиям И = сопз1 и
0 * сопзГ, где в — коэффициент в формуле (1,1).

1.0 = сопя1. Зрительное ощущение градаций яркости подчиня-
ется закону зрительного восприятия яркостей, т. е. психофизиче-
скому закону Вебера—Фехнера. Согласно этому закону, А -01п Ь + С
и А* 01п С + С'. С учетом выбора единицы измерения величины А
положим далее С = С' = 0.

Выражение для искомой градационной характеристики может
быть получено, если известна или задана зависимость А = /(А'),
которая имеет смысл градационной характеристики системы, вы
раженной в световых ощущениях. Крутизна этой характерном
ки называется градиентом воспроизведения полутонов: у =ЛА/ дЛ‘,
откуда с учетом равенств дА = ЧдЬ/Ь и дг\.' -ВдЬ'/Ь' получаем

<Н,/Ь=у<Н//Г

и, следовательно,

1пЛ. = у1пЬ'+1пЛ|,	(1 12)

где 1п ку — постоянная интегрирования.

Из формулы (1.12) следует, что градационная характеристика
линейна, если у = сопз1, причем этот случай соответствует равно
мерной и пропорциональной передаче градаций яркости ЛА, выра-
женных в световых ощущениях. Если значение коэффициента у
не постоянно внутри динамического диапазона передаваемых яр
костей, то градационная характеристика оказывается нелиней-
ной.

Коэффициент у часто называют коэффициентом контрастное
ти, численно равным показателю степенной функции, вытека-
ющей из уравнения (1.12):

Ь = Л»(Х/)У»	(113)

где коэффициент ку = Ьтах/(1'тах)т.

2. 0 * сопз1. Формула (1.13) долгое время являлась основой
для расчета градационной характеристики телевизионной систе-
мы и ее звеньев. Однако еще Е. Лоури (1929), а затем и другие
исследователи под руководством Е. Л. Орловского показали, что
закон восприятия градаций отличается от закона восприятия яр-
костей Вебера и Фехнера. Отличие заключается в том. что вос-

Политехника» р<»1\1есЬшс5.ги
приятие градаций отдельных
деталей телевизионного изоб-
ражения производится наблю
дателем практически при по-
стоянной адаптации зрения.
В экспериментах Вебера и
Фехнера адаптация глаза из-

Рис. 1.12. К определению контрастной
чувствительности зрения при пер<мен-
ной (а) и постоянной (б) адаптации зре
нкя

менялась с изменением ярко-
сти сравниваемых полей, имев-
ших значительную площадь
(рис. 1.12, а) Е. Лоури впер-

вые снял кривую зависимости

контрастной чувствительности зрения от яркости при постоянной
адаптапии Ьа (рис. 1.12, б) и показал, что даже в сравнительно
узком интервале яркостей величина Ь/Ьиор, строго говоря, не ос-
тается постоянной.

В рассматриваемом случае кривая зрительных ощущений поля
яркостей изображения Л - Д1пЛ) выражается нелинейной функцией

А = [ 9— + С, или А = |Нс/(1п Ь) + С,
1^

(1.11)

где 0 - с1А '(дЬ/к) *• сопв1 — крутизна кривой зрительных ощуще-
ний яркостей.

Для графического построения градационной характеристики
системы на основе экспериментально снятых кривых при различ-
ных условиях адаптации Ь/ДЬП - Д1п Ь), одна из которых в
зависимости от десятичного логарифма приведена на рис. 1.13

Рис. 1 13. Зависимости	1) и А - /|1е Ц

при постоянной адаптации зрения 320 кд/м'
Рис. 1.14 Диаграмма построения гра-
дационной характеристики телевизи-
онной системы

[40], предварительно строятся
зависимости А - /(]п ТА и А' =
= /(1п Ь'). При этом использу-
ется формула (1.14), в которой
операция интегрирования .заме-
няется суммированием конеч-
ных величин. Из формулы (1.2)
вытекает, что приЛАпор= 1 ко-
эффициенте -Ь/ДЬпор, и, сле-
довательно, кривая Ь/ДЬпор =
/(1п ТА является кривой кру-
тизны зависимостиЛ — /(1п Ь).

При расчете градационной
характеристики, как и в пер-
вом случае, должна быть за-

ПД 8? ।

дана зависимость А - /(1и Ь')-
Тогда путем обычных постро-
ений в четырехквадрантной
диа1 рамме (7-ЛЭ (рис. 1.14) получается искомая характеристика
1п 1 = Шп Г).

Таким образом, можно заключить, что расчет градационной
характеристики телевизионной системы по формуле (1.13) реко-
мендуется производить в сравнительно узком интервале яркостей,
в котором функцию Л = Д1п Ь) допустимо аппроксимировать пря-
мой линией. В широком интервале яркостей следует использовать
графический метод.

1.5. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ

И ВЫБОР ЧИСЛА СТРОК РАЗЛОЖЕНИЯ

Разрешающая способность является важнейшим параметром
любой телевизионной системы, характеризующим ее способность
раздельно воспроизводить мелкие детали изображения.

Разрешающая способность системы определяется максималь-
ной пространственной частотой, при которой обеспечивается
пороговый контраст воспроизводимого на экране кинескопа изоб
ражения предельно контрастной синусоидальной или штриха
вой миры для визуальных систем, либо пороговое отношение
сигнала к шуму на выходе видеотракта от той же миры для
автоматических систем. Таким образом, согласно этому опреде-
лению в состав визуальной телевизионной системы включается и
зрительный аппарат оператора — получателя конечной информа-
32
ции. От разрешающей способности системы зависит четкое т ь и зоб
ражения. являющаяся одним из показателей его качества

Разрешающую способность при линейной развертке обычно
оценивают в двух нанравлеииях (вдоль и поперек строк) и изме-
ряют, как и пространственную частоту, в телевизионных линиях,
приходящихся на высоту растра Л. В любом направлении разре-
шающая способность Р, = Л/7, где I — ширина воспроизводимого
штриха миры на пороге ее различения. Поскольку Л = 2Л1С, где
(с ширина строки, то

(1.15)

При I = /< имеем 7?р = 2Л.

В оптике разрешающую способность принято измерять числом
пар предельно различимых черных и белых линий миры, приходя-
щихся на 1 мм. Если обозначить эту величину через #р, лин./мм,
а высоту’ растра на фотопреобразователе или кинескопе — через Л,
то получим

Яр = 2.УрЛ.

Продольная разрешающая способность телевизионной системы
определяется по ПЧХ пли ЧКХ, если известна величина уров

ня отсчета Д (см. рис. 1.9, 1.11). Значение уровня отсчета для
систем визуального типа зависит от распознаваемости оператором
изображения миры, т. с. се порогового контраста в реальных ус-
ловиях телевизионного наблюдения Уровень отсчета разре-
шающей способности для визуальных систем Л-ЛГпор/М(0) (см.
рис. 1.11). Связь порогового коптраста /Гпор и порогового значе-
ния коэффициента модуляции Л/пор имеет вид

М = К,пд _

•Ч1ВР ~	„	•

следовательно, при М(0) = 1 Д = ЛГпор/(2 - 1?цпр). Например, если
Лпор^0,2, то Л = 0,11.

Поскольку пороговый контраст зависит от размера детали объек-
та, т. е. в данном случае от значения т, то и уровень отсчета в
общем случае не остается постоянным и зависящим от расстоя-
ния наблюдения Н (рис. 1.15). Для исключения зависимости раз-
решающей способности системы от величины Н необходимо рас-
сматривать изображение миры на сравнительно близком расстоя
нии (расстоянии П3 на рис. 1.15).

Для автоматических систем Д Упор/Утах1 где Упор — порого-
вое отношение сигнал/шум, определяемое условиями регистрации
сигнала от предельно контрастной миры на выходе видеотракта

11 . иге |1.с)цо -По чттехника» \\т. • ро1у1есЬп1С8.ги
Риг. 115. Определение разрешающей спо-
собности телев»тонной системы при раз-

личных расстояниях II от наблюдателя

Рис. 1.16. Зависимость разре-
шающей способности системы
от отношения снгиал/шум

пшсБ.ги

до экрана кинескопа

I

7/////Л1

Рис. 1.17 Иллюстрация зависимости
поперечной разрешающей способности
системы от относительного расположе-
ния штрихов миры



с заданной вероятностью; У|1|ах — максимальное отношение сиг-
иал/тиум, взятое для круппых деталей изображения, когда разре-
шающая способность достигает максимума Л1"1' (рис. 1.16). Оче-
видно, что при пониженных отношениях сигнал/шум разреша-
ющая способность будет меньше предельной (см. рис. 1 11,6),

Из рис. 1.9 следует, что при различных формах ПЧХ разреши
ющая способность системы может оказаться одинаковой. Однако
площадь, ограничиваемая разными по форме ПЧХ, будет различ-
ной. Для монотонно изменяющихся характеристик площадь под
ПЧХ определяет резкость передаваемого изображения и. следова-
тельно, при одной и той же
разрешающей способности
систем резкость воспроизводи-
мых ими изображении ока-
жется неодинаковой.

Поперечная разрешающая
способность тслсвизионпой си-
стемы л у ограничивается чис-
лом строк разложения. Пред-
положим, что строки растра
располагаются плотно одна К
другой, т. е. без наложения и
пропусков (рис. 1.17). Тогда
поперечная (вертикальная) раз-
решающая способность будет
определяться размерами пере-
даваемых штрихов миры и их








расположением относительно осей строк. В случае, когда оси строки
и штриха, имеющих одинаковую ширину, совпадают, получим при
воспроизведении I = 1С и, следовательно, пр - 2Л. При смещении осей
на половину строки воспроизводимое изображение штриха будет вдвое
больше вертикального размера передаваемого изображения, т. е,
I = 2/с, что, согласно формуле (1.15), отвечает случаю = 0,5^а.
При расчетах обычно принято оценивать разрешающую способность
системы в поперечном направлении как некоторую среднюю величи-
ну, лр = О,75Иа.

Поперечная разрешающая способность может быть определена
с учетом двух факторов: угловой разрешающей способности глаза
(остроты зрения) апор, ограничивающей видимость строчной струк-
туры растра, и условия обнаружения отдельных деталей изобра-
жения объекта. Рассмотрим оба фактора последовательно.

1.	Угол, под которым будет наблюдаться горизонтальный штрих
на экране кинескопа, удаленного от оператора на расстояние Н,
составляет:

в радианах <р =

в угловых минутах

180 60 й 3438Й
Ф =---------=------.

пп Н ПрН

Если принять Н/Л = 5 и приравнять Ф = ииор- 1', то получим
Пр = 688 твл. 2, - Пр/0,75 = 920 строк.

Отметим, что для существующего стандарта на вещательное
телевидение = 575 строк, чему соответствует па = 430 твл и
Я/Л=8.

2.	Необходимое значение нр, удовлетворяющее условию обнару-
жения или опознавания отдельных характерных деталей изобра-
жения, можно определить, если известен характер самого объекта.
При этом необходимо знать экспериментально устанавливаемое число
различимых элементов Рэ, приходящихся на вертикальный линей-
ный размер обнаруживаемой (опознаваемой) детали. Например, лицо
человека может быть узнано при Рэ = 30, автомашина в движе-
нии при Рэ- 3, а в неподвижном состоянии при = 8 129].
Существуют также следующие рекомендации при выборе числа Р,
|48]. Обнаружение объекта требует примерно двух-трех телевизи-
онных линий, приходящихся на его минимальный размер, разли-
чение объекта — 8 твл, опознавание — 12,8 твл.

Если известно значение Рэ, а также вертикальный размер изоб-
ражения детали Ло, то

-Политехника- ро1у1.есЬп1С8.ги
Яй
" /ъ '

Таким образом, чем крупнее деталь, т. е. чем больше размер
й0, тем требуется меньшая разрешающая способность системы
для ее обнаружения или опознавания, а следовательно, и мень-
шее число строк разложения. Окончательный выбор числа строк
разложения рекомендуется производить исходя из обоих условий.
В целях унификации элементной базы это число часто выбирают
в соответствии с существующим стандартом на вещательное теле-
видение, что, однако, не является обязательным для систем при-
кладного назначения.

< ПП1С8 ги

1.6. КОЛИЧЕСТВО ГРАДАЦИЙ ЯРКОСТИ
ВОСПРОИЗВОДИМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

В телевизионной системе распознаваемость объекта и его дета-
лей на экране кинескопа основывается на различении перепадов
яркости, называемых градациями яркости или полутонами. По-
роговая градация яркости АДпор. при которой возможно обнару-
жение или опознавание объекта, зависит от контрастной чувстви-
тельности зрения в заданных условиях наблюдения. Для автома-
тических систем аналогом воспроизводимой градации яркости яв-
ляется приращение (градация) сигнала АЦ., которое может быть с
требуемой вероятностью зафиксировано пороговым устройством
АЦП. Связь величины Д(7С с пороговым отношением сигнала к
шуму устанавливается формулой

ДЦ

№.

где (Ла — напряжение шумов на входе порогового устройства.

Выше было показано, что связь яркостей объекта Л' п воспро-
изводимого системой изображения!, устанавливается ее градаци-
онной характеристикой 1п Ь = /(1п //). По аналогии для автомати-
ческих систем можно написать 1п (/с - /(1п I/), где 1/с — сигнал на
входе порогового устройства. Очевидно, что обе эти характеристи-
ки ограничиваются динамическим диапазоном яркостей объекта
или чаше яркостей изображения !-тах/!-п11П. а для
автоматических систем — динамическим диапазоном сигналов на
входе АЦП ^стах/^спйп*
Аналитическое решение задачи нахождения количества вос-
производимых системой градаций яркости крупных деталей изоб-
ражения можно произвести, воспользовавшись, например, форму-
лой (1.13) для визуальных систем или по аналогии с ней форму-
лой

и. =К| (Г)у	(1.16)

для систем автоматического типа.

Отметим, что, поскольку формула (1.13) вытекает из закона
Вебера—Фехнера, градация ДАП0|, при изменении яркости изобра-
жения А не остается постоянной, так как ДЬпор/Ь = Лгпор = сопвЬ.
Тогда для этого случая можно написать

Алел ж Дп1п 11+ ^Огч-1 >

где п число воспроизводимых градаций яркости.

Отсюда

п_1пО^, Ь I ,1ч )у (Д1.д)Ч
1п (1 + АГ-|,|_, ) 1П (1 + К ,р)

В случае, если пороговый контраст во всем диапазоне воспро-
изводимых яркостей нельзя считать постоянным, то, как показы-
вает анализ кривых Ь/\Ь - ?(Ы, вплоть до яркости адаптации Ья
(см. рис. 1.13), в первом приближении допустимо ноложить
1пор ~ сопя! и тогда

Ад* ~ Аи1В *	’

откуда

___Аппл — 1* йи _ ап*

П -------—— - =  --- .

ААаиу ААцр

где К максимальный контраст изображения на экране кине-
скопа в отсутствии посторонних засветок: Ьшах/ДЬпор — контра-
стная чувствительность глаза при максимальной яркости экрана
Апах'

Легко убедиться, что присутствие посторонних засветок не вли-
яет на количество передаваемых градаций яркости.

Для автоматических систем I/, тя_ = 1А 1П1П -г пД1/_, откуда с
учетом формулы (1.16)

'Тздатечьство «Политехника \\ \\ и роМесНпн
Рис. 1 18. Распределение градация яр
косги объекта ЛЬ' ипутри динамиче-
скою диапазона Ьмлх/Ь'шт Для авто-
матической системы

Из полученных результатов
следует, что число градаций яр-
кости, воспроизводимых теле-
визионной системой, будет оп-
ределяться пороговыми величи-
нами ЛЬпор, Кпор или Д[/с. а
также динамическим диапазо-
ном передаваемых кинескопом
яркостей (для автоматических
систем — сигналов не входе по-
рогового устройства АЦП). Ко-
эффициент контрастности у, от
которого зависит форма града-
ционной характеристики и ее
наклон (в логарифмических ко-

ординатах), влияет только на перераспределение градаций ярко-
сти объекта \Ь' по динамическому диапазону Ь'тах/и не из'
меняет их общего числа (рис. 1.18). Так, при у< 1 число града-
ций яркости М/ на темных участках изображения будет увели-
ченным по сравнению со светлыми участками, а при у > 1 —

IV ро1у1есЬ1ис5.ги

наоборот. Приу-1 будет иметь место равномерное распределение
градаций. Таким образом, изменяя значение коэффициента у, мож-
но регулировать информативность передаваемого изображения на

отдельных участках динамического диапазона и тем самым улуч-
шать условия обнаружения или опознавания объекта наблю-

дения.

1.7.	ВЫБОР ЧАСТОТЫ СМЕНЫ КАДРОВ

И ЯРКОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Частоты смены кадров на передающей и приемной сторонах
телевизионной системы, как правило, бывают одинаковыми, но
могут и отличаться друг от друга, как, например, в малокадро
вых системах (см. гл. 9). В этом случае в системе предусматрива-
ется специальный преобразователь стандартов, позволяющий на-
блюдать изображения на обычном экране.

Частота смены кадров в телевизионном датчике определяет ча-
стоту съема информации системой и является параметром, от кп
торого зависит временное разрешение системы и требуемая полоса
частот канала связи. Основным критерием при выборе частоты
смены кадров на приемной стороне для визуальных систем явля-
ется допустимый уровень мерцаний изображения. В вещательном
38
ТАБЛИЦА 11

и1	Чаш:*	Г-д		
		1ЯМВП11Ж и	/кмс авт «логи
			
 ,3	36	31	25
о. 0	41	37	31
40.0	48	и	84

телевидении частота мерцаний должна быть не ниже критиче-
ского значения/К]1. при котором изображение, по крайней мере н
пределах центрального зрения, воспринимается как полностью
слитное. В прикладных системах, особенно если длительность не-
прерывного наблюдения не превышает нескольких минут, часто-
ту смены кадров можно несколько снизить.

Ранее отмечалось, что критическая частота зависит от ряда
причин, в частности от яркости изображения. В табл. 1.1 пред-
ставлены результаты измерения частоты мерцания от яркости эк-
рана, выполненного из виллемита (2п28Ю|Мп).

Частота мерцаний существенно зависит от материала люмино-
фора, который нанесен на экран. От материала люминофора зави-
сит также время его затухания. Если система предназначена для
передачи малоподвижных изображений, то можно выбрать люми-
нофор с увеличенным временем затухания и за счет этого снизить
видимость и частоту мерцаний изображения. Определяющим фак-
тором при выборе люминофора будет являться остаточная яр-
кость, с которой начинается новый цикл его возбуждения. Для
виллемита = 1,25 %.

Принимая во внимание высказанные соображения, частоту сме-
ны кадров в прикладном телевидении допустимо выбирать на 10-
15 % ниже, чем это предусмотрено вещательным стандартом. Одна-
ко при выборе частоты смены кадров приходится руководствоваться
и другими соображениями, например, учитывать искажения, возни-
кающие при передаче изображений движущихся в продольном на-
правлении объектов, или принимать во внимание возможность уни-
фикации элементной базы при проектировании системы.

Выбор яркости фона телевизионного изображения должен удов-
летворить следующим требованиям 1,29.).

1.	Яркость должна быть достаточной для обеспечения удовлетво-
рительной остроты зрения. Если принять при яркости 3000 кд/м2
остроту зрения за 100%, то при яркости 30 кд/м ’ она будет
составлять примерно 80 %.

2.	Яркость должна быть достаточной с точки зрения длительнос-
ти сохранения глазом заданной остроты зрения. Устойчивость ясно-

< (ьство «Политехника» умуш ро1у(ес1'1П1С5 ги
го видения растет с увеличением яркости и достигает максимума
при яркости около 64 кд/м2, оставаясь затем примерно постоянной.

3.	Выбранная яркость должна удовлетворять требованию до-
стижения максимально возможной контрастной чувствительнос-
ти глаза. С этой точки зрения яркость фона должна лежать в
пределах от 30 до 300 кд/м2.

4.	При наличии посторонних засветок экрана кинескопа яр-
кость должна выбираться достаточной с точки зрения допустимо-
го снижения контраста изображения.

Таким образом, принимая во внимание перечисленные требо-
вания, а также возможности современных типовых кинескопов,
рекомендуемые значения яркости фона телевизионного изображе-
ния должны составлять 40--90 кд/м ’.

1.8.	ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И КОНТРАСТНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Системы прикладного назначения часто приходится эксплуа-
тировать в сложных условиях наблюдения, которым свойственны
ограниченные контрасты и энергии входных изображений. В та
ких случаях особо важное значение приобретает энергетическая и
контрастная чувствительности системы.

Определим энергетическую чувствительность как величину,
обратную минимальной входной энергии ^Уагт1п, а контраст-
ную чувствительность — как величину, обратную минимально
му контрасту входного изображения Квхт1п, при которых сис
тема обеспечивает выполнение своих функций. К таким функци-
ям для систем наблюдения относятся обнаружение и опознавание
объекта с заданной вероятностью, а для измерительных систем
измерение того или иного параметра объекта с требуемой точностью.

Данное определение физически связывает между собой энерге-
тическую ес = 1/И'ВХП1,п и контрастную Ес = 1/КВХП1]П чувстви-
тельности системы, что является оправданным с точки зрения
системного подхода к решению указанных выше задач и предоп-
ределяет в широких пределах возможность проведения между обе-
ими величинами обменных операций. Подобный обмен может осу-
ществляться, например, путем изменения значения коэффициен-
та усиления видеотракта, как это будет показано в гл. 10.

Для прямого контраста

И® - Ж,

И ал пйп = й ф |пвв; Хц, =--—----,

игечьсгво *По 1ите\ник(1- гглуи* ро1ук'сИп1С8.ги
где И'ф и IV — энергия на входе фотопреобразователя от фона и
объекта соответственно.

Поскольку телевизионная система по своей природе является
многоэлементной, то энергию обычно относят к одному элементу,
площадь которого равна 5Э. Тогда для прямого контраста

_	1	.	_ Лр

Лр пмлАт$1	Ль “ Л,

где Еф, Еп освещенность фотопреобра.зователя от фона и объек-
та; /п — время накопления энергии (для систем без накопления
энергии 1Я — время передачи одного элемента).

Если освещенность ла время (н не остается постоянной, то
получим следующие соотношения:

1	.	ЯФ

^1*ПНП$1	— Лд

Ц

где Н - [ Е(1)с11 —экспозиция, сообщаемая фотопреобразователю.
О

На практике часто пользуются понятием энергетической, или
световой, чувствительности системы, датчика или фотопреобразо-
ватсля как величиной, обратной минимальной освещенности, Ог-
раниченность использования этого критерия, особенно при срав-
нении систем с различными площадями элемента 5, или временем
накопления (н, очевидна.

С5.П1
ГЛАВА 2

РАЗВЕРТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ

И ОБРАЗОВАНИЕ ВИДЕОСИГНАЛА

2.1.	ЗАКОНЫ И СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
РАЗВЕРТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Основополагающим принципом действия телевизионной систе-
мы является принцип последовательной передачи изображения
но элементам.

Процесс последовательного преобразования яркостей элемен
тов оптического изображения в злектрические сигна чы, или об-
ратный процесс, называется разверткой изображения. Таким об-
разом, с помощью развертки осуществляется электрооптический
анализ и синтез изображения.

Развертка может происходить как на входе системы, так и в
плоскости расположения объектов. В большинстве телевизион-
ных систем развертка изображения производится первым спосо-
бом, реализуемым в передающих трубках или твердотельных при
борах одновременно с процессом фотоэлектрического преобразова-
ния. Развертку в плоскости объекта осуществляют в так пазыва;
емых системах «бегущего луча». К ним относятся, например, ла-
зерно-телевизионные системы с электронным или механическим
сканированием луча. Применение лазера в таких устройствах удоб
но тем, что помимо высокой концентрации энергии лазерный луч
обладает малой расходимостью. Это позволяет получать высокую
разрешающую способность системы, как па больших, так и па
малых расстояниях от объекта. В качестве фотонреобразователя
в системах «бегущего луча» используются одноэлементные при-
емники (фотоумножители).

Развертки, используемые в современной телевизионной аппа-
ратуре, можно классифицировать по различным критериям, среди
которых наиболее характерными являются:

-	закон движения развертывающего элемента (построчная, че-
ресстрочная, спиральная, радиальная и другие развертки);

скорость движения развертывающего элемента (постоянная
или переменная скорость разложения, «быстрая» или «медлен
ная» развертки);

характер движения развертывающего элемента во времени
(непрерывный или дискретный в каком-либо направлении);
-	наличие или отсутствие растра (однострочная, растровая л
безрастровая развертки), а также его форма (круглая, прямо-
угольная, квадратная).

Отметим, что растром называется совокупность строк или
спиралей, приходящихся на один кадр, (Калр — это изображение,
содержащее полное количество элементов, на которое оно разла-
гается в процессе электрооптического анализа.)

Наибольшее распространение получили построчная и чересстрач
пая развертки, обеспечивающие получение растра прямоугольной
или квадратной формы при непрерывном движении развертыва-
ющего элемента в продольном и дискретном смещении его в попе-
речном направлении (рис. 2.1, а, б). В твердотельных фотопреоб-
разователях в продольном направлении развертка также являет-
ся дискретной.

При построчном разложении развертывающий элемент после-
довательно обегает все строки, причем развертка изображения в
течение одного кадра происходит за один никл. В этом случае
частота кадровой развертки и частота смены кадров совпадают.
При чересстрочной развертке разложение изображения, соответ-
ствующее одному полному кадру, производится в два приема. Сна-
чала осуществляется рахтожение нечетными, а затем четными стро-
ками. При этом обеспечивается чересстрочная развертка, при ко-
торой отношение времени передачи одного поля к времени переда-
чи всего кадра составляет 1 : 2. Для осуществления этой разверт
ки необходимо выполнение условия 'Л - 2п + 1, где 2 — число
строк в кадре; п — любое целое число.

В матричных ПЗС число строк в кадре обычно четное. При
этом для получения чересстрочной развертки в кинескопе послед-
нюю строку каждого полукадра следует использовать только на-
половину.

Аналогично можно получить чересстрочную развертку 1 : 3, 1 : 4
и т. д. Прп чересстрочной развертке 1 : 2 частота кадровой разверт-
ки оказывается в два раза выше частоты кадров, что дает возмож-

Рис. 2.1 Построчная (а) и чересстрочная (б) развертки изображения

б)

11; мтс п><। •• ] |о ж р\1|ик,|- \му\у ро1у1есЬ1П1С8.ги
ность в два раза увеличить частоту мельканий изображения по
сравнению с построчной разверткой, имеющей ту же скорость в
продольном направлении и ту же длительность кадра. Преимуще-
ство чересстрочной развертки реализуется только в визуальных си-
стемах. В автоматических системах ее использование нерациональ-
но, поскольку она значительно усложняет синхронизирующие уст-
ройства. Чересстрочное разложение в автоматических системах оп-
равдано лишь с точки зрения унификации элементной базы.

Развертка, как построчная, так и чересстрочная, осуществля-
ется обычно с постоянной скоростью сканирования развертыва-
ющего элемента. Это обеспечивает, в частности, идентичность ус-
ловий образования сигнала изображения во всех точках растра,
так как для передающих трубок с накоплением энергии величина
сигнала обратно пропорциональна времени коммутации участка
мишени, равного одному элементу изображения, иначе, размеру
развертывающего элемента. Указанное обстоятельство весьма важ-
но как для наблюдательных, так и для измерительных систем,
поскольку величина сигнала оказывается не зависящей от поло
жения изображения объекта внутри растра.

Постоянство скорости сканирования как в продольном, так и
в поперечном направлении достигается применением так называй
мых линейных, треугольных или трапецеидальных разверток.
Недостатком линейной развертки является наличие обратных хо-
дов по строкам и кадрам (рис. 2.2, а). В соответствии с существу-
ющим стандартом на обратный ход кадровой развертки отводится
8 % от ее периода, т. е.	+ Т 1(>) - 0.08. Тогда, при полном

(номинальном) числе строк разложения, приходящихся на весь
кадр, 2 = 625, число активных, т. е. приходящихся только на
прямой ход развертки, строк составляет 2Й - 575. Таким обра-
зом. 50 строк теряется при возвращении развертывающего зле-

сЬгйсз

Рис 2.2. Линейная (и), треуголь-
ная (б) и трапецеидальная (о)
развертки изображения
мента из нижней части растра в верхнюю (но 25 строк в четном и
нечетном поле). На обратный ход по строке отводится около 16 %
от ее периода, равного 64 мкс, что составляет 10,2 мкс.

Треугольная и трапецеидальная развертки (рис. 2.2. б и в) от-
носятся к разряду реверсивных разверток, при которых обратные
ходы отсутствуют полностью или частично (остается обратный ход
только по кадрам). Однако применение этих разверток затруднено
из-за наличия временной задержки между началом развертки на
передающей и приемной сторонах, что влечет за собой искажение
изображения в виде относительного сдвига четных и нечетных строк.

К разряду реверсивных относится и синусоидальная разверт
ка. Недостаток развертки синусоидального типа заключается в
непостоянстве скорости сканирования, возрастающей к центру
растра. В результате этого как величина, так и длительность сиг-
нала от одинаковых объектов оказываются зависимыми от их
положения. Если использовать только центральную часть сину-
соиды. то развертка приближается к трапецеидальной.

Спиральная развертка позволяет по пучить круглую форму рас-
тра и, следовательно, наиболее полно использовать площадь ми
шени передающей трубки. При спиральной развертке с постоян-
ным шагом развертывающий элемент движется по спирали Архи
меда (рис. 2.3, а). Обратный ход по кадру может присутствовать
или отсутствовать. В первом случае потери времени на обратный
ход не превышают 3 8% .

Спиральная развертка образуется путем подачи промодулиро-
ванного пилообразным напряжением синусоидального напряже-
ния (тока) на обе пары отклоняющих пластин (катушек) элект-

х»и ।\\ \\ \у ро1у1еспп1С8.ги

Риг. 2.3. Траектории движения развертыкающего элемента (а)
при спиральной развертке и форма развертывающего наоря
женин (б), поднкасмого на одну пару отклоняющих пластин
электронно-тучевой трубки (радиусу г соответствует напря-
жение 1!т)
ронно-лучевой трубки со сдвигом но фазе на 90 % (рис. 2.3, б).
Основным недостатком спиральной развертки является непосто-
янство ее скорости. В центре скорость наименьшая, а по краям
растра — наибольшая. Видеосигнал от объектов, изображение
которых находится в центральной части растра, может оказаться
столь малым, что в этом месте образуется «слепое* пятно. По
этой причине спиральные развертки не рекомендуется применять
в сочетании с трубками с накоплением энергии

В специальных телевизионных системах широкое распростра-
нение получили безрастровые развертки. В первую очередь это
относится к однострочной развертке, которую условно можно при-
числить к безрастровой (растр состоит из одной строки), Одно-
строчная развертка применяется в измерительных наблюдатель-
ных системах, причем ее особенно удобно использовать для изме-
рения линейных размеров. В наблюдательных системах одностроч-
ную развертку удобно применять в тех случаях, когда необходимо
получить информацию только о наличии объекта в определенной
точке наблюдаемого пространства.

В читающих автоматах для опознавания символов использует-
ся шаговая следящая раивертка дискретного типа. При следящей
развертке развертывающий элемент перемещается гпагами по кон
туру опознаваемого объекта (рис. 2.4). Алгоритм слежения сво-

дится к следующему:

развертывающий элемент может двигаться дискретными ша-
гами равной величины в четырех направлениях (вверх, вниз, вле-
во, вправо);

после каждого шага направление движения должно изме-

Иц ъ>}А[ои мим кеяиихэхикоц

няться;

— элемент движется по часовой стрелке, если он находится на
черном поле, и против часовой стрелки, если находится на белом поле.

Для получения необходимой информации такой алгоритм наи-
более прост и экономичен, так как элемент делает минимальное

Рис. 2.1 Шаговая следящая развертка

число движений. Недостат-
ком алгоритма является то,
что при наличии помех,
выражающихся в изменении
длины шага, устойчивость
работы нарушается и эле-
мент может начать двигать-
ся по замкнутому циклу.
Для устранения этого недо-
статка приходится уелож-

нять алгоритм.
Рис. 2.5. Комбинирован-
ная развертка с малым
растром:

/ — малый растр; 2 — взоб-
оаженпе точечного объе  га

В высокоточных координаторах точечных
объектов применяются сложные комбинирован-
ные развертки изображения, основанные на
использовании так называемого «малого рас-
тра». Применение развертки с «малым растром»
позволяет достичь высоких точностей измере-
ния координат объекта без предъявления жест-
ких требований к стабильности работы схем-
ных элементов телевизионного датчика и к гео-
метрическим и нелинейным искажениям при
отклонении развертывающего элемента.

Принцип работы телевизионного датчика
с комбинированной разверткой заключается в
следующем. Изображение участка пространства, внутри которого
находится интересующий наблюдателя объект (например, фотогра-
фия с изображением треков ядерных частиц), оптическим путем
совмещается с решеткой (рис. 2.5). Координаты объекта, находя-
щегося в определенной зоне (ячейке) решетки, будут складываться
из координат самой зоны и координат объекта внутри зоны. Коор-
динаты зон определяются по числу тактовых импульсов, которым
соответствуют «прутья» решетки, Определение координат объекта
внутри зоны производится путем создания на ее месте «малого
растра», образуемого по закону построчной развертки с числом строк
разложения приблизительно 20 -30. Очевидно, что чем меньше шаг
решетки, тем выше будет точность измерения координат объекта.
Высокая точность измерения может быть достигнута только прп
условии, если развертывающий элемент достаточно мал, т. е. раз-
решающая способность фотопреобразователя высока.

Если расположение зоны, в которой может находиться объект,
заранее известно, то установку малого растра в эту зону произво-
дят с помощью цифрового адресного устройства.

Таким образом, в рассматриваемой системе применяется комбина-
ция дискретного перемещения малого растра и развертки внутри него.
Применение дискретного перемещения малого растра при использова-
нии ЭВМ, в которой заложены адреса всех зон, существенно снижает
время, необходимое для проведения операции измерения.

тво «Политехника» иту ро1уЬесЬгйс5.ги

2.2.	ФОРМА И ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА

При последовательной, поэлементной развертке изображения
происходит преобразование средней яркости элементов изображе-
ния и видеосигнал, являющийся функцией времени. Отметим, что
под элементом изображения понимается минимальная площадь
фоточувствителъной поверхности, выделяемая в процессе элек
трооптического анализа изображения, внутри которой возмож-
на передача только средней яркости.

Процессы электрооптических преобразований (анализа и син-
теза) при развертке изображения происходят с помощью развер-
тывающего элемента (развертывающей апертуры). В телевизи-
онной системе размеры элемента изображения жестко связаны с
развертывающим элементом. Если развертывающий элемент исче-
зающе мал, то видеосигнал точно повторяет все изменения ярко-
сти вдоль линии развертки, а его форма носит импульсный харак-
тер с бесконечной крутизной фронтов. При конечных размерах
развертывающего элемента перепады сигнала сглаживаются, а сам
сигнал имеет вид, изображенный на рис. 2.6. Во время обратного
хода по строкам и кадрам сигнал принимает минимальное значе-
ние, называемое уровнем черного. Соответственно наибольшее зна-
чение сигнала называют уровнем белого. В телевизионной техни-
ке уровень черного всегда стабилизируют. Уровень белого, а вмес-
те с ним и средний уровень сигнала, т. е. его постоянная состав
ляющая, меняются и зависят от яркости наиболее светлых участ-
ков передаваемого изображения. Из рис, 2.6 следует, что видео
сигнал всегда униполярен, т. е. имеет только один знак. Это по-
ложение соответствует представлению, согласно которому яркость
изображения может быть только положительной.

Конечные размеры развертывающего элемента диаметром д как
фотопребразователя, так и кинескопа приводят к появлению так
называемых апертурных искажении изображения. В результате
этих искажений видеосигнал Ус на выходе фотопреобразователя
от крупных деталей передаваемого изображения приобретает на
границах размытую форму, а относительная глубина модуляции

<ги
Епс. 2.7. Иллюстрация апертурных искажений крупных (а) и мелких (б)
деталей изображения

видеосигнала от мелких деталей Мпер уменьшается (рис. 2.7, а, б).
Аналогичным образом проявляются и апертурные искажения, со-
здаваемые кинескопом и характеризуемые глубиной модуляции
яркости Л/„. Результирующая относительная глубина модутяцив:

Л/р — Л/|10рЛ/к

и. л/„

юна. — Ц:	Азш ~ Дни»

где 1<тах, Х№11,, ЛЬМ — максимальная и минимальная яркости
экрана от крупных деталей изображения и перепад яркости от
мелких деталей соответственно.

Перейдем теперь к рассмотрению частотного спектра видеосиг
на 1а. Предварительно отметим, что при построчной и чересстроч-
ной развертке существуют значительные корреляционные связи
между видеосигналами в соседних полях и кадрах (коэффициент
корреляции 0,90 0,92). Это утверждение, позволяющее считать
видеосигнал периодичным с частотой кадровой развертки, наибо-
лее верно при передаче изображений неподвижных объектов. При
движении объекта с относительно небольшой скоростью по срав
нению со скоростью кадровой развертки сигнал также можно счи
тать периодичным относительно кадров с медленным изменением
периода повторения компонент сигнала. Видеосигналу присуща
также квазииериодичность с частотой строк, что следует из суще-
ствующей. как правило, высокой корреляции сигналов в сосед-
них строках (коэффициент корреляции 0,90 0,95).

С учетом высокой корреляции между строками и кадрами мож-
но представить напряжение сигнала как временную функцию:
и (О = р

с периодом повторения строчной Тс и кадровой Тк р разверток.
Тогда сигнал можно представить в виде двойного ряда Фурье:

ОО ОО

Ц.- ю = X X У«П. 008 (2п/л0	~ <йа)003 <2пл&	- Фа ) =

пц, Яц

ос м	тт

_ V V _ ____________________________________________________

~~сов[(т^	+Ф )] + оов[(и<э4 +М.)*-(ФП-Ф.)Г

где т^, пи число периодов гармонических составляющих пере-
даваемого изображения, укладывающихся вдоль и поперек строк
соответственно; <рт, <р„ — начальные фазы т-го и л-го компонен-
тов; /с= 1/Тс, /’к= 1/Гк р. Отсюда следует, что частоты спектраль-
ных линий равны (рис. 2.8)

ро1\ 1есЬп.с5.ги

Л»,« —	±	

Коэффициенты ряда Фурье с'„; „ определяют амплитуды спек-
тральных составляющих, убывающие с ростом значений и ни,
причем скорость убывания амплитуд и ширина спектра определя-
ются содержанием изображения. Если изображение состоит толь-
ко из вертикальных линий (вертикальная мира), то п0 О и
/,п = л0/с. а если только из горизонтальных линий (горизонталь-
ная мира), тот0 = О и/я = л(/к. Прит0 = ло = О величина (Уг = 1!т п
представляет собой постоянную составляющую («чистый* растр).

Таким образом, анализ частотного спектра телевизионного сиг-

нала показывает, что, несмотря

Рис. 2.8 Спектр видеосигнала

па многообразие передаваемых
сюжетов, его структура облада
ет устойчивым дискретным ха-
рактером и содержит составля-
ющие, кратные частоте по-
вторения строк /с. В случае

—> О (одпокадровая передача)
спектр преобразуется в непре-
рывный. При передаче непод-
вижных изображений около со-
ставляющих спектра /с группи
руются боковые спектры, име-
ющие также вид дискретных
линий, кратных частоте кадро-
вой развертки /«.
При движении объекта около каждой дискретной составля-
ющей спектра появляются дополнительные верхняя и нижняя
боковые полосы. Оценим ширину этих полос. Если, например,
изображение объекта движется в направлении строчной разверт-
ки со скоростью о, то период повторения видеосигнала в этом
направлении увеличивается по сравнению с периодом строчной
развертки Тс и составляет величину = Тс/(1 - где их —
скорость строчной развертки. Соответственно частота повторения
видеосигнала = /с/(1 — о/вх). Отклонение частоты повторения
сигнала от частоты строчной развертки равно Л/-/с - Гс = /еи'^х-
Если положить и=10 1од и /с = 15 625 Гц, то Л/~ 1,6 Гц. Анало-
гичный результат получается и при движении объекта п верти-
кальном направлении.

Из анализа спектра видеосигнала следует, что информация об
изображении передается с помощью дискретных зон энергии, а сам
характер спектра позволяет произвести совмещение двух или более
видеосигналов в одном канале связи. Эта возможность уплотнения
канала связи используется при передаче цветных изображений
с разложением исходного изображения на цветовые составляющие.

Найдем теперь полосу частот, занимаемую переменной состав-
ляющей видеосигнала, в случае линейного и равномерного пере-
мещения развертывающего элемента вдоль линии развертки. Оче-
видно, что минимальная частота спектра при покадровой переда-
че изображения будет соответствовать рис. 2.9, а (одна черная и
одна белая горизонтальные полосы равной величины) и равнять-
ся частоте кадровой развертки /к. Верхняя граница частотного
спектра /„ может быть найдена исходя из необходимости передать

Рис. 2.9. Изображения оптической миры и формы ви
дсоеигпала, соответствующие минимальной (а) и
максимальной (б) частотам спектра
изображение равномерной черно-белой миры, штрихи которой рас-
полагаются перпендикулярно к движению развертывающего эле-
мента, а их ширина равна диаметру элемента {рис. 2.9, б).

Передача информащш о яркостях всех элементов, располагающих-
ся вдоль строки, осуществляется сигналом с частотой /в = 1/2ДЛ
где интервал времени между дискретными отсчетами сигна
ла по Котельникову, равный времени передачи одного элемента
изображения.

Время, отводимое на прямой ход развертки по строкам, опре-
деляется как

1 “«и
т, =----;

42

число дискретных отсчетов сигнала в строке

^=^2(1-^),	(2.1)

где Гк частота смены кадров; 2 номинальное число строк в
одном кадре; ас и ак — относительное время обратного хода по
строкам и кадрам соответственно; Аф — формат растра (формат
изображения), равный отношению его горизонтального размера к
вертикальному.

Таким образом, интервал времени между дискретными отсче-
тами сигнала

Т„ 1-Цх
Д/ = - — =---=-----

и, следовательно, верхняя граница частотного спектра

^42(1 аг)
2(1-а.)

(2.2)

где Ар — коэффициент, называемый коэффициентом Келла, вводи-
мый эмпирически в целях выравнивания разрешающей способнос-
ти системы в продольном и поперечном направлениях, Ар = 0,7-5-0,8.

Таким образом, полоса частот переменной составляющей теле-
визионного видеосигнала (ширина спектра видеосигнала) 4/ =
=	!к~

Для однокадровой развертки формула для верхней граничной
частоты принимает вид

А,, 2

4 = а, —2------.

24(1-а,)

где Тк — длительность кадра.
Из предыдущего следует, что формула (2.2) отвечает случаю,
когда размеры элементов изображения вдоль и поперек строк оди-
наковы, а количество элементов вдоль одной строки всегда опре
делается равенством (2.1). Вместе с тем следует указать, что
в отличие от передающих трубок количество элементов вдоль стро-
ки при одинаковом разложении изображения на 2 строк у матрич
ных ПЗС может быть различным. Например, число элементов в
строке у матрицы ФПЗС1М равно 512, у матрицы 1200ЦМ15
442, а у матрицы ФШ13Р31	768. В этом случае частоту Д,

можно найти (без учета коэффициента Кэдла) по формуле [21]

г	'г,т1

1 2Тк(1-ак)(1-ааУ	<23)

где т*, лэ — число элементов матрицы в строке и (“голбце соответ
ственно; при соблюдении стандарта разложения н8 = г (1 - оъ.) и тогда

, _ Е, 2т,
2(1-0.)’

2.3 КООРДИНАТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
И ЯВЛЕНИЯ «МУАРА.

Координатные искажения характеризуются отклонением коор-
динат точек воспроизводимого на экране кинескопа изображения
от координат соответствующих точек оптического изображения,
формируемого на входе системы. Координатные искажения при-
водят к нарушению геометрического подобия передаваемого и вос-
производимого изображений и подразделяются па геометрические
и нелинейные искажения.

Геометрическими называют вид координатных искажений, за-
ключающихся в искривлении вертикальных и горизонтальных пря-
мых линий и нарушении прямоугольности или формата растра.
Эти искажения подразделяются на бочкообразные и подушкообраз-
ные (рис. 2.10), возникающие из-за дисторсии в электронно-опти-
ческих системах трубок, трапецеидальные и др. Степень искаже-
ний оценивается с помощью коэффициентов геометрических иска-
жений в вертикальном и горизонтальном направлениях, %:

1 ельство «Политехника и \\ ро1у1есЬп1С5.ги

=—100; ^=—100.
б	Л

Нелинейные искажения проявляются в изменении нормирован
ного размера объекта передачи при его перемещении вдоль или
Рис. 2.11 Нелинейные лекаже'
ния изображения в виде шах-
матного поля

Рис. 2.10. Подушкообразные ис
кажения растра

поперек строк. Они возникают из-за нелинейности кадровой и строч-
ной разверток на приемной или передающей стороне. Нелинейные
искажения удобно оценивать но изображению шахматного поля
с помощью коэффициентов нелинейных искажений, % (рис. 2.11):

^Г=2К	100;

Чг1М1<х	Ц1м 

2^—100.

Л^-.л +

Заметим, что при одинаковой нелинейности разверток на при
емной и передающей сторонах нелинейные искажения будут от-
сутствовать.

Кроме координатных искажений изображения для телевизион-
ных систем характерны искажения в виде так называемого муа-
ра. Под муаром понимается искажение видеосигнала я, как след-
ствие, воспроизводимого кинескопом изображения, вызванное би-
ением пространственных частот двух однонаправленных периоди-
ческих структур с близкими периодами [521. Одной из них может
быть, например, строчная структура растра, а другой изобра-
жение оптической миры с горизонтальными полосами. Особенно
заметным этот вид искажений становится при использовании мат-
ричных фотопреобразователей (см. гл. 3), имеющих периодиче-
скую структуру расположения элементов как в вертикальном, так
и в горизонтальном направлении. В сочлененных преобразовате-
лях к ним добавляется также периодическая структура отверстии
в микроканальных пластинах ЭОПов. Муар визуально проявля-
ется в виде ложных узоров на экране кинескопа.

-1Ък1ите\ника- \у\у\у роМесЬшсБ.ги
ГЛАВА 3

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Существуют две основные категории многоэлементных фото-
электрических фотопреобразователей (ФЭП), используемых в те-
левизионной технике: передающие трубки и твердотельные ФЭП.
В этих приборах одновременно осуществляются операиии преоб
разования лучистой энергии в электрический сигнал и разверт-
ка изображения. В системах «бегущего луча» применяются одно-
элементные ФЭП. как правило, фотоэлектрические умножители.
В этом случае развертка осуществляется в пространстве объектов
наблюдения путем сканирования светового (лазерного) луча.

Среди телевизионных фотоэлектрических преобразователей ис-
торическое место занимают передающие трубки, которые раздели
ются на трубки без накопления энергии — диссекторы и трубки с
накоплением энергии — видиконы, супервидиконы и ряд их раз-
новидностей.

3.1	. ДИССЕКТОР

Диссектор — трубка, работающая с использованием внешнего
фотоэффекта и снабженная вторично-электронным умножителем
(ВЭУ). Основное преимущество диссектора по сравнению с трубка-
ми, использующими накопление зарядов, заключается в отсут-
ствии электронного прожектора, формирующего развертывающий
электронный луч, что существенно повышает надежность и дол-
говечность прибора. Развертка изображения в диссекторе осуще-
ствляется путем отклонения электронных потоков, эмитируемых
фотокатодом и несущих информацию о входном оптическом изоб-
ражении, относительно неподвижного отверстия, расположенного
в специальной диафрагме. Это отверстие играет роль развертыва-
ющего элемента. Процесс преобразования сигналов н диссекторе
происходит по схеме: Е,р(х, у) > »ф(х. у) > <7,.(/), где осве-
щенность фотокатода; фототок, приходящийся на один эле-
мент; — видеосигнал.

Конструктивно диссектор состоит из полупрозрачного фотока-
тода 1 (рис. 3 1), нанесенного на стеклянную планшайбу, ускоря-
ющего электрода 2, диафрагмы с отверстием 3 и вторично-элект-
Риг. 3 1 Диссектор

ронного умножителя, состоящего из динодов 4 и коллектора 5,
в цепь которого включен нагрузочный резистор Нн Фокусировка
электронов, вылетающих из фотокатода, осуществляется фокуси-
рующей катушкой 7, а отклонение электронных потоков в гори-
зоптальном и вертикальном направлениях — катушками 6. ВЭУ
состоит обычно из 14 динодов.

Фототок, приходящийся на один элемент, площадь которого
6', равна площади отверстия в диафрагме, определяется по форму-
ле 1ф = Фэ8( - Еф5эвр где Фэ — лучистый ноток, отнесенный к
одному элементу; 8( — интегральная чувствительность фотоката-
да. Тогда ток сигнала па выходе трубки

*. —	$ А. ,

где А’ — коэффициент усиления ВЭУ. Основной составляющей шума
в диссекторе является дробовый шум фототока, т. с. га = 2еГфЛ/, где
Д/ — полоса частот видеосигнала. Отношение сигнач/шум на вы-
ходе трубки равно

Ф =

2еД/

Простой расчет показывает, что если принять Ф=10, Л/ = 6,5 Мгц,
5э«0,210 $ м2 и 8,- = 50 мкЛ/лм, то получим Е = 1300 лк. Для
тою чтобы обеспечить такую освещенность фотокатода, необхо
димо иметь освещенность объекта, составляющую десятки, а то и
сот пи тысяч люкс.

Таким образом, диссектор является малочувствительной труб-
кой. пригодной в основном для наблюдения за весьма яркими
самосветящимися объектами, способными создавать па ограпи-
ченной площади необходимую освещенность фотокатода. Приме-
ром использования диссектора могут служить звездные датчики,
предназначенные для навигационных целей. Очевидно, что повы-
шения чувствительности трубки можно достигнуть путем увели-
чения площади отверстия диафрагмы. Однако при этом ухудшит-
ся разрешающая способность системы, т.е. будет иметь место об-
менная операция между чувствительностью и разрешающей спо-
собностью.

Низкая чувствительность диссектора принципиальна обуслов-
лена малым коэффициентом использования лучистого потока,
который принимает участие в образовании видеосигнала только
ГЛУ-ю часть времени кадра (Л’ число элементов изображения в
кадре). При времени кадра Тк = 40 мс и А - 55 0000 элементов
получаем время использования потока 1К = 70 нс. Резкого повы-
шения чувствительности передающей трубки, а вместе с тем и
всей системы можно достигнуть путем полезного использования
лучистого потока в течение всего времени кадра, что и осуществ-
ляется в трубках с накоплением зарядов.

3.2	ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Принцип использования накопления зарядов в передающих
трубках и твердотельных фотопреобразователях заключается в
следующем. Предположим, что фототок *ф заряжает некоторый
элементарный конденсатор, причем процесс заряда происходит
линейно в течение всего времени кадра Тк. Тогда заряд фи, накап-
ливаемый конденсатором, будет равен = 1фТк. Полный разряд
конденсатора осуществляется в течение времени коммутации эле-
мента 1К через нагрузочный резистор Пи. При отсутствии потерь
коммутируемый заряд равен накапливаемому заряду, а средний
ток разряда и является током видеосигнала гс, т. е.

4’	, ..

45

'льство «Политехи.	>п ли

Таким образом, ток сигнала оказывается в А’ раз больше фото-
тока и во столько же раз чувствительность трубки с накоплением
зарядов будет больше чувствительности диссектора.

Такой выигрыш в энергетической чувствительности, однако,
может быть реализован только в идеальных передающих трубках
с накоплением зарядов. В реальных трубках он оказывается на-
много меньше из-за нелинейности процесса заряда конденсатора,
неполного его разряда за время коммутации, явления частичного
перекрытия строк в растре и ряда других причин.

3.3	ВИДИКОН И ЕГО МОДИФИКАЦИИ

Класс передающих трубок, объединенных обшим названием
«видикон», достаточно широк и включает в себя ряд модифика-
ций, к числу которых помимо собственно видикона относятся
крем никои, суперкремнпкои и др.

Видикон это трубка, работающая на принципе внутреннего
фотоэффекта. Конструкция видикона показана на рис. 3.2. На
переднюю торцевую часть цилиндрической стеклянной колбы на-
несен проводящий прозрачный слой диоксида олова, называемый
сигнальной пластиной. Выводом сигнальной пластины служит
металлическое кольцо, вделанное в стеклянную колбу. На внут-
реннюю поверхность сигнальной пластины нанесен тонкий (2—
3 мкм) слой однородного фотонроводника. В качестве материала
этого слоя используется трехсернистая сурьма (стибнит), сернис-
тый свинец и др. Сигнальная пластина совместно с фотослоем
образует накопительную мишень видикона 1.

Электронно-оптическая система трубки состоит из прожектора
(подогревный катод 2, управляющий электрод 3, первый анод 4
и второй анод 5) и мелкоструктурной выравнивающей сетки 6.
Последняя находится под напряжением, в 1,5 2.0 раза превыша-
ющим напряжение второго анода и служит для выравнивания
траектории коммутирующего пучка по всей площади мишени. При
этом пучок в любой точке мишени падает нормально к ее поверх-

пт -По 1шехник<|' ро1ук'« тсй.ги
Рис, 3,3. Эквивалентная схема мпшеии видикона

пости. Фокусировка и отклонение пучка осуществляются соот-
ветственно катушками ФЛ' и ОК. Корректирующие траекторию
пучка катушки КК служат для компенсации погрешностей сбор-
ки электронного прожектора. Выпускаются видиконы с электро-
статической фокусировкой и отклонением пучка, что существенно
снижает вес и габаритные размеры передающей камеры.

Процессы накопления и коммутации зарядов в видикопе удоб-
но рассматривать, основываясь на его эквивалентной схеме, изоб-
раженной на рис. 3.3. В соответствии с этой схемой мишень труб-
ки представляется в виде совокупности элементарных емкостей
С, зашунтированных сопротивлениями Я, величина которых за-
висит от падающего лучистого потока на данный участок нише-
пи Все емкости имеют одну общую (левую па рисунке) обклад-
ку — сшнальную пластину. Величина емкостей определяется тол-
щиной фотослояс1. его диэлектрической проницаемостью^ и пло-
щадью ссчепия развертывающего пучка 5Э в соответствии с фор-
мулой

С = -^-.

4лс/

На сигнальную пластину через нагрузочный резистор пода-
ется положительный потенциал Ус п = 10-60 В в зависимости от
типа видикона и режима его работы.

При развертке изображения пучком так называемых «медлен-
ных» электронов, при которых коэффициент вторичной эмиссии
меньше единицы, каждая из элементарных емкостей будет заря-
жаться от источника ЭДС Ус п Время заряда емкости очевидно
будет равно 1К времени развертки одного элемента изображе-
ния. При достаточно большом токе пучка 1п (не менее 10 мкА)

ге гьство «Политехника» роМесКпк * ги
емкость успеет за это время зарядиться до потенциала Ус и. Одна-
ко реально ток пучка приходится выбирать значительно меньше
(не более 1 мкА), так как в противном случае сечение (апертура)
пучка оказывается недопустимо большим с точки зрения нормаль-
ной разрешающей способности трубки. При таком условии емкос-
ти заряжаются до некоторого равновесного потенциала, намного
меньшего потенциала Ус „. В интервале между двумя соседними
коммутациями одного элемента, т. е. практически в течение вре-
мени одного кадра, происходит разряд емкостей через соответ-
ствующие сопротивления с постоянной времени тр - СН. Этот про-
цесс сопровождается образованием потенциального (зарядного)
рельефа положительной полярности на правой стороне мишени,
так как напряжение, до которого разряжается каждая емкость,
будет зависеть от сопротивления Я. Для полностью затемненного
элемента это сопротивление раьно темновому сопротивлению фо-
торезистивного слоя Нт, а в общем случае его можно определить
из выражения

где мир — постоянные коэффициенты; р — поперечное удельное
сопротинление. Ом-см.

На рис, 3.4 представлен график изменения потенциала элемен-
та мишени при ограниченном токе пучка и потенциале катода,
близком к нулю. Первые два кадра соответствуют процессу темно-
вого накопления, когда коммутирующий пучок без груда считы
вает накопленный заряд. При освещении мишени накапливаемый
потенциал резко возрастает и пучок уже не « состоянии считать
его полностью. Но прошествии одного или нескольких кадров

Гис. 3.4. График изменения потенциала элемен-
та мишспи при ограниченном том коммутиру-
ющего пучка

11  юге ни. ню -По 1итехник.1'> угуужро1у1есНгнс8.ги
потенциал достигает верхнего равновесного значения Уи - 1'к0,
а после коммутации — нижнего равновесного значения Ик к. Из-
менение освещенности приводит к установлению новых равновес-
ных значений потенциалов. В установившемся режиме потерян-
ный емкостью за время Тк заряд целиком восстанавливается во
время последующей коммутации данного элемента мишени. При
этом ток дозаряда емкости, протекающий, как видно из эквива-
лентной схемы, через нагрузочный резистор Лн, и создает сигнал
на выходе трубки.

Полезный ток сигнала видикона определяется по разности по-
тенциалов между освещенным и затемненным элементами мишени:

-ДГГ),
тс

где ДИС -	- У„ к и ЛУТ изменения потенциалов за время

коммутации !к на освещенном и затемненном элементах.

На величину сигнала видикона оказывает существенное значе-
ние потенциал сигнальной пластины Ус _. До определенных пре
делов увеличение потенциала Ус и приводит к увеличению сигна-
ла. Однако, начиная с некоторого значения, рост потенциала со-
провождается резким уменьшением темнового сопротивления /?т,
т. е. ростом темнового тока ц, что приводит к уменьшению сигна-
ла. Таким образом, для каждого типа видикона существует опти-
мальное значение потенциала сигнальной пластины Гг п (рис. 3.5),
которое обычно содержится в паспортных данных.

Как правило, видиконы обладают относительно небольшим ди-

апазоном передаваемых яркостей,
апазона можно достичь путем сни-
жения потенциала Ус п, однако
при этом уменьшается крутизна
характеристики свет—сигнал, что
приводит к уменьшению световой
чувствительности трубки. Это по-
ложение наглядно иллюстрирует-
ся светосигнальными характерис-
тиками видикона ЛИ459 (рис.
3.6).

Существенным недостатком
видикона является его ингрцион
ностъ. Полная инерционность
трубки сложным образом склады-
вается из коммутационной и фо-
тоэлектрической составляющих.

Расширения динамического ди-

Рис. 3.5. Зависимость тока сигнала

Ы1ДИКОЛЙ ОТ Напряжения Ни СВГ-
нальной пластине

Издательство «Политехника \\ \\ и р<>1\ кчЬпк
Рис. 3.6. Характеристики свет—сигнал
видикона ЛИ459 при напряжениях на
сигнальной пластине: 30 В (Л; 20 В (2);

10 В (3)

Коммутационная инерцион-
ность проявляется в непол-
ном дозаряде мишени за вре-
мя гк, если освещенность эле-
мента и как следствие глу-
бина потенциального рель-
ефа оказались большими.
При этом мишень необходи-
мо прокоммутировать не-
сколько раз, чтобы привес-
ти ее потенциал к верхнему
равновесному состоянию (см.
рис. 3.4). Если такой воз-

можности нет, что характерно при передаче изображений движу-

щихся объектов, тс» получается суммирование остаточного изоб-
ражения с передаваемым в текущем кадре. Аналогично проявля-
ется и фотоэлектрическая составляющая, хотя природа ее связа-
на с необходимым временем установления сопротивления 7? при
резком изменении освещенности. Полная инерционность видико-
на обычно оценивается величиной сигнала, получаемого при пер-
вой (с1, второй 1с2 и последующих коммутациях после екачкооб
разного прекращения освещенности трубки относительно сигнала
образующегося при постоянной освещенности (рис. 3.7).

Полярность сигнала, генерируемого видиконом, отрицатель
ная, так как увеличение освещенности мишени сопровождается
увеличением тока через нагрузочный резистор (см. рис. 3.2) и
соответствующим понижением снимаемого с него напряжения сиг-

 д :< < птез.ги

нала.

Существует большой ассор-
тимент различных видиконов,
отличающихся между собой
размерами колбы, материа-
лом мишени, а также систе-
мой фокусировки и отклоне-
ния коммутирующего пучка.
По диаметру колб видиконы
делятся на 13,5-, 18-, 2б и
40-миллиметровые, причем
наиболее распространенной
является 26-миллиметровая
трубка. Диаметр к-пбы, оп-
ределяющий площадь мише-
ни, сущесгвеино влияет на

инерционность видикона
Рис. 3.8. Частотно-контрастные (апертурные) ха-
рактеристики видикона с различными диаметра
ми колбы:

1	10 мм; 2	26 мм; 3	18 мм; 4	13,5 мм

ЧКХ трубки (рис. 3.8). Объясняется это тем, что с увеличением
размеров мишени уменьшается частичное перекрытие строк в рас-
тре, и поэтому 40-миллиметровый видикон обладает наилучшей
ЧКХ.

Более высокими частотными свойствами обладают видиконы с
магнитной фокусировкой и так называемым дефлектронным от
клонением коммутирующего пучка. Электростатическая отклони
тощая система типа дефлектрон состоит из электродов сложной
формы, наносимых фотоснособом непосредственно на внутреннюю
поверхность стеклянной колбы видикона. ЧКХ 18-миллиметро-
вого видикона с дефлектроииым отклонением приблизительно со-
ответствует ЧКХ 26-миллиметровой трубки.

ЧКХ видиконов можно аппроксимировать функцией

К(т) = е^ .

где ш(. — количество телевизионных линий, на котором ЧКХ спа-
дает до величины 1/е = 0,37.

Шумы видикона вычисляются по формуле = 2еЛДи, где Л/
полоса частот видеосигнала; 1п — ток пучка; е — заряд электро-
на, для стандартного режима 1Ш = (1+2) нА.

Крсмникон. Среди разновидностей видикона получила распро-
странение трубка с кремнистой мишенью, называемая кремнико-
ном. Мишень кремникона выполнена на базе кремниевой пласти-
Рис. 3.9. Мишень крем
анкона

ны 1 с проводимостью л-типа (рис. 3.9),
причем на одной стороне пластины сфор-
мирована методом планарной технологии
диодная матрица 2. Матрица покрыта сло-
ем диэлектрика 3 из диоксида кремния. Над
диодами слой диэлектрика удален. Вся пра-
вая поверхность мишени покрыта высоко-
омной пленкой 4. На левой поверхности
методом диффузии образован слой 5 из крем-
ния п -типа. Этот слой выполняет функ-
цию сигнальной пластины, на которую по-
дается положительный потенциал п= 5-
10 В. Коммутация осуществляется пучком
«медленных» электронов. В процессе ком-
мутации элементарные емкости, образован-
ные обратносмещениыми диодами и сиг-
нальной пластиной, заряжаются. Световой
поток возбуждает неосновные носители
тока, которые разряжают емкости, диффун-
дируя к областям пространственного заря-
да 6 (обедненная область). Таким образом,

процесс образования потенциального рельефа в кремниконе такой
же, как и в обычном видиконе. Стандартный кремникон содер-
жит на 1 см ' поверхности мишени примерно 4 • 1 0 ’ диодов, что
обеспечивает разрешающую способность трубки порядка 600 те-
левизионных линий.

Существенным достоинством кремникона является его относи-
тельно низкая инерционность (в основном за счет малой фото-
электрической составляющей). Спектральная чувствительность
трубки лежит в пределах от 0,4 до 1,1 мкм.

Супервидикон. Применение телевидения в прикладных целях
часто связано с необходимостью иметь высокую энергетическую
чувствительность системы, которую не могут обеспечить трубки
типа видикон. Разработка высокочувствительных трубок базиру-
ется на двух основных принципах: 1) на принципе увеличения
глубины зарядного рельефа от слабо освещенных (слабо светя-
щихся) объектов: 2) на использовании дополнительного усиле-
ния сигнала с помощью встроенного в трубку вторично-электрон-
ного умножителя (ВЭУ). Трубки, в которых реализуется первый
принцип, получили общее название трубок с докоммутационным
усилением, реализация второго принципа осуществляется в труб-
ках с послекоммутационным усилением. Существуют трубки, в ко-
торых используются оба принципа.

ьство «Политехника» ни'и- ро!у (есНгнс
Вместе с тем многочисленными экспериментальными и теоре-
тическими исследованиями установлено, что основным источни-
ком шума в трубках с накоплением зарядов является коммутиру-
ющий пучок электронов, шум которого рассчитывается но форму-
ле Шоттки. Отсюда следует, что достигнуть достаточно высокого
отношения сигнал/шум на выходе трубки за счет послекоммута
цнонного усиления нельзя, поскольку сигнал и шум усиливаются
ВЭУ в одинаковой степени. В связи с этим разработанные высоко-
чувствительные передающие трубки для прикладного телевиде-
ния основаны на использовании докоммутационного усиления,
для чего в трубку дополнительна установлена секция переноса
электронного изображения с фотокатода на мишень. Эти трубки
и получили название супервидиконов, в которых применяется,
как правило, электростатическая секция переноса изображения с
ускоряющим электродом и высокоэффективный многощелочноп
фотокатод. Секция коммутации у этих трубок аналогична обыч-
ному видикону.

Супсркрсмникон. Основной разновидностью супервидикона яв-
ляется суперкремникон — передающая трубка, имеющая много-
щелочной фотокатод 2 (рис. 3.10), секцию переноса изображения
5 и кремниевую диодную мишень 1. Эмиттируемые фотокатодом
фотоэлектроны 4 ускоряются в секции переноса изображения на-
пряжением 5-10 кВ и фокусируются на кремниевой мишени. Ус-
тройство мишени примерно такое же, как у кремникона. Сиг
нальная пластина выполнена из п кремния, на нее подается по-
тенциал 8-10 В. Фотоэлектроны бомбардируют мишень, в кото-
рой возникают пары электрон дырка. Дырки диффундируют к
р-п-переходам и попадают в обедненную область, вследствие чего
емкости диодов частично разряжаются. Плосковогнутая волокон-
но оптическая планшайба 3 наполняет роль корректора элект-
ронно-оптических аберраций в секции переноса. Необходимость в
таком устройстве вызвана тем, что фотокатод при электростати-

Риг. 3.10. Суперкремимкон
ческой фокусировке должен иметь сферическую форму, а объекти-
вы строят плоское оптическое изображение

Сила тока сигнала суперкремникона превышает силу тока сигна-
ла кремникона и определяется так называемым коэффициентом
усиления мишени <7 > 1. При напряжении ускоряющего электрода
в секции переноса, равном = 4 кВ, - 200, при 6'уск = 9 кВ
0- 2600.

Пнровидикон Одним из важных направлений развития опти-
ко-электронного приборостроения является тепловидение. Созда-
ние тепловизионных систем требует применения фотопреобразо-
вателей со спектральной чувствительностью в области 8-14 мкм,
где сосредоточена большая часть тепловой энергии, и разрешени
ем температурных перепадов менее 0,1 С. Этим требованиям от-
вечает специальный вид телевизионных преобразователей — пи-
ровидикон. Большим эксплуатационным преимуществом этого вида
преобразователей является то. что они не требуют принудительно-
го охлаждения. Разработки пировидиконов ведутся примерно с
1965 г., причем особенно интенсивно после создания высокоэффек
тивного пироэлектрика под названием триглицинсульфат (ТГС) [35].

Конструкция пировидикона отличается от обычного видикона
устройством узла мишени (рис. 3.11). Тепловое излучение попа
дает через германиевое окно 1, герметично соединенное с колбой
трубки коваровым кольцом 2, на поверхность пироэлектрической
мишени 3. Мишень представляет собой полированную пластину
пироэлектрика толщиной около 20 мкм, нанесенную на сигналь-
ную пластину’ 4.

Принцип работы прироэлектрической мишени основан на осо-
бом свойстве некоторых сегнетоэлектриков — изменять поляри-
зацию молекул при нагреве. В результате этого эффекта под дей-

ствием теплового излучения на мишени формируется температур-
ный рельеф, который, в свою очередь наводит электростатические
заряды на ее поверхности. Результирующий потенциальный рель-

Риг. 3.11. Входное окно и ми-

шень иировидикона

еф считывается коммутирующим пуч-
ком электронов. При этом в цепи сиг-
нальной пластины протекает емкост-
ный ток сигнала, как это имеет место
в обычном видиконе. Вместе с тем в
работе пировидикопа следует отметить
две принципиальные особенности, ко-
торые отличают его от обычных види-
конов.

1.	Материал мишени пировидико-

на чувствителен лишь к изменению
температуры, поэтому тепловое изображение, проецируемое с по-
мощью специального объектива на мишень, должно быть пере-
менным. С этой целью перед мишенью устанавливают механиче
ский прерыватель лучистого потока (вибрирующий затвор, обтю-
ратор) либо производят панорамирование камеры.

2.	В процессе сканирования мишени на ней остается рельеф
свободных зарядов, осевших из пучка. Это обусловлено тем, что
накапливаемый на мишени положительный рельеф состоит из свя-
занных, а не свободных зарядов. Свободные заряды пучка не сум-
мируются со связанными зарядами, а только доводят заряд каж-
дого элемента мишени до единого уровня, близкого к потенциалу
термокатода. Поскольку сегнетоэлектрик явтяется высокоомным
диэлектриком, заряженная при сканировании мишень не имеет
возможности разрядиться за время последующего кадра. Во избе-
жание накапливания зарядов на мишени от кадра к кадру необ-
ходима принудительная разрядка мишенн либо с помощью поло-
жительных ионов, либо с помощью вторичных электронов. Иначе
говоря, для нормальной работы мишени необходимо отрицатель-
ные заряды, приносимые коммутирующим пучком при считыва-
нии потенциального рельефа, периодически нейтрализовывать
положительными зарядами.

Перечисленные особенности работы трубки предопределяют не-
обходимость подготовки мишени перед каждым циклом накопле-
ния. В период подготовки требуется нейтрализовать оставленные
пучком заряды и кроме того, повысить потенциал мишени до
уровня 1-2 В, который называют опорным уровнем, или потенци-
алом пьедестала. Этот уровень необходим для того, чтобы при
любых периодических изменениях температуры потенциал мише-
ни оставался положительным, поскольку при охлаждении мише-
ни он может принимать и отрицательные значения и, следова-
тельно, может быть считан коммутирующим пучком.

Формирование опорного уровня можно осуществить несколь-
кими путями. В частности, во время обратного хода разверток
переводят коммутирующий пучок в режим «быстрых* электро-
нов. При этом коэффициент вторичной эмиссии мишени стано-
вится больше единицы и ее потенциал повышается.

Необходимое в каждом кадре прерывание лучистого потока и
связанные с этим охлаждение и нагревание мишени приводят к
тому, что видеосигнал на выходе трубки оказывается биполяр-
ным относительно опорного уровня, а это вызывает мерцание те-
левизионного изображения. Для предотвращения мерцания в пе-
редающей камере применяют специальную обработку сигнала
с помощью так называемого процессора кадров. В процессоре за-

Ьшс
поминаются и сравниваются чередующиеся иолу кадры, в резуль-
тат? чего составляющая видеосигнала удваивается, а также пони-
жается и сглаживается уровень пьедестала. Далее чередующиеся
полукадры инвертируются и формируется сигнал одной полярнос-
ти. который при помощи схем стабилизации приводится к стан-
дартному уровню черного.

Характеристики пировпдиконов существенно зависят от свойств
оптической системы, скорости обтюрирования и других показате-
лей. Спектральный диапазон чувствительности трубки целиком
определяется прозрачностью германиевого окна. В среднем разре-
шающая способность типовых трубок колеблется от 150 до 250
телевизионных линий, энергетическая чувствительность от 3
до 6 мкА/Вт, температурная чувствительность — (0.15 0,4) К на
объект? [8]. Этими параметрами, в частности, обладает пировиди-
кон диаметром 18 мм ЛИ505.

В связи с широким применением твердотельных телевизионных
фотопреобразователей трубки класса видикон, за исключением пи-
роьидиконов, встречаются относительно редко. Однако фирма
♦Шгасйу» сравнительно недавно разработала новую трубку — су-
перхярпикон диаметром 18 мм и длиной 106 мм. Она предназначе-
на для трехтрубочных цветных передающих камер (см. гл. 8).

3.4.	ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Успехи современной микроэлектроники позволили осуществить
разработку и создание безвакуумных фотоэлектрических преобра-
зователей — аналогов телевизионных передающих трубок. Пер-
вые такие приборы появились । 1960-е годы и выполнялись сна-
чала на основе тонкопленочной, а затем и твердотельной техно-
логии. Были разработаны образцы безвакуумных фотопреобразо-
вателей в виде линеек и плоских матриц без накопления и с
накоплением зарядов.

Матричный фотопреобразователь без накопления зарядов (ана-
лог диссектора) включает два полупрозрачных электрода, состоя-
щих из изолированных друг от друга токопроводящих полосок и
расположенного между ними однородного фотопроводящего слоя.
Полоски одного электрода перпендикулярны к полоскам другого
и в процессе сканирования выполняют функции адресных шин
(рис. 3.12). Переход от одного из токопроводящих электродов
(обычно строчного) к фотослою осуществляется через блокиру-
ющие диоды, расположенные ь местах пересечения полосок. К го-
68


Вы ход

Рис. 3.12. Эквивалентная схема матричного
твердотельного фотопреобразователя без на
копления зарядов

ризонтальным и вертикальным шинам подаются от специальных
сдвигающих регистров строчные и кадровые коммутирующие им-
пульсы, при совпадении которых соответствующие блокирующие
диоды открываются и через нагрузочный резистор протекает ток
сигнала.

Длительность кадровых импульсов, подаваемых на горизон-
тальные шины, равна длительности строки, а длительность строч-
ных времени передачи одного элемента изображения. Блок раз-
делительных полевых транзисторов служит для поочередного под-
ключения к нагрузочному резистору горизонтальных адресных шин,
при этом выходная емкость матрицы уменьшается и равняется
емкости только одной полоски.

В настоящее время среди разработок твердотельных фотопре-
образователей с накоплением зарядов основное мегто заняли при
боры с зарядовой связью (ПЗС), изобретенные В. Бойлом и Г. Сми-
том в 1970 г. ПЗС выпускаются двух типов: линейные (одно-
строчные) и матричные. Применение тех и других в телевизион-
ных системах зависит от требуемого закона развертки изображе-
ния.

ПЗС (другое название ФППЗ фотопреобразователь с пере-
носом зарядов) представляет собой регулярную МДП- или МОП-
структуру, состоящую из отдельных близко расположенных яче-
ек. Каждая ячейка образует накопительный конденсатор, одной
из обкладок которого служит металлическая пленка, а второй
обкладкой является подложка из полупроводника с р- или л -
типом проводимости. В качестве подложки используется крем-
ний, между подложкой и металлическим электродом наносится
диэлектрик — диоксид кремния. Толщина пленки диэлектрика
примерно равна 0,1 мкм.

Работа ПЗС основывается на двух принципах: накоплении и
хранении зарядов в потенциальных ямах и переносе этих .зарядов
в выходное устройство с образованием видеосигнала. Потенци-
альная яма — это обедненная для основных носителей область в
полупроводниковой подложке под металлическим электродом,
которая образуется путем подачи на него напряжения соответ-
ствующей полярности. Для кремния дырочного типа напряжение
должно быть положительного, а электронного типа — отрица-
тельного знака. Заполнение потенциальных ям неосновными но-
сителями зарядов происходит под воздействием лучистого пото-
ка, падающего на кремниевую подложку, причем заряды оказы-
ваются в широких пределах пропорциональными лучистому пото-
ку. Помимо рассмотренного полезного процесса накопления в по-
тенциальные ямы будут попадать также неосновные носители,
образующиеся в результате термогенерации. Эти носители созда-
ют паразитный фоновый заряд. Время хранения зарядов в потен-
циальных ямах определяется временем подачи напряжения на
металлический электрод.

Процесс переноса зарядов иллюстрируется на примере ПЗС трех-
фазного типа, каждый элемент которого образован тремя незави
самыми электродами [44]. Вее одноименные электроды объедине-
ны шинами, на которые подается трехфазное импульсное напряже-
ние (рис. 3.13, <?). Три электрода в каждом элементе необходимы
для того, чтобы осуществить направленный перенос зарядов. Пред-
положим, что в начальный момент ( = 10 высокий потенциал подан
на фазу 2, а на фазах 1 и 3 потенциал низкий (рис. 3.13. а). После
накопления зарядов под электродами фазы 2 высокий потенциал
с нее снимается и подается на фазу 3. При этом под электродами
фазы 3 образуются потенциальные ямы, в которые начнут пере-
мещаться накопленные ранее заряды (рис. 3.13, б, в). Под элект-
роды фазы 1 заряды попадать не будут, так как под ними по-
прежнему остается низкий потенциал. Вслед за этим высокий по-
тенциал подается на электроды фазы 1 и заряды перемещаются
так, как показано на рис. 3.13, г. Таким образом, изменяя уров-
ни потенциалов на электродах, можно последовательно, шаг за
шагом осуществлять направленное перемещение зарядов в линей-
ке или матрице ПЗС. Направленность переноса зарядов в послед-
нем случае дополнительно обеспечивается так называемыми стоп-
каналами, которые не дают растекаться зарядам в стороны, т. е.
в поперечном направлении. Стоп-каналы представляют собой вы-
70
Рис. 3.18 Процесс накопления и переноса Зарядов в ПЗС

соколегированные области кремния, ь которых не образуются по-
тенциальные ямы.

Вывод зарядов из матрицы и преобразование их в видеосигнал
осуществляются с помощью емкости обратносмещенногор—« пе-
рехода или емкости МОП-структуры. Если эту емкость обозна-
чить Свых, то напряжение видеосигнала будет равно I/ = Ч /' ,
где д — зарядовый пакет, выводимый из ПЗС.
9

Рис. 3,14. Передающая к«м<ра Ьи ПЗС (парадлечыю-
квдравая структура)

Рассмотрим теперь работу матричного ПЗС с параллельно-кад-
ровой структурой, или иначе, кадровым переносом. Прибор состо-
ит из трех секций: накопления /, хранения Пи выходного реги-
стра 9 (рис. 3.14). Секция хранения и выходной регистр защище-
ны от светового воздействия. Электроды 2, располагающиеся в
соседних столбцах, разделены между собой стоп-каналами 3. На
каждую строку посредством шин 4 подаются импульсные напря-
жения от сдвиговых регистров 5 и 6, выполняющих роль генера-
торов разверток. Выходной регистр питается от генератора 10.
Оконечным устройством матрицы служит каскад усиления 7. ко-
торый располагается непосредственно на кристалле матрицы и
связан с ее выходным устройством Я. Выходное устройство преоб-
разует зарядовый пакет в напряжение и представляет собой схему
с плавающей диффузионной областью (ПДО) или плавающим за-
твором (ПЗ) [42]

Каскад усиления представляет собой истоковый повторитель,
изолированный затвор которого соединен с ПДОили ПЗ (рис. 3.15).
Удаление зарядов из ПДО и преобразование их в напряжение сиг-
нала осуществляется транзистором сброса, на затвор которого по-
даются соответствующие импульсы сброса ИС. При их поступле-
нии транзистор открывается и ПДО подключается к фиксирован-
ному опорному напряжению О. С внешнего нагрузочного резистора
истокового повторителя, имеющего малое выходное сопротив
ленке, сигнал подается на предварительный видеоусилитель.

Накопление зарядов происходит в секции 1 (см. рис. 3.14}
попеременно в течение нечетного и четного полей. При этом заря-
ды накапливаются под теми электродами, на которые подан в
данный отрезок времени высокий потенциал. В четные и нечет-
ные полукадры высокий потенциал подается на разные электро-
ды, например на второй и ня первый. Во время обратного хода
после каждого полукадра заряды вывидятся в секцию хранения.
Секция накопления затем воспринимает новый объем информа-
ции, а из секции хранения переведенные ранее заряды выводятся
построчно в выходной регистр, Вывод осуществляется вч время
обратного хода по строкам. Из выходного регистра за интервал
времени, равный прямому’ ходу одной строки, заряды поэлемент-
но выводятся в выходное устройство и далее поступают в виде
сигнала на усилитель.

По рассмотренной схеме построена, напри-
мер, отечественная матрица ФПЗС-2М, со-
держащая 288 х 256 элементов, каждый раз-
мером 30x23 мкм, причем как секция на-
копления, так и секция хранения содержит
по вертикали 144 элемента. Выходной регистр
включает в себя 264 элемента.

В последнее время размеры фоточуветвитель-
ной поверхности матрицы принято характери-
зовать так называемым оптическим форматом,
выражаемым в дюймах. При этом указанные
размеры примерно соответствуют размерам ми-
шени аналогичных видиконов. Так, однодюй-
мовая матрица имеет ориентировочные разме-
ры секции накопления 9,2 х 12,7 мм, 1/2-дюй-
мовая — 4,9 х 6,6 мм, 2/3-дюймовая —
6,6 X 8,8 мм, 1/3 дюймовая 3,6 X 4,9 мм,
1/4-дюймовая — 3,1 х 4,2 мм.

Полите

Рис. 3.15. Схема ветро
емкого кнекадн усиле-
ния матричного ПЗС
Матрицы с кадровым переносом, получившие распространение
в отечественной промышленности, являются наиболее простыми
по конструкции и технологии изготовления, позволяют освещать
секцию накопления со стороны подложки и обладают низкой инер-
ционностью. Однако им присущ ряд существенных недостатков.
Прежде всего к ним следует отнести вертикальный смаз изобра-
жения, являющийся следствием генерации носителей под действием
света во время обратного хода кадровой развертки, т. е. при пере-
носе зарядов в секцию хранения. Этот смаз особенно заметен при
передаче ярких деталей изображения и полностью может быть

ликвидирован только механическим перекрытием светового пото-
ка. Другим недостатком является неравномерное расположение
строк । растре, поскольку третий электрод каждого элемента мат-
рицы оказывается незадействовэнным при формировании заряд-
ного рельефа.

В матрицах со строчным переносом секции накопления и хра-
нения /, 2 совмещены таким образом, что вертикальные столбцы
одной к другой секции чередуются между собой (рис. 3.16). Для
накопления зарядов используются емкости обратносмещенных
фотодиодов, число которых в столбце равно числу строк разложе-
ния. Накопленные заряды в нечетных и четных строках попере-
менно переносятся за время обратного хода кадровой развертки в
близлежащие потенциальные ямы секции храпения и затем выро-
дятся в выходной регистр. В некоторых матрицах существует ре-

Рис. 3.16. Структур!- матрицы со
строчным переносом

1,2 — столбцы секций накопле-
ния и храпения соответственно;

3 — выходное устройство

жим управления, при котором
заряды соседних фотодиодов, за-
действованных в одном полукад-
ре (ФД! и ФД3, ФД2 » ФД1 и т. д.),
могут быть объединены, что уве-
личивает световую чувствитель-
ность матрицы, снижая, однако,
ее поперечную разрешающую спо-
собность.

В матрицах со строчным пе-
реносом центры строк всегда рас-
полагаются на равном расстоя-
нии, а смаз изображения оказы
вается намного меньшим, чем в
матрицах с кадровым переносом.
Недостатком является неполное
использование светового потока,
поскольку часть его приходится
на секцию хранения. Для сни-

111 ыгельство «Политехника» \\лму ро!\ кч'Ьпк’у ш
Епс. 3.17. Распс-ложрние микролинз матрице со
строчным переносом

жения этого недостатка используется технология нанесения на
поверхность кристалла микролинз, концентрирующих световой
поток па фотодиодах (рис. 3.17). Матрицы со строчным перено-
сом обладают также небольшой (несколько процентов) инерцион
ностъю. В вещательном телевидении применяются матрицы со
сметанным (строчно-кадровым) переносом, что дополнительно
уменьшает смаз изображения [51].

Характеристики ПЗС. Спектральная характеристика прибора
па основе кремния простирается от 0,4 до 1,1 мкм, динамический
диапазон, ограничиваемый насыщением потенциальной ямы, —
1000 ; 1. В последнее время появился целый ряд отечественных и
зарубежных матриц ПЗС, работающих в дальнем инфракрасном и
тепловом диапазонах волн. К ним относятся матрицы, выполнен
ные на основе халькогенидов свинца: РЪ8 (1,5-4,0 мкм); РЪЗе
(2.0 6,0 мкм); РЬЯпТе (6,0 14.0 мкм), а так же силицида плати
ны Р1.81 (1,0-5,5 мкм). Все перечисленные матрицы требуют внеш-
него охлаждения, так как их рабочая температура составляет от
25 до 80 К. Количество элементов матрицы: 128 х 128, 256 х 256,
256 X 290 (Ф1ШЗ-200М).

Характеристика накопления и характеристика свет--сигнал мо-
гут быть найдены из уравнения

С—^- = (,(0.	(3.1)

<11

где С — емкость светочувствительного электрода матрицы.

Можно показать, что для распространенных параметров ПЗС
зарядпый ток равен

(>(() = еА’о (1)08,,	(3.2)

где е = 1,6-10 19 Кл — заряд электрона; Л’о(О — количество
квантов с длиной волны в пределах спектральной чувствительпо-
сти ПЗС, упавших на единицу фоточувствительной площади за
1с; н — квантовый выход для той же длины волны, э.'квант;

5Э площадь электрода.

Решение уравнения (3.1) с учетом формулы (3.2) при условии

Р(0) = 0 имеет вид

Е,(П-^-/лГп(ОЛ.	(3.3)

с а

Выражение (3.3) представляет собой характеристику накопле-
ния ПЗС, отсчитываемую от уровня незаряженных элементов. При
( Тк (для матричных ПЗС время накопления Тк равно времени
полукадра при чересстрочном разложении) и равенстве накоплен-
ного и считанного зарядов из этого выражения получаем характе-
ристику свет—сигнал:

гт СР(ТК) е9Ь\ \

Цвых Цшх ।

гдр Свых — выходная емкость ПЗС (суммарная емкость плава-
ющей диффузионной области и затвора встроенного полевого тран
зистора), Сьых = 0,1 + 0,2 нФ.

В случае 7У’0(/) = А’о = соня! и с учетом потерь зарядов при
переносе получим

= е9^7к(1 — б)*

11о )ите\ник<1- хуичу поМесЬтс* ги

где е — неэффективность одного переноса: п — число переносов
зарядового пакета; с учетом малости е при расчетах можно поло-
жить (Е - 1)” = 1 - ПЕ.

Из формулы (3.1) следует, что характеристика свет—сигнал
ПЗС вплоть до насыщения потенциальной ямы строго линейна.

Полагая среднее значение квантового выхода (I постоянным в
пределах спектральной чувствительности ПЗС от Атлх до Ацц,,,
формулу (3.4) можно представить в виде

А»...

?Тк0^(1-е)а ] ФХЛ<Л

С/О=Ф,-------------2й- ------,

С-Мк Фд</Л

и
где Ф,., — энергетический поток излучения, Вт; Ф А — относитель-
ная спектральная пло-ность потока излучения; й — постоянная
Планка, й = 6,62 • 10 11 Вт с2; Сц скорость света.

Та же формула в световой системе единиц имеет вид

Л,_
еТкОЯ,Хи^(1-е)" Ф> (17.
и = *ф---------------^7----------

бКОС^д^ЛСр Фд о/<17.
и

где 2?ф — освещенность элемента матрицы; оА — кривая видности
глаза.

С учетом того, что /1пах = 1.1 мкм и А„^п = 0.4 мкм. и приняв
функцию ФА для источника типа А, после вычисления интегра-
лов графическим методом получим

9Ле^1ЪбЯлА^(1-Е)',‘

680€^мдйЦ)

1.25 10-1Т|ке5,(1-е)‘

„	.{0.0}

Рис. 3.18. Светосигнальная ха-
рактеристика ПЗС

Следует отметить, что в соответствии с экспериментальными
данными, конечная часть светосигнальной характеристики плав-
но отклоняется от линейного закона примерно на 10-15 %. Тео-
ретически это можно объяснить тем, что зарядная емкость в
модели накопителя не является постоянной, а зависит от накап-
ливаемого потенциала, что показано на примере кремниконл |17].
В результате исходное уравнение накопления (3.1) становится
существенно нелинейным.

На рис. 3.18 представлена светосигнальная характеристика
ПЗС, ограниченная темновой составляющей напряжения 11ст и
точкой насыщения С/,, ь, Ен, завися-
щей от напряжения пробоя диэлект-
рика.

Оценим величину выходного сиг-
нала ПЗС по формуле (3.5), для чего
примем: 5Э = 4 • 10 1и м“; Тк = 20 мс;
Свых = 02 иф: Е = Ю 4; И = 1100; 0 =
= 0.5. Тогда при освещенности Еф =
- 0,1 лк получаем 11 с - 22,5 мВ.

Собственные шумы ПЗС складыва-
ются из нескольких составляющих:
шумов, связанных с формированием
оптического изображения, — фотон-
ных шумов, шумов темнового тока и шумов переноса. Помимо
этих составляющих необходимо также учитывать шумы встроен-
ного в камеру усилителя, включающие в себя шумы входной цепи
и транзистора 136, 57].

Уровень шумов ПЗС принято оценивать среднеквадратическим
числом шумовых электроног V, представляющих собой средне
квадратическое отклонение числа носителей в каждом зарядовом
пакете, переносимом в ПЗС.

Природу фотонного шума составляют флуктуации квантов в
световом потоке, облучающем фоточувствительную поверхность.
За фотонный шум можно принять среднеквадратическор значение
числа фотоэлектронов Л7 , накопленных на элементе за полное
время накопления, т. е. за время кадра или полукадра. Тогда в
расчете на один зарядовый пакет

=2,83 10^'д,. 9Ти8,

(3.6)

Темновой ток, являющийся результатом термической генера-
ции носителей заряда, заполняющих обедненную область, сопро-
вождается дополнительными дробовыми шумами, уровень кото
рых в расчете на зарядовый пакет можно определить но формуле

V, = . — ,
Ш)

(3.7)

где — темновой ток; — тактовая частота.

Источниками шумов переноса являются флуктуации зарядов,
захватываемых ловушками. Можно показать, что уровень шумов
переноса определяется как [39]

— 30\'л,

(3.8)

где п — число трехфазных переносов.

Очевидно, что число шумовых электронов X будет максималь-
ным для пакетов, наиболее удаленных от выходного регистра.

Тепловой шум входной цепи встроенного усилителя зависит от
ее емкости, являющейся одновременно выходной емкостью ПЗС
Свых. Тогда



М..ч =

(3.9)

V е

где й’у — постоянная Больцмана, кп~ 1,38 10 23 Дж/град.; Т —
абсолютная температура.

Шумовое напряжение, учитывающее перечисленные явления,
на основании формул (3.6)-(3 9) равно
78
Шумы встроенного усилителя, выполненного на МОП транзис-
торе, складываются из тепловых шумов канала и поверхностного
шума, спектральная плотность которых составит

«(/) = .

| 1 т /'

где Нта—шумовое сопротивление транзистора; / =10 -г-10' Гц.
Соответствующее шумовое напряжение определяется по фор-

муле

4

•>

| 6’(/)^/ = 4^тц„ 4 -4. + / 1п

/-

4.



Суммарное значение шума матрицы и усилителя будет равно

= \ Уч + Уут.

Произведем расчет шумов ПЗС при следующих параметрах: Еф =
= 0,1 лк; 0 = 0,5; Тк = 20 мс;$э = 4 10 ,Ом2; 1Т = 4 нА; /н = 50 Гц;
/в = 5 МГц; /0 = 6.1 МГц; Свых = 0,2 пФ: лПП1Х = 1100; Дгп = 2,8 кОм.
После расчета получим: Л’фсь = 179;	= 64; Л' , =1 000; Мя. ц = 1 75;

У <пм =0,8 мВ; Ууц =0,016 мВ. Отсюда следует, что основную
роль играют шумы переноса, а шумами встроенного каскада мож-
но пренебречь. Отношение сигнал/шум в рассмотренном примере

У 22’5 оа

Ф = =--------= —— = 28.

Уяпмк	0,8

Отмстим, что, по данным работы [65], для получения ♦прием-
лемого» изображения необходимо иметь отношение сигнал/шум
24 дБ, т. е. ф = 16. Согласно субъективным оценкам по пятибал-
льной шкале, рекомендованной Международным консультатив-
ным комитетом по радиотехнике (МККР), хорошее качество изоб
ражения достигается при ш = 100 (40дБ), удовлетворительное —
при ф = 32 (30 дБ), неудовлетворительное — при ф= 10 (20 дБ),
а непригодное — при ф = 3 (10 дБ). Отличное качество изображе
ния будет при ф = 316 (50 дБ) |38]. Очевидно, что для систем
прикладного назначения, особенно автоматических систем, эти
цифры имеют сугубо ориентировочный характер.

Помимо перечисленных источников шумов матричных ПЗС сле-
дует упомянуть также шумы, возникающие в капало транзистора

11. юге гьство «Политехника» ро1у1есЬп1свли
сброса и остающиеся в ПДО после окончания импульса сброса.
Эти шумы гуммируются с очередным зарядовым пакетом и затем
проникают в видеосигнал. Для их устранения служит так назы-
ваемая схема ДКВ — двойной коррелированной выборки, вклю-
чаемая в предварительный усилитель [43, 48] Устранение шумов
в схеме ДКВ основано на разнесении во времени с помощью спе-
циального электронного ключа выборки шума, следующей за им-
пульсом сброса, и суммарного сигнала, включающего шум и по-
лезный сигнал. При последующем слежении этих составляющих
на запоминающей емкости шумы компенсируются.

Пространственно-частотная и частотно-контрастная характе-
ристики матрицы ПЗС зависят от трех факторов: 1) размера и
шага фоточувствительных элементов; 2) неэффективности пере-
носа носителей зарядов; 3) диффузионного растекания носителей.
Если электрод матрицы прямоугольной формы имеет в заданном
направлении (продольном или поперечном) размер а3, а его шаг
равен р, то ПЧХ. учитывающая геометрический фактор, опреде-
ляется выражением

ла,Л
/фЛ’ вх
ла,?/

81 л

МЛ =

где Утах = 1 /(2р) — максимальная прострапствсппая частота (ча-
стота Найквиста); Ь — коэффициент, учитывавший фазовый сдвиг
между осями элементов и максимумами яркости полос миры; в слу-
чае их совпадения Ь = 2 (паилучтпий случай), в случае сдвига па
половину периода Ь - 1 (наихудший случай).

Отметим, что приведенное выражение вытекает из преобразо-
вания Фурье при условии, что прострапствсппое распределение
чувствительности внутри размера а^ постоянно.

Для определения ЧКХ матрицы, отвечающей штриховой мире,
необходимо воспользоваться формулой пересчета (см. п 1.3). Од-
нако, принимая во внимание, что проекция штриховой миры на
фоточувствительный слои вследствие частотных искажений, вно-
симых объективом, имеет практически трапецеидальный, а пс
прямоугольный характер, можно записать

К (щ) -

зй1|ла .т /(Ьрт.,)]
ха.т /1Ьрт^)

(3.10)

11  юге (ьство Политехника» ичууу ро1у1есЬгис5.ги

где т — число черных и белых штрихов миры, отнесенных к
высоте секции накопления (высоте растра); тл число светочув-
Рис 3.19, Расчетные составляющие ЧКХ мат
рнцы: К7(т) при Ъ = 1 (/); Ь = 1,5 (2); 6 = 2 (3);

ЛГп(т) при ле - 0,05 (4)

ствительных элементов в данном направлении, отнесенное к вы-
соте секции накопления.

Отметим, что для матриц с кадровым переносом в горизонталь-
ном направлении аэ р. В матрицах со строчным переносом свето-
чувствительные элементы в строке чередуются с элементами сек-
ции памяти и в этом случае а,= р/2.

На рис. 3.19 изображены продольные ЧКХ (кривые 2-3), отве-
чающие случаям Ъ - 1: Ъ = 1,5; Ь = 2 при условии аэ = р (1+3) и
6=1.5 при условии аи = р/2 (•/).

Составляющая ЧКХ, учитывающая неэффективность перено-
сов, равна

К.(т) = ехр[-пЕ(1-совлт/т1)].	(3.11)

Следует отметить, что продольная ЧКХ будет определяться
только числом переносов в горизоптальпом выходном регистре, а
для расчета поперечной ЧКХ к ним необходимо прибавить число
переносов ь вертикальном столбце.

Оцепим для примера влияние неэффективности переносов па
продольную ЧКХ для матрицы, в строке которой содержится 250
элементов, считая, что неэффективность одного трехфэзного пере-
носа составляет 6 = 2-10 1 Тогда для т/'т^ = 1 получаем Кп = 0,9
(рис. 3.19, 4), что выше геометрической составляющей.

Третья составляющая ЧКХ связана с диффузией носителей в
подложке, при которой часть носителей, генерированных впе обед
ненных областей электродов, попадает в ближайшие потенциаль
ные ямы. В результате функция пространственного распределе-
ния чувствительности 5(х) электрода выходит за рамки его гео-
метрических размеров, обозначенных на рис. 3.20 штриховой ли-
Рис. 3.20. Функция распределения чувстви
тсльпости элемента матрицы при Л 0,5 мкм
(/) и Л - 1,0 мкм (2)

писй. Функция 5(х) зависит от длины волпы Л, причем с умень-
шением длины волны она приближается к размеру электрода в
заданном направлении х, С увеличением Л возрастает глубина про-
никновения излучения в подложку и функция Щх) становится
шире, что приводит к ухудшению частотных свойств ПЗС. Диф-
фузная составляющая ЧКХ рассчитывается по формуле

„	1-е-“*/(1 + аЬ)

1-е "*/(1+«^)

(3.12)

где

а — коэффициент поглощения излу-

чения в подложке, зависящий от длины волны Л; <1 глубина

области пространственного заряда (расстояние от места поглоще-

ния излучения до обедненного слоя), зависящая от напряжения
на электроде; Ьо диффузионная длина носителей в подложке;
№ — пространственная частота штриховой миры, мм 1.

Принимая во внимание, что т 2ДгЛф, где Лф — высота сек-
ции накопления матрицы, формула легко преобразуется к виду
Хд(/л).

Н.э рис. 3.21 приведены характеристики Кл(У) и соответству-
ющие им характеристики Л’д(ш) для матрицы 1200ЦМ7 с высо-
той Лф = 5,2 мм. Остальные постоянные: й = 5 мкм, = 100
мкм. Значения коэффициента а приведены ниже, а также на гра-
фике, изображенном на рис. 3.22 [53]:

Л, мкм.....	0,5	0,6	0,7	0.8	0,9	1,0

а, 1/мкм	...	1,0	0.5	0.25	0,11	0.04	0,005

Формула (3.12) позволяет рассчитать частотную составляющую
Кл(/п) но заданным значениям и А(| и зависимости и от различ
ных дискретных длин волн. Однако представляет практический
цы, обусловленная диффузионным
растеканием носителей:

I —X- 1 мкм;2 — X- 0.9мкм;3 —Л-0.8мкм;
4 —Х-0,7 мкм: 5 —Х« 0,6 мкм

интерес рассчитать указанную составляющую Ч КХ матрицы при
ее работе совместно с источниками излучения, имеющими непре-
рывный спектр. С этой целью предлагается найти некоторое ус-
редненное значение коэффициента и согласно выражению [19]

а = -—| а (Л)<р(лр/л,	(3.13)

гдеатаА — максимальное значение коэффициентаа при Л=0,45 мкм;
а*(л) = а(л)/атах: ф(л) — относительная спектральная плотность
потока излучения: (>.П1ЯХ - Ат1П) спектральный диапазон ис-
точника излучения, причем (л111ВХ - лт1п) > ДА (Да — интервал
графического интегрирования).

Отметим, что формула (3.13) справедлива для источников с лю-
бой спектральной характеристикой, укладывающейся полностью
или частично в пределах функции и(Л).

Расчеты по формуле (3.13), произведенные методом графиче-
ского интегрирования, привели к следующим результатам: для ис-
точника типа Л й = 0,15 мкм для солнечного излучения (есте-
ственный свет) — 0,3 мкм 1, для импульсных ламп — 0,2 мкм 1

Результирующая ЧКХ матрицы ПЗС имеет вид произведения:

А'п.ц -0п) = К.(т)К.(т)К (т).

В качестве примера произведем расчет составляющих продоль-
ной ЧКХ по формулам (3.10) -(3.12) для матрицы с кадровым

11. юге |ьство «Политехника» \ушжро1у(есНп1С5.ги
переносом типа ФППЗР31 с числом фоточувствительных элемен-
тов в строке 768 и размерами секции накопления 4,9 х 6,6 мм
(оптический формат матрицы 1/2 дюйма). При расчете составля
юпшх Кг(т\ и Кп(т) принят коэффициент 6 = 1,5 и неэффектив-
ность одного трехфазпого переноса 8=210 1 при п = 770. Ре-
зультаты расчета приведены в виде соответствующих графиков на
рис. 3.23.

Из приведенного примера следует, что диффузная составля-
ющая ЧКХ при работе матрицы совместно с источником излуче-
ния, близким к источнику типа А. оказывает существенное влия-
ние па результирующую частотпо-коптрастпую характеристику
К(т) и, следовательно, разрешающую способность фотопреобра-
зователя и телевизионной системы в целом.

Отмстим, что для улучшения ЧКХ матрицы и соответственно
увеличения ее разрешающей способности рекомендуется отсекать
длинноволновую часть спектра излучения с помощью специаль-
ных фильтров, одпако при этом снижается энергетическая чув-
ствительность матрицы. Параметры некоторых типов матричных
ПЗС приведены в Приложении 1.

3.5.	СОЧЛЕНЕННЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛН

При создании специальной телевизионной аппаратуры приклад
ного назначения применяются фотопреобразователи, представля-
ющие собой сочлспепис электроппо-оптического преобразователя
(ООП) с передающей трубкой или ПЗС. Такое сочленение кресле
дует несколько целей, главной из которых является существен-
ное повышепис энергетической чувствительности системы, что, в
частности, открывает возможность создания систем так называе-
мого «ночного видения». Применение ЭОП позволяет также со-

Издательство «Политехника>'
здавать рентгенотелевизионные установки, аппаратуру, работа-
ющую в УФ- и ИК-областях спектра оптического излучения. Важ-
ным фактором при создании импульсных телевизионных систем
является возможность использования ЭОН в качестве электрооп-
тического -затвора. Применение ЭОП с микроканальнымипласти-
нами (МК11) позволяет не только увеличивать, но и путем изме-
нения напряжения на них в значительных пределах регулировать
энергетическую чувствительность системы, т. е. создавать адап-
тивные системы, работающие в широком динамическом диапазо-
не яркостей объекта. Микроканальные пластины толщиной 0,5-
1,0 мм изготавливаются из стекла с примесью свинца и состоят
из набора тонких канальных умножителей диаметром 10 -50 мкм
В результате термообработки на внутренней поверхности каналов
формируется высокоомный полупроводниковый слой с коэффици-
ентом вторичной эмиссии гт ->1, что обеспечивает значительное
увеличение эмиттируемых с фотокатода первичных фотоэлектро-
нов Г12, 32]. Коэффициент усиления МКП зависит от приложен-
ного напряжения и регулируется от нуля (режим затвора) до не
скольких порядков.

Основными недостатками сочлененных приборов являются бо-
лее низкая, чем у обычных фотопреобразователей, разрешающая
способность, наличие искажений изображения в виде муара (см.
гл. 2) и необходимость в высоковольтных источниках питания.
К недостаткам также следует отнести значительно большую сто-
имость сочлененного прибора, его увеличенные габаритные разме-
ры и потребность в дополнительных операциях при изготовлении.

Первые серийные образцы отечественных сочлененных трубок,
выполненных на базе суперортикона и однокамерного ЭОП, по-
явились в начале 1960-х годов. Позднее были созданы и испыта-
ны экспериментальные образцы сочлененных приборок, выпол-
ненные на базе видиконов и супервидиконов. В настоящее время
основное место занимают сочлененные фотопреобразователи на базе
ПЗС.

Характеристики и параметры сочлененного прибора во многом
зависят от вида оптического перехода между' ЭОП и передающей
трубкой или ПЗС. Существуют следующие основные виды опти-
ческих переходов: проекционный объектив, цилиндрическая стек-
ловолоконная планшайба и фокон. С помощью цилиндрической
планшайбы сочленяются обе части прибора, имеющие одинако-
вые по размеру рабочие поверхности люминофора и внутреннего
фоточувствительного слоя. Если эти размеры разные, причем боль-
шей обычно бывает рабочая поверхность люминофора, то исполь-
зуется фокон — стекловолоконный переход с изменяющимся по

ПЛ 831111.1
1 2 3 4 5	6 б)	7	8	19

Рис. 3.24. Схема сочленения ЭОП с матричными ПЗС: а — ЭОП с близ-
кой фокусировкой; б — ЭОП с электростатической фокусировкой;

1 - фотокатод ЭОП; 2 - - Микрокадальная пластина: .7 — люминофор ЭОП; 1 —
стсклополокопипя аытрдпая пллшлрГгбп ООП; 5 — стгклппорокоинля входная план-
шайба ПЗС; п — фитжлой ПЗС; 7 — ЭОП; 8 — фокоп; У — матрица

ходу лучей диаметром волокна. Если фотокатод передающей труб-
ки имеет сферическую поверхность, то соответствующую поверх-
ность имеет и стекловолоконная планшайба.

На рис. 3.24, а, б показаны схемы сочленения плоского одно-
камерного ЭОП с близкой фокусировкой и матричного ПЗС через
две стекловолоконные планшайбы и сочленение ЭОП е матрицей
через фокон. На входе ЭОП с электростатической фокусировкой
устанавливается плосковогнутая стекловолоконная птапшайба,
имеющая целью уменьшение электронно-оптических аберраций.
В ЭОП с близкой фокусировкой перенос электронного изображе-
ния осуществляется практически без искажений. Микрокапаль-
ные пластины применяются в обоих типах приборов | 34|.

Применение проекционного объектива отличается наибольшей
простотой и по требует вмешательства в конструкцию сочленяемых
частей фотонреобразователя. В частности, в матрице не нужно за-
менять защитное стекло на стекловолокно. Вместе с тем этот спо-
соб приводит к большим потерям света, исходящего п полусферу
из экрана, который является ламбертовский! излучателем. Осве-
щенность передающей трубки или матрицы в этом случае можно
определить из формулы (для центральной оси объектива)

, О Г

=	(3.14)

4(1 + V )’

где .V — светимость экрана, лм/м2; т0 — интегральный коэффи-
циент пропускания; О//' — относительное отверстие; V — линей-
ное увеличение объектива.

Если принять, например, г0 = 0,85; 1)//' = 0,83, что соответ-
ствует переходу от ЭОП с диаметром выходного окна 18 мм к 1/3-

-Поли техник,!	ро1уЬесЬгнс8.ги
дюймовой матрице с диагональю секции накопления 6,1 мм. то
согласно формуле (3.14) получим Е^/М = 0.013-100 = 1,3 %.
т. е. передаваемая оптическим переходом световая энергия состав
ляет всего 8 %.

Таким образом, использование проекционного объектива в со-
члененном приборе энергетически малоэффективно. В частности,
как показывают расчеты, в режиме импульсного экспонирования,
осуществляемого с частотой кадров, этот вид сочленения не обес-
печивает необходимой световой чувствительности матриц ПЗС.
Вместе с тем преимуществом сочленения через объектив является
лучшее качество воспроизводимого изображения, чем при сочле-
нении через стекловолокно, вследствие снижения искажений в
виде муара. Это обусловлено тем, что количество периодических
структур на пути от фотокатода ЭОП до выхода матрицы при
сочленении через фокон или планшайбу значительно больше, чем
при сочленении через объектив. Действительно, сочленение через
фокон требует стекловолоконного выхода ЭОП и аналогичного
входа матрицы взамен обычного стекла, т. е. дополнительно име-
ют место три периодические структуры (включая сам фокон).

Применение в качестве оптического перехода стекловолокна
позволяет передать световой поток от люминофора к фоточув-
ствительному слою передающей трубки или ПЗС (внутреннему
фотослою) с минимальными потерями. При этом в случае исполь-
зования фокона возможен дополнительный выигрыш в освещен
ности внутреннего фотослоя, площадь которого меньше рабочей
площади излучения люминофора. В общем случае освещенность
фотослоя, имеющего прямоугольную конфигурацию, равна

<315>

где I д — отношение одной из сторон рабочей площадки внутрен-
него фотослоя к соответствующей стороне площадки люминофо-
ра; тг интегральный коэффициент, учитывающий потери света
в стекловолоконном соединении (коэффициент светопропускания).

Светимость экрана А/ связана с освещенностью фотокатода ЭОП
Евх и его коэффициентом преобразования ц (при масштабе пере-
носа изображения в ЭОП 1:1) соотношением

М	,	(3.16)

где Ьн яркость насыщения люминофора.

Неравенство (3.16) позволяет оценить верхний предел динами-
ческого диапазона входных освещенностей, передаваемого сочле-

пд ч.миц
ценным прибором как при импульсном, так и при непрерывном во
времени экспонировании внутреннего фотослоя Нижний предел
будет определяться уровнем собственных шумов прибора.

Оценка коэффициента тс в формуле (3.15) производится с уче-
том различных причин, приводящих к потерям, в числе которых
светопропускание входного и выходного торцов, геометрия свето-
вода, ослабление света в его материале, диффузное отражение 116].
В целом, как показывают расчеты, Тс = 0,6-0.7.

При расчете энергетической чувствительности телевизионного
датчика на сочлененном приборе необходимо учитывать спект-
ральные характеристики матрицы или передающей трубки и лю-
минофора ЭОП. Изменение световой чувствительности сочленяе-
мого преобразователя при облучении его потоком, исходящим от
люминофора ЭОП, по сравнению с облучением источником типа А
учитывается с помощью коэффициента эффективности [26]

0,0243^

X	*

Хл Ля. р

Здесь

<»	ОО	О.кв

|$(Л)ф(Х)<й	/ 6(л)ф(л)^л

| <р(Шл	/</ (Ж	[ <р(Л)<(Л

О	3	□

где Ь'(Л) — относительная спектральная чувствительность сочле-
няемого преобразователя; ф(Л) и <рЛ — относительные спектраль-
ные плотности потоков излучения люминофора и источника Л;
6(А) — кривая видности глаза.

В качестве примера приведем результаты расчета коэффициен-
та х Для ЭОП с люминофором К-67 и матрицы типа ФПЗСЗМ
(рис. 3.25). Результаты графического интегрирования: хр = 0,73;
ХЛ = 0,15; Хг,р = 0.69; х = 0,17. Таким образом, эффективность
использования лучистого потока, излучаемого .люминофором ЭОП,
в рассмотренном случае достаточно низка, а вольтовая чувствитель-
ность матрицы (см. табл. П1.1) уменьшается примерно в 6 раз.

При проектировании телевизионных систем с с.очлспсппьтми
фогоиреобразователями очень важно оценить ухудшение разре-
шающей способности системы по сравнению с использованием в
пей только сочлспясмой передающей трубки или ПЗС. Эту’ оценку
можно произвести общепринятым способом но результирующей
ЧКХ. в которой учитывается ЧКХ ЭОП и оптического перехода.
88

1П кис ти ню-Политехника» ууус. .•••о:-. ш
Рис. 3.25. Спектральные характеристики люминофора
К-67 (1); матрицы (3); источника типа «А» (4) (2 —
кривая вкдности глаза)

При этом ЧКХ стекловолоконного перехода может быть построе-
на па основании ориентировочной формулы [50]

(тсЛМ)

(3.17)

где М — пространственная частота, мм 1;	— функция Бесселя

первого рода первого порядка; с/ — диаметр выходного сечения

волокна.

Отметим, что первое нулевое значение функции, отвечающей
формуле (3.17), будет при № = 1.22. Если в оптическом переходе
используются два стекловолоконных соединения (см. рис. 3.24, б),
то при расчете ЧКХ это следует учесть, возведя правую часть
формулы (3.17) в квадрат. Практически ЧКХ сочлененного при-
бора ограничивается явлением муара

На рис. 3.26 показана светосигнальная характеристика прибо-

ра Р86151, выполненного на
основе фоконного сочленения
с полноформатной матрицей
ПЗС типа Р8602 и усилителя
яркости Р8305, имеющего
МКП. Размеры сочлененных
поверхностей по диагонали
18,0 и 10,6 мм. Спектраль-
ная характеристика фотокато-
да лежит в пределах от 350
до 900 нм. Разрешающая спо-

Рис. 3.26. Светосигнальная характера
стика сочлененного фотопреобразовя
теля

1дате.тьство «Политехника» .ро1у1есИтс8 ги
собность прибора — 250 твл при модуляции сигнала 20 %. Оста-
точный сигнал через 10 мс составляет 10 % и определяется пол-
ностью кривой затухания люминофора.

Следует отметить, что динамический диапазон передаваемых
сочлененным прибором яркостей без перестройки режима работы
оказывается в 3-4 раза уже динамического диапазона матричных
ПЗС (примерно 300 вместо 1000).

Представляет интерес использование сочлененного фотопреоб-
разователя для импульсных телевизионных систем, предназна-
ченных для наблюдения за быстродвижущимися объектами
(см. п. 9.4). В этих системах экспонирование фотопреобразователя
производится либо путем импульсной засветки фотокатода, либо
путем подачи па микроканальную пластину или специальный элек-
трод ЭОП отпирающих импульсов напряжения (режим электронно-
го затвора). При энергетическом расчете импульсной системы с со-
члененным фотопреобразователем следует учитывать частоту экс-
понирования и световременную характеристику люминофора ЭОП.

Будем полагать, что частота экспонирования не превышает
частоты смены кадров или полукадров при чересстрочном разло-
жении. Световременная характеристика бимолекулярного люми-
нофора может быть представлена в случае пренебрежимо коротко
го времени возбуждения П-образным импульсом длительностью I э
и последующей суммой двух экспонент, аппроксимирующих кри-
вую затухания. Тогда экспозиция, сообщаемая внутреннему фо-
тослою, будет составлять

+-^-(1 -е'Е’1Л) + -^-(1-е‘^мЪ
^а.к	«

где Ет — максимальная Освещенность фотослоя, достигаемая в
процессе возбуждения люминофора; Рз к и Р3 д — постоянные ко-
ротковременной и долговременной составляющих кривой затуха-
ния соответственно; пк и пд — коэффициенты, учитывающие от-
носительную долю участия каждой из составляющих кривой за-
тухания, причем пк + пд =- 1; полное время затухания, при
котором остаточная освещенность не превышает 2-5 %.

При условиях 13 «1/ Рзк, 13 » 1/Р3.д;

(И- Дд

+ р +~Р~ ’	(3.18)

П.в га.в

Для стекловолоконного оптического перехода освещенностьЕт
в соответствии с формулой (3 15)
причем светимость люминофора Мт не
должна превышать значения, вытека-
ющего из неравенства (3.16).

Для люминофора, выполненного из
виллемита, имеющего спектр излучения,
сходный с люминофором К-67, время
затухания, измеренное на уровне 5 %,
составляет примерно 18 мс, а при опре-
делении экспозиции коротковременной
составляющей кривой затухания можно

Рис. 3.27. ЭОП с электро-
статической фокусиров-
кой и внутренней матри-
цей:

I — стекловолоконная план-
шлбба; 2 — фотокатод; 3 —
матрица

пренебречь. В этом случае формула (3.18) преобразуется к виду

п.

у-

*п

Для виллемита лд- 0,35, Р, д = 110 с а яркость насыщения
Ьп - 16 кд/м2, откуда Л/тях = 50 лм/м2. Полученные соотноше-
ния позволяют по заданной экспозиции и длительности экспони-
рования найти требуемую светимость люминофора ЭОП.

В заключение отметим перспективность разработки гибридных
фотопреобразователей ЭОП-ПЗС без оптических переходов. В этих
приборах образование электронно-дырочных пар происходит под
действием фотоэлектронов, эмиттируемых фотокатодом ЭОП. Име-
ются различные варианты построения подобных приборов, в ко-
торых применяются ЭОП с электростатической, магнитной и близ-
кой фокусировкой. Приборы первого типа позволяют изменять
масштаб изображения, как это показано на рис. 3.27. Энергия
образования электронно-дырочной пары я кремнии при электрон-
ном возбуждении составляет 3,5 эВ, что позволяет при ускоря-
ющем напряжении порядка 6 кВ получить коэффициент усиления
1000 [46].

Гибридный прибор с электронным возбуждением типа ФПП316М
рассчитан на рабочую освещенность 10 ’ лк (пороговая освещен-
ность 10 * лк) и имеет разрешающую способность 350 твл [64].
Отметим, что увеличение световой чувствительности гибридных
приборов достигается повышением ускоряющего напряжения и,
следовательно, энергии фотоэлектронов. При этом увеличивается
интенсивность бомбардировки кремния фотоэлектронами, что при
водит к снижению стабильности параметров и уменьшению дол-
говечности прибора.

111 юге пч пк1 «Политехника и \уиг,ро1уЬесИгнс5.ги
ГЛАВА 4

КИНЕСКОПЫ ЧЕРНО БЕЛОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Основным устройством отображения визуальной телевизион-
ной информации является приемная электронно-лучевая трубка —
кинескоп. Наиболее многочисленную группу кинескопов состав-
ляют трубки прямого наблюдения. Для воспроизведения изобра-
жений на больших экранах применяются проекционные кинеско-
пы. Существуют также трубки для записи изображений на кино-
пленку. Черно-белые кинескопы широко применяются в видео-
контрольных устройствах промышленных телевизионных устано-
вок, : качестве видоискателей передающих камер, для контроля
изображений в системах технического зрения и многих других
случаях.

По углу отклонения луча кинескопы подразделяются на труб-
ки с углом отклонения 55, 70, 90 и 110 . Экраны кинескопов,
как правило, имеют прямоугольную форму с диагональю растра
от 5 до 70 см. Современные кинескопы имеют обычно электроста-
тическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча.
В конструкцию кинескопа входят (рис, 4.1): стеклянная колба 1
с вакуумом не менее 10 ' мм. рт. ст., термокатод с подогревате-
лем 2, электронно-оптическая фокусирующая система-/, 5, экран
с люминофором 6, управляющий электрод (модулятор) 3 для уп-
равления током луча, а также отклоняющая система, состоящая
из двух пар катушек — кадровых и строчных (на рисунке не
показаны).

Рис. 4.1 Конструкция кинескопа
4.1.	ФОКУСИРОВКА И ОТКЛОНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

Схематическое устройство электростатической фокусировки в
кинескопе показано на рис. 4.1. Устройство фокусировки состоит
из главной линзы, образованной фокусирующим анодом 4 и глав-
ным анодом .5, а также иммерсионного объектива, образованного
тер.мокатодом 2, .модулятором 3 и фокусирующим анодом 4. Поле
главной линзы заключено в пространстве между7 плоскостями а и
б, поле иммерсионного объектива между плоскостями в и г.

Поле главной линзы фокусирует электроны в плоскости экра-
на (рис. 4.2). При этом диаметр сечения электронного пучка в
плоскости экрана будет определяться степенью сжатия электро-
нов в иммерсионном объективе, напряженность поля в котором
благодаря малым расстояниям между электродами оказывается
достаточно большой. Если бы иммерсионный объектив отсутство-
вал, то диаметр б' примерно в три раза превышал бы диаметр
эмиттирующей части термокатода <2К, что составило бы несколько
миллиметров. Такая величина недопустима с точки зрения разре-
шающей способности трубки. Поле иммерсионного объектива со-
бирает вылетевшие из термокатода электроны в узкий пучок, се-
чение которого с/] называют кроссовером. Главная линза проеци
рует кроссовер на экран кинескопа и сечение электронного пучка
оказывается в 5-10 раз меньше, чем в случае отсутствия иммер-
сионного объектива.

Отклонение электронного луча может производиться как элек-
трическим, так и магнитным полем. Однако в современных ки-
нескопах используется преимущественно второй способ. Это обус-
ловлено тем, что магнитное отклонение позволяет получить боль-
шой угол, достигающий 110 и выше, без заметной дефокусиров-
ки электронного луча отклоняющим полем. При отклонении элек-
трическим полем максимальный угол, определяемый тем же усло-
вием, не превышает 30 .

Рис. 4.2. Схема фокусировки электронного туча

>ство «Политехника» юм ро1у1есЬп.с8.ги
Рнс. 4.3. Отклоняющая катушка для ши
рокоугольиых кинескопов

Отклоняющие катушки
кинескопов при углах от-
клонения до 90 обычно
имеют цилиндрическую

форму. При углах отклоне-
ния в 110 отклоняющая
система состоит из цилин-
дрической и конической
частей (рис. 4.3), причем
последняя непосредственно
прилегает к колбе кинеско-
па. В широкоугольных
трубках радиус кривизны
экрана превышает радиус
отклонения луча в несколь-

ко раз. При этом в случае отклонения луча обычным пилообраз-
ным током получаются так называемые подушкообразные иска-
жения растра, выражающиеся в том, что крайние его участки

у ро1у1есКп1С5 ги

оказываются растянутыми по сравнению с центральным участком
(см. рис. 2.11). Для уменьшения этих искажений отклоняющим
токам придают 8-образную форму либо конструируют катушки
таким образом, чтобы их чувствительность уменьшалась с увели-
чением угла отклонения. Этому требованию, в частности, отвеча-
ет конструкция катушек с расширяющейся конической частью,
в которой напряженность поля, а следовательно, и чувствитель-
ность к отклонению меньше, чем в цилиндрической части.

Отклоняющие ампер-витки для широкоугольных катушек

(IV = 2,781л ч\'17в,,

где 9 = г/1 — отношение радиуса кривизны экрана к радиусу от-
клонения луча; — входной диаметр отклоняющей системы;
нэкв эквивалентная длина катушек; 1р угол отклонения луча
от центра; 17а — напряжение на втором аноде.

Эквивалентная длина катушек

, 1 + Ш.
а,^ = а + Ь-—-.

где расстояния а, Ь и </р показаны на рис. 4.3.

Индуктивность пары отклоняющих катушек
^=^1^ ю-8,

где аЭКЙ выражено в сантиметрах.
4.2.	МОДУЛЯЦИОННАЯ И ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНАЯ
X ХРАКТЕРИСТИКП КИНЕСКОПА

Модуляция или, иначе, управление интенсивностью электрон-
ного луча осуществляется путем подачи на управляющий элект-
род видеосигнала, усиленного до необходимого значения. Это зна-
чение определяется модуляционной характеристикой кинескопа,
обычно аппроксимируемой функцией

Ё = Р(С4.-С/а)у,

где Ь — средняя яркость свечения экрана, измеряемая с помо
шью фотометра; [5 — коэффициент пропорциональности; 17м —
напряжение видеосигнала па модуляторе; — напряжение запи-
рания тока луча кинескопа; у — показатель степени, у — 1,5+2,5.

Часто модуляционной характеристикой называют также зави-
симость тока луча от напряжения 1Л = /((/м) (рис. 4.4), а иног-
да — зависимость тока катода от напряжения <к /(1/м). Между
током луча и яркостью свечения возбуждаемого люминофора су-
ществует однозначная зависимость, что позволяет строить моду-
ляционную характеристику одновременно в виде двух функций.
Эта взаимосвязь выражается соотношением [54]

Ь — к 1ц С/д / •*>.,
где к3 — светоотдача экрана,
кд/Вт; 8д — площадь экрана.

Светоотдача к3 определяет
эффективность преобразования
мощности электронного луча в
световую энергию, зависящую
от типа люминофора. Из фор-
мулы следует, что экраны
меньших размерив будут при
прочих равных условиях обла-
дать большей яркостью свече-
ния.

11 роетранствен но-частотн ые
характеристики кинескопов хо-
рошо аппроксимируются фун-
кцией вида

л’ ,	Н.1)

Рис, 4.4 Модуляциоппая характерис-
тика кинескопа

11 . I . < и . гве «Политехника» ичлгиг. ро1уГесЬп(С8.ги
где 42/2л — приведенная частота апертуры кинескопа; / — часто
та синусоидального напряжения, прикладываемого к модулятору
трубки.

Важно отметить, что приведенная частота апертуры слабо за-
висит от силы тока луча и. следовательно, от мгновенного значе-
ния видеосигнала, а также от анодного напряжения.

Но аналогии с формулой (4.1) можно записать выражение для
частотно-контрастной характеристики

К'(ш) = еЧ)" "*' ,
где т — пространственная частота прямоугольных импульсов,
подаваемых на модулятор и соответствующих оптической штри-
ховой мире, твл; т(. — пространственная частота, при которой
ЧКХ спадает до величины 1/е = 0,3.

4.3.	ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКРАНОВ

Экран представляет собой слой люминофора, нанесенный на
внутреннюю сторону переднего стекла колбы кинескопа. Для чер-
но белых кинескопов а состав люминофора обычно вводят суль-
фид цинка, сульфид кадмия, составляющих основу люминофора, и
небольшое количество серебра, которое играет роль активатора, по-
вышающего эффективность свечения люминофора. Спектральная
характеристика такого люминофора имеет два максимума (рис. 4.5),
причем первый максимум лежит в области голубого свечения, а
второй совпадает с максимумом кривой видности глаза.

Важной характеристикой люминофора является его световре-
менная характеристика. Она состоит из двух участков (рис. 4.6) —
возбуждения и затухания. Участок возбуждения всегда намного
меньше участка затухания, что позволяет при расчете средней
яркости свечения экрана учитывать только процесс затухания.
Тогда в соответствии с законом Тальбота средняя яркость

где Тк длительность кадра; Ц1) характеристика затухания
люминофора, которую в первом приближении можпо аппроксими
ровать функцией

Ь(П = Ьдае"а=г.

I 1 ! ио «Политехника» иг. ку : гНшсб.ги
Рис. 4.5. Спектральная харак-
теристика люминофора

Рис. I в. Световременная ха-
рактеристика люминофора

Коэффициент определяет скорость затухания яркости и для
обычных кинескопов его следует выбирать таким, чтобы время
полного послесвечения люминофора было близким к времени кад
ра. Для времени Тк 40 мс этому условию удовлетворяет =
= (80-* 90) с 1. В этом случае остаточная яркость к концу кадра
будет составлять величину порядка 5 %. При меньших значени-
ях люминофор создаст существенное послесвечение, что может
привести к размазыванию изображений движущихся объектов.
При бблыпих значениях иц, т. с. коротких временах послесвече-
ния. уменьшится средняя яркость свечения экрана. В случае, когда
система предназначена для передачи в основном неподвижных изоб-
ражений. рационально выбирать люминофоры с большим после-
свечением, что позволяет уменьшить частоту кадров.

Характеристикой экрана является и контраст крупных дета-
лей воспроизводимого изображения. В п. 1.1 было показано, что
при наличии посторонних засветок экрана кинескопа первона-
чальное значение контраста К снижается до величины

К = (ДпвХ ' Ди.и)/(Дым. -^1) = Х/(1 + Д1 / Д им. )>

где Л1Пах и ^-пйп — максимальная и минимальная яркости кон-
трастирующих участков; Д3 — яркость экрана от засветки.

Впсптппс засветки экрана возможно устранить или умспьшитт,
путем соответствующего расположения видеоконтрольного устрой
етва относительно мешающих источников света. Источником внут-
ренней -засветки является сам экрап. Световые лучи, испускаемые
люминофором, частично отражаются от внутренних поверхностей
колбы и попадают на соседние участки изображения. Для умень-
шения этого явления применяют алюминирование экрана. При
этом экран покрывается изнутри алюминиевым слоем толщиной
0,05-0,50 мкм. Электронный луч без труда проходит через эту
плавку и воздействует па люминофор. Пленка по пропускает све-

По 1итр\11ик<1' \\\\ • ро1у1есЬтс5.ги
СЛ11*К.1О

Воздух Ъ

Вис. 4.7. Процесс -збразования оре-
ола

товые лучи внутрь кинескопа и
одновременно отряжает их в сто-
рону наблюдателя, увеличивая тем
самым яркость изображения.

На контраст мелких и средних
деталей изображения отрицательное
влияние оказывает так называемый
ореол. Ореол образуется следующим
образом. Электронный луч, попада-
ющий в точку А (рис. 4.7), возбуж-
дает люминофор, световые тучи от
которого расходятся под разными
углами. Если эти углы оказывают-
ся меньше критического значения
- 42 ), то лучи преломляются

и выходят наружу в сторону наблюдателя. При. углах, равных
или больших ч/Кр. наступает полное внутреннее отражение лучей
от поверхности раздела стекло воздух, в результате чего вокруг
светящейся точки образуется ореольное кольцо. Диаметр кольца
с/0 можно приблизительно рассчитать, исходя из толщины стекла
колбы 5. Согласно рис. 4.7,

вЬ = 4а = 481& 42 =3,68.

Кроме основного кольца могут возникнуть и следующие, менее
яркие кольца, вызванные вторичными отражениями.

В качестве противоореольного средства используется дымчатое
стекло, из которого изготавливают экран трубки. Это стекло об-
ладает повышенным поглощением света. Ослабление силы света в
стекле подчиняется выражению

Цс1) = 1^*,

где/0 — излучаемая люминофором сила света; кп — коэффициент
поглощения дымчатого стекла; с! — путь, который проходит луч.

Для лучей, отраженных в сторону наблюдателя, (I = б, в то
время как для лучей, создающих ореол, первое кольцо

<1 - 6(1 + 2/сов1|/жр ) = 3,56.

Такая разница в ходе лучей обеспечивает увеличение контрас-
та мелких деталей изображения примерно на порядок но сравне-
нию с прозрачным стеклом.

В Приложении 2 приведены характеристики некоторых кине-
скопов.

лчьство «Политехника» хч \ч и р«»1\ кч Ьпн ч ги
4.4.	ПРОЕКЦИОННЫЕ КИНЕСКОПЫ

Проекционные кинескопы предназначены для создания круп-
номасштабных изображений на больших экранах площадью до
12 м2 и болея. В качестве проекционных кинескопов применяют
трубки с диагональю растра 6-18 см, которые при анодном напря
женин 25 -50 кВ создают яркость свечения люминофора от 4 до
20 ккд/м2 Схема проекции изображения представлена на рис. 4.8.
В качестве проекционной оптической системы применяются лин-
зовые и зеркально-линзовые устройства. Поскольку свечение эк
рана подчиняется закону Ламберта, линзовый объектив передает
очень малую часть светового потока Фэк, излучаемого экраном
кинескопа. Эту часть можно подсчитать ио формуле

*о(о/П2

Фвьи =

4(1 +У)2

где т0, Г и V — интегральный коэффициент пропускания, относи-
тельное отверстие и линейное увеличение объектива соответственно.

При т0 = 0.8, О/[' - 0.5 и V - 0 получаем Фвых/ФэК = 0.05, т. е.
только 5 % излучаемого светового потока достигает большого эк-
рана. Увеличить эффективность проекционного оптического уст-
ройства можно за счет применения зеркальна линзовой системы
Шмидта. В этой системе удается получить относительное отвер-
стие /)//'= 1,66, что позволяет увеличить коэффициент полезного
действия оптики в 10 раз, доведя его до 50 % [3].

Основным элементом зеркально-линзовой системы является
сферическое зеркало, а линзовые элементы играют только вспомо-
гательную роль и служат для коррекции сферических аберраций
зеркала.

ги •9ЭШЦЭЭ1Л1О3 ммл

Рич. 4.8. Схема проекционной системы с кинескопом:
/— кинескоп; 2 линзовый объектив; 3 — экран
Следует отметить, что проблема «большого экрана* решается
не только с помощью проекционных кинескопов, возможности
которых ограничены, но и способом модуляции независимых ис-
точников света, наиболее перспективным из которых является
лазер. Сканирование лазера осуществляется с помощью оптико-
механического дефлектора (качающееся зеркало и зеркальный ба-
рабан), а модуляция — с помощью электронно-оптического моду-
лятора поляризационного типа.
ГЛАВА 5

УСИЛЕНИЕ И АНАЛОГОВАЯ ОБРАБОТКА
ВИДЕОСИГН \ЛА

5.1.	СОСТАВ И ТРЕБОВАНИЯ К ВПДЕОУСИЛИТЕЛЬНОМУ ТРАКТУ

Видеоусилительный тракт прикладной телевизионной системы
(ВТ) предназначен для усиления слабых сигналов, поступающих
с фотопреобразоватетя до уровня, обеспечивающего нормальную
работу приемника информации, и их аналоговой обработки. По
следняя заключается в линейных и нелинейных преобразованиях
сигнала, облегчающих решение стоящих перед системой задач.
Часто аналоговая обработка предшествует цифровым преобразо-
ваниям видеосигнала.

Видеотракт в общем случае состоит из предварительного, про-
межуточного и оконечного видеоусилителей. В цифровых системах
вместо оконечного усилителя видеотракт заканчивается аналого-циф-
ровым преобразователем (преобразователем «напряжение код*).
Предварительный видеоусилитель (ПУ) усиливает сигналы, посту-
пающие с передающей трубки или ПЗС, формирует их спектр и
динамический диапазон. В промежуточном усилителе замешиваются
в видеосигнал гасящие и синхронизирующие импульсы и формиру-
ется полный телевизионный сигнал. Функции предварительного и
промежуточного усилителей часто совмещаются в одном устройстве,
находящемся в телевизионном датчике (передающей камере). Око-
нечный усилитель работает непосредственно па кинескоп, видеомаг-
нитофон или иной приемник аналоговой информации.

К видеотракту предъявляются следующие общие требования.

1.	Форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ВТ и
его полоса пропускания зависят от назначения системы. Полосу
пропускания ВТ следует согласовывать с полосой частот видео-
сигнала и с коэффициентом шума ПУ. Слишком узкая полоса
частот приводит к потере полезной информации, слишком широ-
кая — к ухудшению отношения сигнал/шум.

2.	Форма амплитудной характеристики (АХ) ВТ выбирается
с учетом динамического диапазона входных сигналов, а также
исходя из требований к градационной характеристике системы.

3.	Собственные шумы ПУ должны быть по возможности мень-
ше собственных шумов фотопреобразователя с тем. чтобы значе-
ние коэффициента шума усилителя было минимальным.

По ш техника \\ \ .уу. ро!у1есЬп1С8.ги
Сигнал от

Вис. 5.1. Структурная схема пррдвпрителсногс усилит-ля

1. Шунтирующее действие входного сопротивления ПУ на
выходное сопротивление фотопреобразоватсля должно быть ми-
нимальным.

5.	ВТ должен обладать необходимой стабильностью своих ха-
рактеристик при изменении впегппих воздействий и старении эле-
ментов схемы.

Структурная схема ПУ, приведенная на рис. 5.1, состоит из вход-
ной цепи, входного и выходного каскадов, типовых каскадов усиле-
ния, а также корректирующих и формирующих устройств. Под ти
новыми каскадами понимаются усилительные каскады, не внося-
щие существенных изменений в форму АЧХ и ЛХ ВТ и предназна-
ченные исключительно для повышения общего уровня усилении.
К числу корректоров АЧХ и АХ относятся корректор частотной
характеристики входной цепи (в случае использования передающей
трубки), апертурный и градационный корректоры. При необходимо-
сти коррекция требуется также для придания АЧХ квазипрямо-
угольиой формы. В качество формирователя АЧХ используются уз-
кополосные усилительные каскады и фильтры, с помощью которых
реализуются оптимальные условия обработки видеосигнала.

В телевизионных датчиках па ПЗС необходимо предусмотреть
фильтр, ограничивающий спектр видеосигнала. Это диктуется тем.
что видеосигнал на выходе ПЗС имеет дискретно-аналоговую фор-
му за счет присутствия в нем тактовых импульсов. При этом
величина тактовой наводки может намного превышать полезный
сигнал. Для подавления гармоник тактовых импульсов в состав
ПУ вводят фильтр пижпих частот, ограничивающий спектр сиг-
нала частотой ( - 0,5/"т (/т — частота тактовых импульсов). При
такой фильтрации спектр полезного сигнала не сокращается.
В некоторых типах ПЗС для подавления тактовой паводки пре-
дусматривается второй (дополнительный) выходной регистр, со-
стоящий из элементов, аналогичных элементам основного регист
ра. Зарядовые пакеты во второй регистр пс поступают, вследствие
чего на его выходе образуется только сигнал тактовой частоты.
Выходы обоих регистров подаются на дифференциальный усиди
тель, благодаря чему па выходе матрицы тактовые импульсы зна-
чительно ослабляются.

сНгНСй
5.2.	АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
И ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ ВИДЕОТРАКТА

Основным звеном ВТ, определяющим характеристики систе-
мы. является предварительный усилитель. При проектировании
ПУ необходимы следующие исходные данные: спектральный со-
став входного видеосигнала и полоса занимаемых им частот, ди
намическжй диапазон входных и выходных сигналов, уровень
шумов и выходное сопротивление фотопреобразователя, поляр-
ность сигнала на входе и выходе усилителя, минимально допус-

3

тимое отношение сигнала к шуму, величина сигнала на выходе
усилителя, параметры нагрузки усилителя.

Отношение сигнал/шум на выходе ПУ зависит как от шумов
фотопреобразователя, так и от собственных шумов усилителя.

среди которых подавляющими, как правило, являются шумы вход-
ного (для матриц — встроенного) каскада. Обычно при расчетах

учитывают только шумы входного каскада, а шумами последу-
ющих каскадов пренебрегают. Согласование входного каскада НУ
с фотопреобра.ювателем па шумам можно считать опти воль-
ным, если шумы последнего V А станут лимитирующими по
—2

сравнению с шумами усилителя т, е.

уУ, । =| (7и <р + (Ли ус '(7 м.*	1.

где А’ш — коэффициент шума ПУ (практически считается доста-
точным, если Угп 5 2).

Для матриц ПЗС значение коэффициента шума рассчитывает-
ся по шуму встроенного усилительного каскада, располагающего-
ся на самой матрице. Из приведенного ранее примера (см. гл.З)
следует, что Л'ш для матриц ПЗС близок к единице.

При анализе исходных данных для расчета ВТ важным факто-
ром является определение его АЧХ. Для телевизионных систем
наблюдения форму АЧХ ВТ чаще выбирают исходя из требований
равномерной передачи всего спектра частот сигнала, т. е. близкой
к прямоугольной (квазипрямоугольной) форме с заданной величи-
ной спада на граничных частотах. Граничные частоты полосы
пропускания усилителя определяются при этом на основе сообра
жений, изложенных в п. 2.2. Для обеспечения крутого спада АЧХ
на верхней граничной частоте применяются ЬКС-фильтры. При
проектировании ВТ следует помнить, что видеосигнал кроме
переменной составляющей содержит также постоянную состав
ляющую, несущую информацию о средней яркости передаваемого

11 . । < .... тво «Политехника» ичууу ро!у1есЪгнс8
изображения. Изменение сюжета приводит к изменению постони
ной составляющей сигнала.

При априорно известных форме и размерах объекта наблюде-
ния АЧХ ВТ целесообразно выбирать исходя из условия макси-
мизации отношения сигнал^ шум, В первую очередь это относится
к измерительным системам. Для получения максимального отно-
шения сигнал/шум необходимо пропустить аддитивную смесь сиг-
нала и шумов через оптимальный фильтр, имеющий функцию
передачи

------------------------------5Й------'	(а"

где Ко — коэффициент пропорциональности; С(со) — спектраль-
ная плотность мощности шума; ?0 — время достижения сигналом
максимума; Я (/<»>) функция, комплексно-сопряженная спектру
сигнала ЗДсо), который при заданной форме сигнала /(/) опреде-
ляется преобразованием Фурье

Ко О)

$(» = } Ув(0е

Отношение сигнал/шум на выходе оптимального фильтра, как
известно, равно

2	1 7 5%) ,,

Фоя ~ I “ , ^('к
Л ’’ <?((!))

Формула (5.1) может служить исходной для расчета ЛЧХ ви-
деотракта, а также отдельных его звеньев при условии, если изве-
стна форма входного сигнала. В случае, если напряжение сигнала
имеет колокольную форму, характерную для так называемых * то-
чечных* объектов, имеем

ииа) = ц..е

где а - ти/2 (ти — длительность колокольного импульса, измеряе-
мая на уровне 1/е - 0,37); 1/с амплитудное значение напряже-
ния сигнала.

Соответствующий спектр частот видеосигнала будет

8(со) = Тг'тДЛае .

От протяженных объектов напряжение (ток) сигнала 1С имеет
трапецеидальную форму (рис, 5.2).

(тепьсгво «Пшгитехника» . ро1у1есИтс5.ги
Рис. 5,2. Фарма спгпала
на выходе фото преобразо-
вателя

В этом случае спектр частот видеосиг-
нала [27] будет

Щ . «А. . Г/, > \<^в
$(о)) = — 81П-^-61П (1+^)—- ,
«о «>,	< I	]

где й,
Форму амплитудной характеристики
ВТ, представляющей собой зависимость его
выходного напряжения от напряжения на
нагрузке фотопреобразователя, определя-
ют исходя из назначения телевизионной

системы и условий ее работы. Форма амплитудной характеристи
ки ВТ в значительной степени определяет градационную характе
ристику системы. Если градационная характеристика системы за-
дана, то для известных типов фотопреобразователя и воспроизво-
дящего прибора (например, кинескопа) оказывается возможным
найти и АХ видеотрякта. Методика подобного расчета будет изло-
жена далее. Для придания АХ ВТ необходимой формы в состав
ПУ вводят специальные корректирующие звенья, называемые гам
ма корректорами.

При выборе формы АХ ВТ и протяженности ее рабочего участка
следует учитывать динамический диапазон передаваемых сигналов.
Если он оказывается чрезмерно большим, возможно применение
автоматической регулировки усиления в отдельных каскадах.

Эскизный расчет предварительного видеоусилителя может быть
осуществлен в следующем порядке.

1.	Определяют значение коэффициента усиления на нижних и
средних частотах Хо. Выбор Ко зависит от ряда обстоятельств,
среди которых следует назвать тип ТВ-системы (визуальный или
автоматический), допустимый уровень шумов на выходе видео-
тракта, динамический диапазон выходных сигналов. Важно отме-
тить, что значение непосредственно оказывает влияние на энер-
гетическую и контрастную чувствительности ТВ-системы, причем
изменением Л’о возможно в определенных пределах осуществлять
обменные операции между этими параметрами. В общем случае
К() = ПвыхД’'ф, где 1/вых — заданное минимальное выходное на-
пряжение ПУ; (7ф — минимальное напряжение на выходе фото-
преобразователя .

2.	Выбирают схемы входного и выходного каскадов. При ис-
пользовании в телевизионном датчике трубок класса «видикон*
пли матричных ПЗС рекомендуется входной каскад выполнять на
полевом транзисторе с нулевым смещением на затворе и нагрузкой

। «техника» шшуу. ро1у 1есЬгпс8.ги
Риг. 5.3. Каскодная схема усилителя

в цени стока, что обесде
чивает наименьший уро-
вень собственных шумов
(минимальное шумовое со-
противление). В качестве
входных каскадов приме-
няют также каскодные схе-
мы. состоящие из двух по-
следовательно включенных
транзисторов (рис. 5.3).
Каскодная схема отличает-
ся высокой устойчивостью
к самовозбуждению.

Шумовое сопротивле-
ние и входная емкость оп-
ределяются параметрами

нижнего транзистора, а коэффициент усиления равен К ~ 51Й2,
где	крутизна характеристики нижнего транзистора. Для

улучшения частотных свойств и увеличения коэффициента усиле-

ния предварительного видеоусилителя входной каскад иногда стро-

ится на операционном усилителе с нагрузочным резистором в цепи
обратной связи 1431.

В качестве выходного каскада, работающего на отрезок кабе-
ля, применяют либо эмиттерный, либо потоковый повторитель,
имеющий малое выходное сопротивление и практически не внося-
щий частотных искажений на частотах до 10 МГц. Коэффициент
передачи эмиттерного повторителя можно принять равным/Гвых =
= 0,4 0,6. В цифровых системах нагрузкой выходного каскада
служит преобразователь «напряжение—код».

3.	Определяют или выбирают необходимую форму АЧХ. Для
прямоугольной формы АЧХ ориентировочно распределяют допус-
тимый спад характеристики на верхней граничной частоте поло-
сы пропускания по каскадам. По основным каскадам спад харак-
теристики можно распределить приблизительно равномерно.

4.	Выбирают или рассчитывают необходимую форму и протя-
женность рабочего участка амплитудной характеристики.

5.	Выбирают схемы корректирующих и типовых каскадов.
Последние, так же как и выходной каскад, должны выбираться,
как правило, на основе унифицированных микросхем.

6.	Определяют число типовых усилительных каскадов

1еАг
где /?вх, йк, кт — коэффициенты передачи входного, корректиру-
ющего и типового каскадов на нижних и средних частотах. Если
составе ПУ имеются и другие звенья (например, фильтры), то
при расчете необходимо учесть значения их коэффициентов пере-
дачи. При определении числа типовых каскадов следует учиты-
вать требуемую полярность выходного сигнала.

Если предварительный видеоусилитель выполняет также фун-
кции промежуточного усилителя, то в составе ПУ необходимо
предусмотреть звено, в котором происходит замешивание гасящей
и синхронизирующей смеси импульсов, поступающих из синхро-
генератора. Для этой цели рекомендуется использовать один или
два каскада с общей нагрузкой, на входы которых через ключи
поступают видеосигнал и служебные импульсы.

Для эскизного расчета полезно выбрать несколько вариантов
построения ВТ и затем обосновать оптимальный вариант на осно-
ве заданных требований к усилителю. После эскизного расчета
производится детальный расчет схем нетпповых каскадов. После
этого строятся АЧХ и АХ ПУ по характеристикам отдельных его
звеньев.

5.3.	ВОССТАНОВИТЕЛИ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА

Для передачи сигнала, содержащего низкочастотные и посто
янную составляющие спектра частот, необходимо применять уси-
лители постоянного тока или устройства, с помощью которых
осуществляется перенос спектра в более высокочастотную область
путем модулирования низкочастотным сигналом специального ге-
нератора несущей частоты с последующим детектированием сиг-
нала на приемной стороне. Подобного усложнения усилителя мож-
но избежать, если в составе исходного сигнала имеются периоди-
чески повторяющиеся импульсы, величина которых пропорцио-
нальна постоянной или низкочастотной составляющей спектра. В
телевизионном сигнале роль таких импульсов выполняют строч-
ные п кадровые гасящие импульсы.

Известно, что постоянная составляющая видеосигнала несет ин-
формацию о средней яркости передаваемого изображения в интерва-
ле строки или кадра. На рис. 5.4, а показан исходный сигнал, а на
рис. 5.4, б сигнал без постоянной составляющей. Потеря посто-
янной составляющей сшнала в усилителе (см. рис. 5.4. б) сопро-
вождается искажением уровня гасящих импульсов (уровня черно-
го). При этом гасящие импульсы оказываются промодулирован-
ными средней составляющей видеосигнала.

।	ГЯИНХЭХИНОЦ» О9ХЭЧ1
а> ис



I.

Уровень

/ черного

б)

ис



Т

/

Уровень
' черного

Рис. 5.4. Видеосигнал с постоянной составляющей (а)
и без нее (б)

Для восстановления средней составляющей сигнала в требуемой
точке видеотракта (в том числе на входе гамма-корректора и АЦП)
применяют схемы, с помощью которых осуществляется фиксация
уровня гасящих импульсов. Наиболее простой и распространенной
схемой является неуправляемая диодная схема (рис. 5.5, а), пред-
ставляющая собой пиковый детектор, благодаря которому на раз-
делительном конденсаторе Ср образуется напряжение, пропорцио-
нальное размаху строчных гасящих импульсов. Во время действия
гасящего импульса конденсатор заряжается через открытый диод
до напряжения фиксации Ел, а по окончании импульса напряже-
ние на конденсаторе через открытый транзистор УТ1 оказывается
приложенным к затвору следующего полевого транзистора УТ2
в отрицательной полярности. При изменении размаха гасящих
импульсов напряжение на конденсаторе также будет меняться.
В промежутках между импульсами конденсатор постепенно раз-
ряжается через резистор Яр. вследствие чего происходит некото-

Рн<. 5.5. Неуправляемая схема фиксация уровня гасящп* пм-
пу.тьсов (а) и форма напряжения на входе транзистора 1Т2 (б)
рое изменение среднего уровня сигнала внутри строки, приводя-
щее к изменению ее яркости от одного края к другому

Другим недостатком неуправляемой схемы является ее инер-
ционность, проявляющаяся при резком уменьшении размаха га-
сящих импульсов (рис. 5.5, б). В результате этого явления для
приведения вершин гасящих импульсов к уровню фиксации тре-
буется не один, а несколько периодов строчной развертки, в тече-
ние которых конденсатор теряет излишний заряд, разряжаясь че-
рез резистор Л, (диод в этот промежуток времени оказывается
закрытым). Очевидно, что при изменении полярности исходного
сигнала полярность включения диода в схему также должна быть
изменена.

При расчете схемы задаются максимально допустимым измене-
нием яркости вдоль строки Д. Из сказанного выше следует, что
для постоянных заряда и разряда конденсатора Ср должны вы
подняться условия:

Т] = Ср 'Л + Л.) « I,- ; Тр = С-7^, » У ,
где <сг — длительность строчного гасящего импульса; Тс — пери-
од строчной развертки; — сопротивление диода в открытом
состоянии.

Принимая, например, т3 = /с г/8, получим из первого условия

4з.	г

3(Я, + Д.)

Поскольку значение Д мало (обычно Д8 0.05), разряд конден-
сатора можно считать линейным и тогда Тс/тр = Д. Отсюда

ехника» ро1у1есЬ1ис8.ги

В тех случаях, когда требуется высокая точность фиксации,
следует применять управляемые схемы, например транзисторную
схему, изображенную на рис. 5.6. В этой схеме транзистор УТУ
выполняет роль двухстороннего ключа, управляемого положитсль
ными импульсами, поступающими на его затвор. Управляющие
импульсы точно совпадают по фазе со строчными гасящими им-
пульсами и открывают нормально запертый транзистор УТЗ во
время обратного хода строчной развертки. Напряжение запира-
ния транзистора регулируется резистором В/ и является напря
жеписм фиксации уровпя гасящих импульсов. Таким образом,
при любых изменениях размаха гасящих импульсов в составе пол-
ного телевизионного сигнала, поступающего на вход транзистора
Рис. й.в. Управляемая схема фиксации уровня гася-
щих импульсов

УТ1, конденсатор будет легко перезаряжаться через открытый
насыщенный транзистор УТЗ и малое выходное сопротивление
потокового повторителя УТ1. Этим устраняется инерционность
схемы фиксации. Разряд конденсатора Ср во время прямого хода
развертки, приводящий к изменению яркости вдоль строки, будет
незначительным благодаря большому входному сопротивлению по
левого транзистора 1Т2.

5.4.	КОРРЕКТОРЫ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВИДЕОТРАКТА

Ранее были рассмотрены методы расчета градационной характе-
ристики телевизионной системы, представляющей собой зависи-
мость 1п 1 - Д 1п Ь')> где Ь — яркость воспроизводимого на экране
кинескопа изображения; I/ — яркость объекта. Если градацион-
ная характеристика известна, то для заданных типов фотопрсобра-
зователя и кинескопа может быть найдена амплитудная характе
ристика видеотракта. Графически эта задача решается с помощью
четырехквадраптпой диаграммы, представленной па рис. 5.7 [40].

В IV квадранте диаграммы изображена градационная характе-
ристика телевизионной системы, в / квадранте — характеристика
свет—сигнал фотопрсобразователя, а в III квадранте — модуля-
ционная характеристика кинескопа. Во II квадранте строится по
точкам искомая сквозная характеристика видеотракта С’вых = Л1Гф).
Аналогично, используя зависимость 11с - ДI п Ь') (где Цс — напря-
жение сигнала на входе порогового устройства АЦП), можно най-

аIольство «Полит
Рис. 6.7. Диаграмм* построения амплитудной
характеристики видеотракта

ти амплитудную характеристику видеотракта автоматической си-
стемы (с тпй лишь разницей, что в III квадранте провидится пря-
мая линия под углом 45 ).

Как отмечалось ранее, в ограниченных пределах передаваемых
яркостей градапиоппая характеристика телевизионной системы
может быть представлена степенной функцией 1 кхЬ' '1, где —
постоянный коэффициент; уг — показатель степени.

Если аналогично представить и характеристики отдельных зве-
ньев системы, то можно записать:

—	для фотопреобразователя — Ц.. =

-	для кинескопа — Ь = к}и<‘_ ;

—	для видеотракта —	Е7(|* .

Тогда после подстановок получаем

где к, =	; У| = УкУаУ*.

Отсюда искомый показатель степени амплитудной характерис-
тики видеотракта у4 = /(у2у31 может быть как больше или мень-
ше 1, так и равен 1.

Придание необходимой формы АХ видеотракта осуществляет-
ся с помощью специальных нелинейных звеньев, называемых гам-
ма-корректорами. Если остальные звенья видеотракта линейны,
то форма АХ гамма-корректора полностью соответствует форме
АХ всего видеотракта. В противном случае АХ гамма-корректора
может быть найдена с помощью четырех квадрант ной диаграммы,
аналогичной рассмотренной выше, но в которой в качестве исход-

11; 1.н<' и.», ню -По нттехника» учшуу ро1у1есНтс8.ги
Рие. 5.9. Расположение
уровня черного ОТНОСИТвЛЬ
во амплитудной Характе-
ристики гамма-корректора

Рис. 5,8. Схема глмма-коррсктора
ных функций должны быть заданы АХ видеотракта и его части
без гамма-корректора.

В качестве нелинейных элементов гамма-корректоров исполь-
зуются диоды или транзисторы, включаемые в цепь нагрузки,
либо отрицательной обратной связи усилительного каскада. На
рис. 5.8 представлена транзисторная схема гамма-корректора,
в которой коррекция амплитудной характеристики производится
за счет изменения нагрузки в коллекторной цепи второго каскада.

На входе любого гамма-корректора
всегда должна быть предусмотрена схе-
ма фиксации уровня черного с тем, что-
бы он постоянно располагался в опреде-
ленной точке АХ независимо от уровня
средней яркости передаваемого изображе-
ния (на рис. 5.9 в точке, соответству-
ющей 17вх- О). Только при этом условии
коррекция видеосигнала будет осуществ-
ляться правильно, т. е. на соответству-
ющем участке АХ. На вход схемы, по-
казанной на рис. 5.8, подается видео-
сигнал положительной полярности, ко-
торая не изменяется после эмиттерного
повторителя. При увеличении сигнала на
базе второго транзистора последователь-
но открываются диоды У1)1, УИ2, ГШ
(число диодов мажет быть любым), на-
грузочное сопротивление соответственно
уменьшается и коэффициент усиления

Политехника» V \
Рис*. 5.10. Амплитудная ха-
рактеристика гаммл-коррьк-
тора

Рис. 5.11. Схема построения двухс -
пального гамма-корректора

падает. Недостатком этой п других аналогичных схем являются
изломанность амилитудной характеристики (рис. 5.10) и труд-
ность перестройки схемы при необходимости изменить значенпеу.
Практически при пастройке схемы па другое значение у приходит-
ся подбирать значения резисторов Н1, Н2, НЗ, , 7?д2, Яд3. По
этой причине в схемах такого типа предусматривается не плав-
пос» а скачкообразное изменение у. Изломанность характеристики
достигается путем увеличения числа диодов.

В случае, если необходимо изменять значение у в пределах
1 < у < 1, применяют двухкапальпьтс корректоры (рис. 5.11).
один канол которого обеспечивает у < 1, а другой — у > 1 Пере
ход от у < 1 к у > 1 можно осуществить в схеме переменой поляр-
ности диодов.

5.5.	АПЕРТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ И ВЫДЕЛЕНИЕ

КОНТУРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Рассмотренные ранее апертурные искажения, вносимые фото-
преобразователем и кинескопом, выражаются в ухудшении резко-
сти воспроизводимого изображения и снижении глубины модуля-
ции яркости мелких деталей.

Обычно основная доля этих искажений падает на фотопреобра-
зователь, нормированная апертурная (частотно-контрастпая) ха-
рактеристика которого удовлетворительно аппроксимируется вы-
ражением

(5,2)

где со,. — временная частота, на которой глубина модуляции сиг-
нала уменьшается в е раз.

Отмстим, что апертурные искажения в отличие от других час-
тотных искажений не сопровождаются фазовыми искажениями.

111 югельство «Политехник,»- \\ и и ро!у ЬесЬгнсз.ги
Очевидно, что апертурный корректор должен обладать частот-
ной характеристикой, обратной Л(со), т. е, ЛГк(о>) = 1/ЙГ((1)). Тогда,
разлагая выражение (5.2) в степенной ряд, получаем [6]



со
и

I

1	СО I
+ “| —

2	со- I

или в операторной форме

где р = у'со.

Сигнал на выходе корректора

2	1	I

<ц 2 Щ

у ро1у1есЬ1ис5.ги

Преобразуя выходной сигнал в функцию времени, получаем

(( 1 - ^п. 0)

1 хГС . (М 1 Л . (/)
с% <11*	2<о* с/г'

(5.3)

Из формулы (5.3) следует, что апертурный корректор может
быть реализован с помощью устройства, в котором исходный сиг-
нал складывается в соответствующих пропорциях и полярностях
с сигналами его четных производных.

На рис. 5.12, а, 6 показаны различные формы напряжений,
а на рис. 5.13 приведена структурная схема дифференциального
апертурного корректора для случая, когда уравнение (5.3) огра-

Рис. 5.12. Фирмы напряжений н дифференциальном «пертурним корректоре
Риг, 5,13. Структурная схема дифференциального апертурного корректора

ничивается только двумя первыми членами. Исходный сигнал 1/вх,
имеющий зону размытости Др после двойного дифференцирова-
ния и ограничения преобразуется в сигнал (7Д". В обратной поляр
ноети этот сигнал складывается с исходным. Результирующий
сигнал 17вых =	- Ьтд" имеет зону размытости Д2 Следует

отметить, что полученный после коррекции сигнал обладает бо
лее широкой полосой частот, чем исходный, за счет увеличения
высокочастотных составляющих спектра. В атом плане проведен-
ную операцию можно рассматривать как дополнительное генери
рование высокочастотных составляющих спектра и прибавление
их к основному сигналу. Помимо дифференциальной существуют
и другие способы апертурной коррекции [6, 51].

Из приведенного анализа следует, что с помощью операции
простого дифференцирования исходного сигнала можно получить
сигнал, несущий информацию о перепадах яркости преобразуемо
го изображения (кривые 12д' и 17" на рис. 5.12, б). Такая опера-
ция получила название оконтуривания изображения. Существует
«однополярное* оконтуривание, при котором получается черный
или белый контур на противоположном по яркости фоне, и ♦ дву-
полярное», когда линия контура черно-белая. Сигнал контурного
изображения получается путем однократного (для годнополярно
го» оконтуривания) или двойного (для «двуполярного» оконтури-
вания) дифференцирования исходного сигнала.

Выделение контуров изображения можно осуществить только
в одном направлении (например в направлении, ортогональном к
линии развертки) или в любом направлении. В последнем случае
получается полностью изотропное оконтуривание изображения.
Для получения полного контурного изображения каждый элемент
исходного изображения должен быть развернут в двух перпенди-
кулярных направлениях, вследствие чего простая строчная раз-
вертка в этом случае оказывается недостаточной. Существует ряд
способов развертки изображения при полном оконтуривании,
например развертка раздвоенными строками, путем периодически

\ник.| \у\у\у роМесЬгйск.ги
го изменения фокусировки изображения или формы апертуры
и т. д.

Контурное изображение может быть использовано непосред
ственно для опознания образа или сложено с исходным изображе-
нием. В последнем случае получается эффект, который получил
название «электронной ретуши». Подвергнутое такой операции
изображение, в отличие от рассмотренной ранее апертурной кор-
рекции (коррекции резкости), имеет подчеркнутые переходы ярко-
сти. Соответствующий результирующий сигнал 0ВЬИ( (см. рис. 5.12)
приобретает один или два выброса (сверху и снизу), которые и
создают эффект оконтуривания. Очевидно, что для этой цели тре-
буется увеличить соответственна сигнал 1/^ и У ”.

В некоторых случаях целесообразным оказывается производить
оконтуривание отдельных участков равной яркости. При этом
контурные линии (изофоты) получаются путем вырезания части
сигнала, отвечающей заданному уровню яркости исходного изоб-
ражения.

5.6.	ПОНЯТИЕ И РАСЧЕТ ШУМОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Среди шумов входного (встроенного для ПЗС) каскада предва-
рительного усилителя, выполненного на полевом транзисторе, ос-
новное место занимают шумы активного канала. Эти шумы при-
нято учитывать не формулой Шоттки, а с помощью так называе-
мого шумового сопротивления /?т.

Под этим сопротивлением понимается такое активное сопро-
тивление, которое будучи подключенным ко входу идеального,
т. е. нешумящего прибора, вызывает вследствие тепловых флук-
туаций ток шума, равный шумовому току реального прибора.

Шумовое сопротивление в общем случае определяется формулой

I

.

ЩТГ

ОО

где Ее — эквивалентная полоса частот. Г =	(при А’(Л =

□

= сопз1 Ге - Д/);рш— эквивалентное шумовое напряжение, В/^Гц;
— постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

- (ательство «Политехника» и'игиг ро1у1ееЬгнс8.ги
На рис. 5.14 показаны
графики зависимости еш(Л
для двух типов полевых
транзисторов [9]. Из графи-
ков следует, что до частот
{ - (ЮМо5) Гц основное
влияние на шумовое сопротив-
ление оказывают низкочас-
тотные шумы, обусловленные
в основном генерационно-ре-
комбинационными процесса-
ми. На больших частотах шу-
мовое напряжение приоб-
ретает тепловой характер,
слабо зависящий от частоты.

Рис. 5.11. Зависимость эквивалентною
шумового напряжения еп1 от частоты {
дли двух типов полевых транзисторов
(1, 2) при короткозам кнутом входе

Таким образом, при широкополосном усилении, когда можно
пренебречь низкочастотными шумами, сопротивление Лш можно
считать приблизительно постоянным и равным

=» 0,7/

где — крутизна транзистора при нулевом смещении на затворе
и напряжении на стоке, равном напряжению отсечки.

Напряжение шумов входного каскада усилителя лщеделяется
по формуле

\ । итка» ууууж

1/ш.П' - 4й'оТД31 Д/.
ГЛАВА 6

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ВИДЕОСИГНАЛА

6.1.	ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

В прикладной телевизионной технике возможности аналого-
вой обработки сигнала оказываются недостаточными для реше-
ния многих практических и особенно исследовательских задач.
Это положение подтверждается, по крайней мере, двумя обстоя
тельствами. Во-первых, усложнение и увеличение числа обраба-
тывающих аналоговых звеньев в системе, а также увеличение
дальности передачи телевизионных сигналов неизменно влечет за
собой ухудшение качества передаваемого изображения, связанное
с потерей информации. Во-вторых, современные сложные способы
обработки сигнала, такие как пространственная фильтрация, гео
метрические преобразования, получение межкадровой разности
и т. д., требуют использования ЭВМ как универсального типа,
так и специализированных. В первом случае применение цифры
вой техники позволяет максимально сохранить качество переда-
ваемого изображения, во втором — использовать для обработки
сигнала существующий и вновь создаваемый парк вычислитель-
ных машин, в том числе микропроцессоров и микроЭВМ.

Практически в большинстве случаев приходится иметь дело с
передачей плоских, монохромных и неподвижных (в пределах од-
ного кадра) изображений с яркостью Ь'(х, у). Эта функция обыч-
но бывает задана в ограниченной области (0, хШпХ)х(0, утах).
Для представления в цифровой форме функцию яркости необхо-
димо подвергнуть трем последовательным операциям — дискре
тизации, квантованию и кодированию.

Дискретизация изображения представляет собой преобразова-
ние вида

Е'(х, у) -> Е/(*Ах, /Ду),

где к - 0,1, ..., .V - 1 при М = хп,ах/Дх; I - 0,1, ..., М - 1 при
™ = Утих/^У-

Таким образом, цифровое изображение — это матрица отсче-
тов Ь'(к, I). Параметры Ах и Ду называются разрешающей способ
ностью дискретизации по пространственным координатам.

Квантование и последующее кодирование изображения есть
представление отсчетов матрицы /«-разрядным двоичным кодом.

?льство «Политехника» \\ау и- поМуч ни се ги
При квантовании изображения каждому элементу матрицы при-
сваивается ближайший разрешенный уровень яркости (например,
нижний), число которых равно Л'о- 2т. В результате этой опера-
ции получается так называемый шум квантования, равный для
линейной шкалы уровней

8Ь-^«/[2(2“ -1)].

Операция кодирования представляет собой преобразование кван-
тованных значений отсчетов матрицы в соответствующие нм ко-
довые комбинации.

В телевизионной технике (в отличие, например, от фотогра-
фии) двухмерное оптическое изображение передается с помощью
одномерного электрического сигнала. Это позволяет операции дис-
кретизации и квантования производить не на исходном изображе-
нии, а на электрическом сигнале (видеосигнале), что оказывается
намного проще. Операция дискретизации в интервале длительно-
сти кадра Тк представляется тогда в виде

(7(0 -» ЩкМ),

где Л = 0,1, ..., ЛГ - 1 при № = Тк/Д#.

Шаг дискретизации А/ выбирается на основе теоремы Котель-
никова: Л1 1/(2/в), где /„ — верхняя граничная частота спектра
передаваемого сигнала. Выбор шага дискретизации по Котельни-
кову гарантирует сохранность в дискретном представлении видео-
сигнала всей информации о его спектральном составе.

После квантования видеосигнала по уровням каждому отсчету
присваивается своя кодовая комбинация, т. е. в целом осуществ-
ляется преобразование, получившее название импульсно кодовой
модуляции (ИКМ).

Основные операции над сигналом при цифровом кодировании для
трехразрядного кода, которому соответствует 2* - 8 уровней
квантования (3 бит/влемент), показаны на рис. 6.1 [55]. На рисун-
ке обозначены:	— напряжение исходного аналогового сигнала;

— напряжение сигнала после дискретизации; — напряжение
квантованного сигнала; (У напряжение кодированного сигнала.

Перейдем теперь к количественной оценке шага (частоты) дис-
кретизации и числа уровней квантования. При верхней частоте
стандартного телевизионного сигнала, примерно равной 6 МГц,
частота дискретизации будет 12 МГц, т. е. А( = 83 нс. Очевидно,
что за это нремя должна быть передана вся кодовая комбинация.

Выбор числа уровней квантования диктуется назначением сис-
темы. При передаче полутоновых изображений замена непрерыв-

(ьство «Политехника» \\\\ и рсНуЬесНгнсз.ги
Рис. 6.1. Графическая интерпретация операций дискре-
тизации, квантования и кодирования видеосигнала

ного сигнала квантованным приводит к появлению на приемном
конце ступенчатых перепадов яркости, что может, в свою оче-
редь, привести к искажениям в воспроизводимом изображении,
например, к смещению границ крупных деталей (появлению «лож-
ных контуров*). Количество уровней квантования должно быть
достаточным с точки зрения незаметности подобных искажений,
а также должно быть согласовано с числом воспроизводимых сис-
темой градаций яркости .1Ьиор. Многочисленными эксперимента-
ми показано, что для получения высококачественного изображе-
ния необходимо выбрать порядка 128 уровней квантования, т. е.
иметь информационную емкость отсчета 7 бит/элемент, а в неко-
торых случаях 256 уровней (8 бит/элемент). При передаче цвет-
ных изображений недостаток числа уровней квантования приво-
дит к нарушению цветопередачи.

Если считать, что в кадре содержится 500 000 элементов,
а длительность кадра составляет 40 мс, то для А'о = 256 цифро-
вой поток (пропускная способность канала связи) окажется рав-
ным 100 Мбит/с. Для передачи такого мощного цифрового пото-
ка требуется создание специальных каналов связи, что в значи-
тельной степени сдерживает внедрение цифровых методов в теле-
визионном вещании. В связи с этим необходимо отметить, что
телевизионная система обладает, как правило, большой инфор-
мационной избыточностью за счет наличия тесных статистиче-
ских связей соседних элементов изображения. Учитывая это, можно
уменьшить информационную избыточность и таким образом
«сжать* телевизионное сообщение. По отношению к цифровым
системам это означает, что следует применять более эффективные
способы кодирования, чем ИКМ [11, 51].

В заключение отметим, что цифровая телевизионная система
относится к разряду весьма широкополосных систем. Полоса час-
тот цифровой системы возрастает примерно на порядок по сравне-
нию с аналоговой. Можно считать, что в цифровой системе проис-
ходит обмен динамического диапазона входного сигнала, который
приобретает только два уровня, на полосу частот.

6.2	ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА

Задачи, решаемые телевизионными системами с цифровой об-
работкой изображения, весьма разнообразны. В соответствии с
назначением цифровые телевизионные системы (НТВ) можно ус-
ловно разделить на три основные группы. К первой группе отно-
сятся системы для решения особенно сложных научных проблем.
Центральной частью этих систем является микроЭВМ общего на-
значения. Ко второй группе относятся универсальные системы,
предназначенные для решения широкого круга задач обработки
изображений. Эти системы часто также используются для науч-
ных исследований. К третьей группе можно отнести системы, пред-
назначенные для работы в промышленности и способные обраба-

• ро1у1есЬтс8.п
тывать относительно простые изображения. Универсальность этих
систем ограничивается выполнением определенного круга задач.

Построение промышленных ЦТВ отличается высокой степенью
интеграции и наличием микропроцессора или микроЭВМ, а в от-
дельных случаях и вычислителя с жесткой логикой. Промышлен-
ные ЦТВ широко применяются в качестве систем технического зре-
ния (СТЗ) роботов, служащих для автоматического контроля изде-
лий. а также осуществления сборочных и ряда других технологи-
ческих операций. В зависимости от сложности задачи СТЗ последо-
вательно выполняют операции обнаружения, опознавания, клас-
сификации и измерения параметров контролируемых объектов.

К числу задач, решаемых наблюдате тьными ЦТВ, относятся
анализ клеток в биомедицинских исследованиях, устранение шу-
мов и помех в изображениях, получаемых от межпланетных стан-
ций, отделение движущихся объектов от фона, распознавание об-
разов и др.

По времени обработки изображения ЦТВ можно разделить на
работающие в реальном времени и с длительной обработкой. В
первом случае обработка сигнала осуществляется за время одного
кадра и обработанное изображение немедленно предъявляется по-
лучателю. К системам такого типа относятся промышленные ЦТВ.
Во втором случае обработка изображения ведется длительное вре-
мя, измеряемое в зависимости от сложности задачи иногда мину-
тами и десятками минут. Все это время исходное изображение
находится в памяти системы. Таким образом, например, обраба-
тываются фотоснимки, получаемые со спутников.

Существует понятие предварительной обработки изображения.
Под ней понимаются различные операции по преобразованию ис-
ходного изображения, в результате которых улучшается его каче-
ство. Преобразованное изображение может служить как конечной
целью обработки, так и являться исходным для дальнейшего ав-
томатического анализа. Понятие предварительной обработки час-
то связывается с понятием реставрации изображения, т. е. осво-
бождения исходного изображения от различного рода искажающих
факторов, к числу которых относится явление скоростного сма-
зывания, шумы, нелинейность в системе сканирования, искажа-
ющее влияние среды и т. д. В общем случае исходное и реставри-
рованное изображения связаны между собой через преобразующее
звено с передаточной функцией Т[/(Л,/)]. Эта функция должна
отражать преобразования, обратные искажающим преобразовани-
ям. Следует отметить, что в аналоговых системах подобные зада-
чи решаются с помощью различных корректоров (частотных, гра-
дационных и др.) или путем подбора соответствующего режи-
122
тд

Рис 6.2 Структурная схема цифровой телевизионной системы
ма работы системы, например режима импульсного экспонирова-
ния фотопреобразователя, практически устраняющего явление
скоростного смазывания.

На рис. 6.2 представлена общая структурная схема ЦТВ, пред-
назначенной для решения различного рода задач, определяемых
алгоритмом обработки данных в ЭВМ. Видеосигнал в цифровой
форме формируется на выходе телевизионного датчика ТД, в со-
став которого входит объектив О, матрица ПЗС, формирователь
фазного напряжения ФФН, синхрогенератор СГ, видеоусилитель
НУ с каскадами аналоговой обработки, включая формирование
полного телевизионного сигналаПТС, и преобразователь «напря-
жение код» IIНК. Для контроля изображения при ориентирова-
нии ТД и наведения его на объект служит видеоконтрольное уст-
ройствоВКУ; СИ, ГИ, ТИ — синхронизирующие, гасящие и так-
товые импульсы соответственно.

Кодированный сигнал с выхода ПИК поступает в буферное
запоминающее устройство БЗУ, предназначенное для организо-
ванного ввода информации в ЭВМ. Ввод информации осуществ-
ляется с помощью устройства ввода У В, представляющего собой
параллельный интерфейс. Перед ПЗУ может дополнительно уста-
навливаться преобразователь стандарта, назначение которого за-
ключается в согласовании скорости поступления информации из
ТД с быстродействием ЭВМ, По команде из ЭВМ, предусмотрен-
ной специальной программой, УВ переводит информацию из БЗУ
в ЭВМ, после чего в ней осуществляется обработка данных по
основной программе с выдачей результатов в устройство регистра-
ции УР. При необходимости УР может быть заменено следящим
устройством, воздействующим на поворотное устройство ТД.

При решении различных задач обработки изображений устрой-
ство регистрации состоит из преобразователя «код напряжение»
и второго видеоконтрольного устройства, на котором наблюдает-

11. । иельство «Политехника» и'игиг ро1у1есЬп1С5.ги
ся обработанное изображение. Последнее может также воспроиз-
водиться на первом ВКУ, что удобно при сравнении исходного и
обработанного изображений.

К наиболее сложным задачам, решаемым ЦТВ, относятся за-
дачи распознавания и классификации изображений Алгоритм рас-
познавания включает в себя предварительное составление слова
ря признаков классов, в который отбираются только наиболее
информативные признаки, обладающие достаточными разделитель-
ными свойствами, описание классов на языке признаков и выбор
меры близости опознаваемого изображения с каждым классом.
Последняя и является критерием отнесения изображения к тому
или иному классу.

6.3.	СИСТЕМА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СТАНДАРТА РАЗЛОЖЕНИЯ

Представляет практический интерес рассмотрение структурной
схемы цифровой системы, предназначенной для решения задач,
связанных с передачей сигнала по узкополосному каналу связи.
Обычно для таких целей применяются так называемые малокад-
ровые системы (см. гл. 9) с «медленными* развертками, при ко
торых частота кадров выбирается во много раз ниже стандартной
для вещательного телевидения. При этом в соответствии с форму-
лами (2.2) и (2.3) пропорционально уменьшается и полоса частот
видеосигнала. Однако применение малокадровых систем во мно-
гих случаях представляется нецелесообразным по ряду причин.
Одна из них заключается в том, что малокадровые передающие
камеры не выпускаются в массовом порядке и часто требуют спе-
циальной разработки, что существенно уменьшает их экономи-
ческую эффективность. Другая причина связана с тем, что экс-
плуатационные характеристики широко применяемых телевизи-
онных фотопреобразователей оптимизированы для работы только
в вещательном стандарте разложения или близком к нему. По
этим причинам целесообразно строить систему на основе обычных
телевизионных датчиков со стандартным разложением, а затем с

От 1>Ф11

Рис. Д.З. Структурная схема системы с преобразованием стандарт» разложения

ПД•Ч.»(11Ц.М1Л1Оа Л\Л\Л\ ••Р'ЧИНХ
а)

Рис, 6.4. Структурная схема селектора информативного кадра (а) и ,пюры
напряжений п схеме (й)

помощью преобразователя стандарта (ПС) «растягивать» кадр до
требуемой величины [27]. На рис. 6.3 приведена структурная схе-
ма подобной системы, в которой дополнительно предусмотрен се-
лектор информативных кадров (СК), т. е. кадров, видеосигнал
которых после обработки в устройстве УО подлежит передаче по
узкополосному (например, телефонному) каналу связи (КС).

На рис. 6.4 представлен вариант построения схемы СК и опто
ры напряжения к ней. В схему входят два делителя, первый из
которых преобразует импульсы частоты полукадров в импульсы
частоты кадров, а второй понижает эту частоту в А' раз, где А’ —
целое число. Оба импульсных напряжения поступают на форми
рователь ФИ. в качестве которого используется триггер. Схема
совпадений И отпирается выходным импульсом тигглра и пропус-
кает видеосигнал от селектируемого кадра.

>тельство «Политехника» и'игил ро!у(е<

6.4.	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ

Твердотельные полупроводниковые устройства памяти непос-
редственно связаны с цифровыми методами обработки изображе
нпя, в связи с чем получили название цифровых запоминающих
устройств (ЗУ). Конструктивно ЗУ выполняются на осповс интег-
ральных микросхем, количество и емкость которых определяет
общий объем памяти устройства. В телевидении применяются ЗУ
с информационной емкостью от одной строки до нескольких де-
сятков кадров. Если принять информационную емкость одного
отсчета 7 бит/элемент, что соответствует 128 уровням квантова-
ния видеосигнала, то для запоминания одной строки, содержащей
500 элементов разложения, потребуется информационная емкость
ЗУ 3,5 Кбит. Соответственно для запоминания одного кадра, со-
стоящего из 575 строк, необходима информационная емкость око-
ло 0,3 Мбит [58]. Следовательно, такое ЗУ способно запомнить 3-
5 полных телевизионных кадров. Наращивание количества микро-
схем позволяет увеличить объем памяти ЗУ до нескольких десят-
ков Мбит, т. е. записать программу продолжительностью 5-10 с.
Блок памяти, состоящий из нескольких секций, позволяет увели-
чить продолжительность записи до 1 чин Из приведенного приме-
ра следует, что цифровые ЗУ не предназначены для консервации
телевизионных программ и не могут в этом плане конкурировать с
видеозаписью на магнитную ленту или видеодиск.

Вместе с тем ЗУ позволяют сравнительно легко по заданной
адресной программе производить различные манипуляции с запи-
санной информацией. Распространенным в прикладном телевиде-
нии является формирование межкадровой разности, с помощью
которой можно селектировать движущиеся объекты и находить
их вектор скорости. Примерами геометрических видеоэффектов
являются сдвиг изображения в любом направлении, деление изоб
ражения, изменение формата кадра и т. д. Управление этими опе-
рациями обычно производится с помощью мини-ЭВМ [45]. Для
работы системы в реальном времени необходимо, чтобы ЗУ обес-
печивало одновременную запись и считывание информации. Воз-
можно также разделение этих операций во времени. При этом для
записи сигналов используется время обратных ходов по строкам
и кадрам.

6.5.	БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ преобразователи
НАПРЯЖЕНИЕ — КОД

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъем
лемой частью любых цифровых систем передачи информации.
В телевизионных цифровых системах используется АЦП ♦папря
жение—код», причем преобразуемое напряжение поступает через
видеоусилитель от фотопреобразователя или из видеомагнитофо-
па. АЦП выполняет следующие функции: дискретизацию видео-
сигнала по времени, квантование видеосигнала по динамическому
диапазону и преобразование полученных отсчетов в двоичный код.

К телевизионным преобразователям в большинстве случаев
предъявляют требование высокого быстродействия. Оно обуслов-


Рис, 6.5. Структурная схема параллельного преоб-
разователя «.напряжение --код»

лено широкой полосой кодируемого сигнала, частота дискретиза-
ции которого, как уже отмечалось, составляет порядка 12 МГц
(период дискретизации Тд - 83 нс). Только в малокадровых систе-
мах (см. гл. 9) различного применения требования к быстродей-
ствию могут быть значительно ниже.

Наибольшим быстродействием обладают Ш1К параллельного
типа. На рпс. 6.5 показана структурная схема ПНК параллельно-
го типа, рассчитанная па Л'о = 2т уровней кваптовапия и выда-
ющая сигнал в т-разрядном двоичном коде.

Напряжение входного сигнала С7ЧХ(П подвергается дискретиза-
ции в устройстве выборки и хранения отсчетов (5’ЛХ). Процесс
выборки в этом устройстве осуществляется С помощью схемы И.
на второй вход которой подаются импульсы дискретизации €’д(/>
(рис. в.6, а) [55]. Длительность импульсов дискретизации т дол-
жна быть возможно меньше, чтобы, во первых, за это время ана-
логовый сигнал не мог существенно измениться и, во-вторых,
оставалось достаточное время для последующего квантования и
кодирования сигнала. Хранение полученного отсчета осуществля-
ется с помощью емкости С. Из рис. 6.6. б видно, что существует
динамическая погрешность преобразуемого сигнала €7вх(Т,), ян
ляющаяся следствием того, что переход от режима выборки к
режиму хранения происходит не скачкообразно. Эта погрешность
при полосе частот сигнала 6 МГц и постоянной времени накопи
тельного фильтра 1 нс составляет около 2 % от напряжения на
безынерционном накопителе

ш техника	по1укч*ппк
Рис, 6.6. Схема (а) и эпюры напряжений (Л) в устройстве  ыборки и хранения
отсчетов

Дискретпзироваппый сигнал (см. рис. 6.5) подастся в блок
компараторов К,, число которых равно числу уровней квантова-
ния. Порог срабатывания каждого компаратора устанавливается
делителем эталонного напряжения (7Э. Входной сигнал подается
одновременно на все компараторы. Те компараторы, порог сраба-
тывания которых оказался ниже входного сигнала, устанавлива-
ются в единичном состоянии, остальные остаются в пулевом со-
стоянии. Па выходе блока компараторов образуется сигнал в виде
так называемого параллельного единичного кода, т. е. кода с ос-
нованием единица [ 16]. Отметим, что этот код является наиболее
простым и помехоустойчивым, поскольку у него веса всех разря-
дов одинаковы. Для преобразования параллельного единичного
кода в двоичный применяются специальные шифраторы.

В целях предотвращения ошибок, связанных с нестабильнос-
тью входного напряжения во время работы компараторов, между
последними и шифраторами помещается регистр храпения кода,
который жестко фиксирует состояние единичного кода в опреде-
ленный момент времени и хранит это состояние в течение всего
времени работы шифратора.

Анализ приведенной схемы показывает, что параллельный 11НК
требует для своего осуществления значительного количества эле-
ментов, которое приходится увеличивать с увеличением быстро-
действия и точности устройства. Тем не менее достижения совре-
менной технологии позволяют кодировать сигналы е частотой дис-
кретизации до 100 МГц и более.

Нм; ельство «Политехника» и \ ку ро1у(ес!
ГЛАВА 7

РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ И СИНХРОНИЗИРУЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА

7.1.	ГЕНЕРАТОРЫ КАДРОВОЙ РАЗВЕРТКИ

Для осуществления линейного отклонения электронного луча
в передающих трубках и кинескопах необходимы генераторы кад-
ровой (поперечной) и строчной (продольной) развертки.

При использовании как в кинескопах, так и в большинстве
передающих трубок, принципа электромагнитного отклонения луча
построение таких генераторов существенно отличается друг от
друга. Это отличие обусловлено большой разницей в частотах кад-
ровой и строчной разверток и, как следствие, большой разницей
реактивных мощностей, циркулирующих в соответствующих от-
клоняющих катушках, при близких по величине значениях энер-
гии. Отметим, что согласно существующему стандарту на веща-
тельное телевидение частота кадровой развертки составляет 50 Гц,
а строчной — 15 625 Гц.

Поскольку генераторы кадровой развертки работают на низ-
ких частотах, реактивная мощность, развиваемая в катушках,
незначительна. Это позволяет использовать в выходных каскадах
генераторов развертки однотактные усилители, работающие в ли-
нейном режиме, либо двухтактные усилители.

Общая структурная схема генератора кадровой развертки изоб-
ражена на рис. 7.1. Схема состоит из задающего каскада ЗГ,
синхронизируемого кадровыми синхроимпульсами, генератора пи-
лообразного напряжения ГПН, предварительного усилителя ПУ
и выходного каскада ВК. Последние звенья часто охватываются
обратной связью, назначение которой зависит от принципа пост-
роения выходного каскада. В некоторых случаях функции зада-

ние. 7.1. Структурная схема генератора кадровой развитей

зтелъство *По 1ше\никао ро1\1есЬшс5.ги
ющего генератора и генератора пилообразного напряжения совме-
щают в одном каскаде. Предварительный усилитель может отсут-
ствовать.

Основным звеном, регламентирующим работу схемы, является
выходной каскад. Выходные каскады кадровой развертки строят-
ся либо по трансформаторной схеме, либо с непосредственной свя-
зью отклоняющих катушек с активным элементом, Бестрансфор-
маторный вариант требует применения в выходном каскаде тран-
зисторов с относительно малым выходным сопротивлением. От-
личительной особенностью бестрансформаторных схем является
также повышенное число требуемых элементов, что может быть
оправдано при широком использовании в генераторах разверток
интегральных микросхем.

Трансформаторная схема обладает тем преимуществом, что в
ней легко можно осуществить согласование сопротивлений лю-
бых отклоняющих катушек с выходным сопротивлением транзис-
тора. В трансформаторной схеме исключается прохождение посто-
янной составляющей коллекторного тока через отклоняющие ка-
тушки, что приводит к смещению растра по вертикали.

Анализ эквивалентной схемы выходного каскада с трансфор-
маторным выходом показывает [17]. что для обеспечения в от
клоняющих катушках тока линейной (пилообразной) формы гк(/)
коллекторный ток транзистора и напряжение на его входе долж-
ны иметь пилообразно-параболическую форму, причем величина
параболической составляющей зависит от постоянной времени
трансформатора Т_р. С увеличением Ттр= 1^/^, где Ь1 — индук-
тивность первичной обмотки; г'н — приведенное значение нагру-
зочного сопротивления, удельный вес параболической составля-
ющей снижается. Очевидно, что для этого необходимо увеличи-
вать габаритные размеры и массу трансформатора. Формирование
параболической составляющей осуществляется с помощью час-
тотно-зависимой обратной связи (см. рис. 7.1).

Напряжение на отклоняющих катушках подчиняется уравне-
нию

(/г

(11

где Ьк, гк — индуктивность и активное сопротивление катушек
соответственно.

Отсюда следует, что напряжение и соответствующее ему
напряжение на коллекторе транзистора э имеют помимо ли-
нейной также скачкообразную составляющую. Скачок напряже-
ния во время прямого (рабочего) хода развертки невелик, а во

льство «Политехника» \ч и и кч-Ьпк
время обратного хода, равного 5-8 °А
от ее периода, может достигать сотен
вольт (рис. 7.2).

При построении выходного каска-
да необходимо принять меры для ог-
раничения всплеска напряжения на
коллекторе транзистора во время об-
ратного хода развертки, так как по-
добное перенапряжение может вывес-
ти транзистор из строя. В схеме, изоб-
раженной на рис. 7.3, для этой цели
используют диод и цепочку К'С'. Во
время обратного хода развертки боль-
шое отрицательное напряжение на

О

Рис. 7 2 Крпвхя напряжения
на коллекторе транзистора вы-
ходного каскада

коллекторе транзистора открывает диод и заряжает конденсатор
С'. Одновременно шунтируется коллектор транзистора, что пре-
дохраняет его от пробоя. Во время прямого хода конденсатор мед-
ленно разряжается через большое сопротивление резистора Я и
источник питания, причем диод остается закрытым, так как на-
пряжение на конденсаторе оказывается намного больше напряже-
ния источника питания.

Бестрансформаторные выходные каскады кадровой развертки,
получившие преимущественное распространение в настоящее вре-

Рнс. 7.3. Схема выходного каскада кадровой развертки
с защитной цепью

••По ш ехним" V, V. су ро1у1есИп1с&
Рис. 7 4. Двухтактная бестрансформаторная схема выходно-
го каскада кадровой развертки с предварительным усили-
телем

мя, строятся, как правило, по двухтактной схеме [5, 56] Двух-
тактные каскады могут выполняться на транзисторах одного или
разного типа проводимости. Пример построения двухтактного
выходного каскада кадровой развертки на однотипных транзисто-
рах УТ4 и УТ5 приведен на рис. 7.4. На этой схеме показан также
предварительный усилитель, выполненный на разнополярных тран
зпеторах УТ2 и УТЗ. Схема работает следующим образом. Вход-
ной пилообразный сигнал после усиления каскадом, собранном
на транзисторе 1'7'2, поступает на базы транзисторов предвари
тельного усилителя. Транзистор УТ 2 включен по схеме с общим
коллектором, а транзистор УТЗ — по схеме с общим эмиттером,
вследствие чего на базы обоих транзисторов выходного каскада
напряжения поступают в противофазе, что обеспечивает их рабо-
ту в двухтактном режиме. Во время работы транзистора УТ4 то-
ком, протекающим через отклоняющие катушки, заряжается кон-
денсатор С1. Напряжение на конденсаторе является источником
питания для транзистора УТ5, который формирует вторую поло
вину прямого хода пилообразного тока. Таким образом, двухтакт
ный выходной каскад потребляет энергию от источника питания
только в тсчепие одного полупериода развертки. Во время обрат-
ного хода развертки на отклоняющих катушках, так же как и в
трансформаторной схеме, возникает значительный отрицательный
всплеск напряжения.

Следует отметить, что в двухтактном каскаде благодаря цели
нейности начальных участков вольт-амперных характеристик тран-
зисторов может возникнуть пелипейпость середины прямого хода
развертки. Устранить или уменьшить это явление можно путем
тщательного подбора напряжения смещения обоих транзисторов.

Как видно из приведенной схемы, в выходном каскаде исполь-
зуется обратная связь, сигнал которой подается через конденса-
тор С2 в точку между резисторами П2 и ИЗ. Благодаря этому
напряжение в данной точке возрастает на величину положитель-
ной части импульсного сигнала, что повышает напряжение пита
ния транзистора КГ 1 и приводит к сокращению длительности об-
ратного хода развертки.

Рассмотрим теперь генератор кадровой развертки с бестрансфор-
маторным выходом, собранный на одной интегральной схеме [60]
Генератор, структурная схема которого представлена на рис. 7.5,
построен на интегральной микросхеме К174ГЛ1. В состав генера-
тора входят схема синхронизации СС, задающий генератор ЗГ,
генератор пилообразного напряжения Г11Н, буферный каскад БК,
предварительный усилитель 11 У, усилитель мощности УМ, а так-
же схема формирования обратного хода ФОХ и стабилизатор на-
пряжения СН.

Задающий генератор представляет собой релаксационный авто-
генератор. работающий в режиме внешней синхронизации, осуще-
ствляемой кадровыми синхроимпульсами. Собственная частота за-
дающего генератора подстраивается резистором К1. Прямоуголь-
ные положительные импульсы с задающего генератора подаются

КСИ

Рис. 7.5. Структурная схема генератора кадровой развертки иа интегральной
микросхеме
иа генератор пилообразного напряжения, зарядная цеш» которого
состоит из резистора Н2 и конденсаторов С2 и СЗ. На среднюю
точку между этими конденсаторами через переменный резистор ВЗ
подается напряжение обратной связи, снимаемое с выхода буфер-
ного каскада, чем осуществляется ^-коррекция пилообразного на-
пряжения. Последняя, как указывалось в п. 4.1, необходима для
линеаризации отклонения луча в широкоугольных кинескопах,
которая связана с ликвидацией геометрических искажений растра.

С выхода буферного каскада напряжение подается на предва-
рительный усилитель, охваченный отрицательной обратной свя-
зью по постоянному току, которая осуществляется через резисто-
ры Я5 и Я8. Обратная связь позволяет стабилизировать коэффи
циент усиления усилителя в широком диапазоне изменения тем-
пературы. Через резистор Н6 осуществляется обратная связь по
переменному току, которая стабилизирует < елпчину отклоняюще-
го тока при уходе параметров отклоняющих катушек от их значе-
ния при нормальной температуре. Усилитель мощности нагружа-
ется непосредственно на катушки.

Схема формирования обратного хода служит для увеличения
напряжения питания выходного каскада во время обратного хода
развертки, что необходимо для обеспечения требуемой длительно
сти обратного хода при относительно небольшом напряжении ос-
новного источника питания

Рассмотренная схема генератора развертки обеспечивает полу-
чение максимального тока в катушках около 1,5 А при значении
коэффициента нелинейных искажений, равном 8	.

7.2.	ГЕНЕРАТОРЫ СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ

Генератор строчной развертки обычно состоит из задающего и
выходного каскадов. Работа выходного каскада строчной разверт-
ки принципиально отличается от работы выходного каскада кад-
ровой развертки. Как указывалось, это отличие вызвано большой
разницей в частотах разверток и, как следствие, в значениях ре-
активной мощности, циркулирующей в отклоняющих катушках.
Применение обычных усилительных каскадов при этом было бы
сопряжено с большими потерями энергии, расходуемой во время
обратного хода развертки на нагрев активных сопротивлений,
входящих в схему выходного каскада. Эта энергия равна IV =
= Ек(21т)2/2, где Тт — амплитуда тока. Для уменьшения потерь
энергии выходные каскады строчной развертки строят обычно по
ключевым схемам.

• I.. •>\никак у ро1у1есЬп1С8.ги
Рис. 7.6 Эквивалситиая схема выходного каска-
да строчной развертки г двухсторонним ключом (а)
и эпюры тока и напряжения <б)

Рассмотрим работу схемы с ключом К, имеющим двухсторон-
нюю проводимость и внутреннее сопротивление Н, (рис. 7.6, а).
При анализе эквивалентной схемы выходного каскада строчной
развертки большую роль играет паразитная емкость катушек. В то
же время их активное сопротивление оказывается несуществен-
ным по сравнению с индуктивным сопротивлением. Направления
токов в схеме для различных интервалов времени показаны на
рис. 7.6, а стрелками.

При замыкании ключа К (( = 0) паразитная емкость контура
ЬКСО мгновенно заряжается, поскольку постоянная времени мала,
и ток в катушке Ьк возрастает по закону
'), где т = 1^/7? .

Если сопротивление ключа Н, = 0, то сила тока в катушке
будет возрастать строго линейно: /к = (Е^/Е^. В момент ключ
размыкается и в контуре возникают свободные колебания. При
этом ток меняется по косинусоидальному закону, а напряжение
(7К — по синусоидальному, т. е. :к - 1т соя ей; 17к = яш о/.

При В) = 0 максимальные значения тока и напряжения соот-
ветственно равны:

“ 2ЬИ ’	01	2	’

где Тр — время прямого (рабочего) хода развертки.

Время обратного хода равно половине собственных колебаний
контура: 7^- л/0), тогда максимум напряжения

Цд.=



Если, например 7р/Тоб = 10, то 1/т = 15,7ЕО.

В момент /у ключ снова замыкается. При этом колебания в
контуре прекращаются, а ток (к, уменьшаясь по абсолютному
значению, нарастает почти линейно и протекает в направлении,
обратном ЭДС источника, заряжая последний. Возврат энергии в
источник, запасенной в катушке за время 10 - *], происходит в
интервале 13 14. Таким образом, если Я, = 0, то схема не потреб-
ляет энергии, а циркулирующая в ней мощность носит чисто ре
активный характер. При /?, * О, очевидно, будут иметь место по-
тери энергии, одпако эти потери намного меньше энергии, созда-
ющей полезный эффект отклонения луча. Следует также доба-
вить, что наличие внутреннего сопротивления ключа/?, приводит
к появлению пелипейпостп отклоняющего тока.

Реализовать двухсторонний ключ можно с помощью одного би
полярного транзистора, однако его коллекторные характеристики
нс обладают достаточной симметрией, что отрицательно сказыва-
ется на форме и линейности пилообразного тока в катушках.
Поэтому в транзисторных схемах выходных каскадов строчной
развертки двухсторонняя проводимость ключа обеспечивается обыч
но путем применения мощного управляемою транзистора и демп-
фирующего полупроводникового диода (рис, 7.7, а). Поскольку
сила тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора, дос-
таточно велика, число витков в катушках, необходимое для со-
здания отклоняющего поля, незначительно. При этом собствен-

11; |,нг па 1во - Ни гм те м н । ।	\\ \ууу ро1у(ес1'1П1С5.ги
Риг 7.7. Схем? выходного кас-
када строчной развертки с де и
ифирующич диодом (а) и эпю-
ры напряжений п токов в схе-
ме (б)

ной межвитковой емкости катушек оказывается недостаточно для
формирования требуемой длительности обратного хода развертки,
и емкость контура в коллекторной цепи транзистора приходится
искусственно увеличивать. Напряжение, возникающее на коллек-
торе при разрыве ключа, 17,„ Ек71р/7’об. Для ликвидации посто-
янной составляющей тока в катушках последние подсоединяют к
транзистору через трансформатор или разделительный конденса-
тор.

На рис. 7.7, б приведены формы импульсов токов и напряже-
ний в схеме выходного каскада строчной развертки. На базу тран-
зистора подаются положительные запирающие импульсы длитель-
ностью Тза11= Тр/2 + и отпирающие отрицательные импульсы
длительностью = Тр/2. Во время обратного хода развертки
транзистор и диод заперты, причем последний — за счет всплеска
отрицательного напряжения на катушке и одновременно на кол-
лекторе транзистора Vт. Импульсы, подаваемые на базу транзис-
тора, должны быть достаточными, чтобы поддерживать его в за-
пертом состоянии. Когда напряжение на коллекторе СУТ меняет
знак, открывается диод и через катушки протекает ток в тече-
ние времени Тр/2. Затем открывается транзистор и за счет кол-

I ' • 1 ельство «Политехника
лекторного тока /т формируется вторая половина отклоняющего
тока через катушки 1К.

Для получения хорошей линейности отклоняющего тока сопро
тивление диода в прямом направлении должно быть минималь-
ным. Диод и транзистор должны выдерживать в запертом состоя-
нии напряжение, равное Ь’т. Произведение напряжения С! т ’ Ек
на максимальное значение тока7т получило название разрывной
мощности ключа.

Коэффициент нелинейности отклоняющего тока связан с ак-
тивным сопротивлением отклоняющих катушек гк и сопротивле-
нием насыщенного транзистора 2?т формулой

„ _ 2 1,п (П1 + )
Д.

Регулирование линейности отклоняющего тока и придание ему
8-образной формы осуществляют путем последовательного вклю-
чения с катушками специального дросселя и корректирующего
конденсатора. Конструкция дросселя должна обеспечивать изме-
нение его индуктивности под воздействием протекающего тока.
Это достигается за счет того, что протекающий через обмотку ток
намагничивает сердечник, изменяя его магнитную проницаемость.
При этом для достижения хорошей линейности отклоняющего
тока зависимость индуктивности дросселя от тока должна при-
ближаться также к линейной. Подстройку линейности развертки
обычно осуществляют, изменяя степень насыщения сердечника
дросселя.

Подушкообразные искажения изображения в кинескопе кор-
ректируют с помощью корректирующего конденсатора С8, кото-
рый вместе с индуктивностью отклоняющих катушек образует
последовательный колебательный контур 1ЕСЯ. Частота этого кон-
тура	подбирается таким образом, чтобы во время

прямого хода развертки на линейный отклоняющий ток накла-
дывался примерно один полупериод тока собственных колебаний
контура, в результате чего суммарный ток приобретает 8-образ-
ный характер, определяемый выражением

* вШад/2)	2

При Тр = п/ыя получаем = 1т аш - л/2).

Импульсное напряжение Ьт, возникающее на нагрузке выход-
ного каскада строчной развертки во время обратного хода, ис-
пользуется в видеоконтрольных устройствах для получения высо-
138

(ьство «Политехника» ро^есНгнсз.ги
кого напряжения, питающего фокусирующий и главный аноды
кинескопа. Импульсное напряжение усиливается по мощности
(мощность, потребляемая по цепи высокого напряжения с учетом
КПД выпрямителя, составляет 5 -10 Вт), трансформируется и за-
тем выпрямляется. Для получения необходимого напряжения при-
меняются схемы умножения. В целях ликвидации нестабиль-
ности высокого напряжения, возникающей при изменении силы
тока луча кинескопа, применяют схему электронной стабилиза-
ции.

7.3.	СИНХРОНИЗИР5 ЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Совокупность средств, обеспечивающих синхронность и син-
фазность разложения и воспроизведения изображения, называют
системой синхронизации (15). Требования к системе синхрониза-
ции и состав входящих в нее элементов определяются назначени-
ем и особенностями построения телевизионной системы в целом.
Устройства синхронизации отличаются в прикладных и вещатель-
ных, измерительных и наблюдательных, аналоговых и цифровых
телевизионных системах.

Система синхронизации должна удовлетворять ряду общих тре-
бований. В первую очередь, это относится к обеспечению ею за-
данного способа и параметров разложения изображения. Для ве-
щательного телевидения России это требование определяет стан-
дарт, согласно которому для него устанавливается чересстрочное
разложение на 625 строк при 25 кадрах в секунду. Для приклад-
ного телевидения могут использоваться и другие параметры раз-
ложения, например, чересстрочное разложение на 1125 строк при
25 кадрах н секунду, построчное разложение на 312 строк при 50
кадрах в секунду и т. д.

Любая система синхронизации должна обеспечивать геометри-
ческую достоверность передаваемою изображения, которое вос-
производится полностью и без разрывов. Система синхронизации
должна быть помехоустойчивой, надежной и экономичной.

Центральным устройством системы синхронизации, как пра-
вило, располагающимся на передающей стороне, т. е. в телевизи-
онном датчике, является генератор синхронизирующих импуль-
сов, называемый обычно синхрогенератором. Синхрогенератор вы-
полняет следующие функции:

—	управляет работой развертывающих устройств передающей
трубки пли сдвиговых регистров ПЗС;

—	управляет работой развертывающих устройств кинескона;

Политехника» поМесНок ти
—	управляет работой вычислительного устройства, а также
АЦП и ЦАП в цифровых телевизионных системах;

синхронизирует работу двигателей видеомагнитофона;

—	управляет процессом восстановления постоянной составля-
ющей видеосигнала;

формирует гасящие импульсы, запирающие лучи переда-
ющей и приемной трубок во время обратного хода по строкам и
кадрам.

Управление работой развертывающих устройств передающей
трубки и кинескопа осуществляется с помощью строчных и кад-
ровых синхронизирующих импульсов. В прикладном телевидении
используется подача синхронизирующих импульсов к разверты-
вающим устройствам либо по отдельным линиям связи, либо в
составе полного телевизионного сигнала, включающего в себя
видеосигнал (сигнал яркости), синхронизирующие и гасящие им-
пульсы. Первый способ обычно применяется в телевизионных дат-
чиках, второй — для синхронизации разверток видеоконтроль-
ных устройств. В составе полного телевизионного сигнала синх
роимпульсы частоты строк и кадров располагаются ниже уровня
черного, как правило, совпадающего с уровнем вводимых в сиг-
нал гасящих импульсов (уровни черного и гасящих импульсов мо
гут отличаться на несколько процентов). При этом гасящие импуль-
сы служат как бы пьедесталами для синхроимпульсов (рис. 7,8).
Процесс синхронизации разверток осуществляется во время об
ратных ходов.

Выделение синхроимпульсов из полного телевизионного сигна-
ла производится в видеоконтрольном устройстве с помощью амп-
литудных селекторов. Выделение строчных (длительностью 1,7 мкс)
и кадровых (длительностью 160 мкс) синхроимпульсов из общей
еинхроемеси осуществляется с помощью дифференцирующих и
интегрирующих цепей соответственно. Из рис. 7.9 видно, что после
дифференцирования и последующего ограничения импульсы (7Д
можно использовать для синхронизации строчной развертки, в то

Уровень белого

Рис. 7.8. Полный телевизионный сигнал при построчном разложении
Рис. 7.9. Прохождение синхроимпульсов через дифференци-
рующую и интегрирующую цепи

время как после интегрирования импульсы 1УН пригодны для осу-
ществления только кадровой синхронизации.

На качество передачи изображения существенное влияние ока-
зывает помехозащищенность системы синхронизации. Помехи в
канале связи неодинаково сказываются на синхронизации кадро-
вой и строчной разверток. Воздействие помех на кадровые синх-
роимпульсы будет относительно слабым, так как интегрирующая
цепь, служащая для их селекции, является одновременно фильт-
ром нижних частот. Канал строчной синхронизации имеет значи-
тельно меньшую помехозащищенность, поэтому необходимо при
менять специальные меры для ее повышения. Одной из таких мер
является применение нормально -запертого амплитудного селекто-
ра, который отпирается импульсами обратного хода, поступа-
ющими с выходного каскада строчной развертки. Другой, более
надежный, способ заключается в применении устройства автопод-
стройки частоты и фазы импульсов, вырабатываемых задающим
генератором строчной развертки. Для этого импульсы синхрони-
зации и задающего генератора сравниваются в импульсном фазо-
вом детекторе, выходные сигналы с которого поступают на инте-
грирующий элемент, подавляющий влияние помех и вырабатыва-
ющий напряжение, управляющее частотой задающего генератора.

Для получения устойчивого чересстрочного разложения и пре-
дотвращения сбоя строчной синхронизации во время обратного
хода по кадрам сигнал синхронизации усложняется путем введе-
ния дополнительных импульсов. Дело заключается в том, что
строчные синхронизирующие импульсы стандартной длительнос-
ти 4,7 мкс создают на выходе интегрирующей цепи в видеоконт-
рольном устройстве сигналы в четном и нечетном полях, отлича-
ющиеся по величине перед началом кадрового синхроимпульса

ММА\ (’ЧННХ.
Рис. 7.10. Синхронизирующие импульсы в четном
(!/]) и нечетном (1/г) полукьдр&х при чересстроч-
ном разложении и форма напряжения на выходе
интегрирующей цепи при отсутствия выравнива-
ющих импульсов (1/3):

I — строчный синхроимпульс; 2 — ыраипквающий импульс;
3 — кадровый синхроимпульс с врезками 4

(рис. 7.10). Это отличие приводит к появлению временного сдвига
Л/, благодаря которому’ может произойти частичная потеря черсс-
строчноети развертки. Для предотвращения этого в состав еинх
росмеси вводят несколько дополнительных импульсов, следующих
с двойпой строчной частотой и получивших название выравнива
юших импульсов.

Выравнивающие импульсы следуют через интервал времени
О.бТ,. в течение времспи ЗТС перед каждым кадровым синхроим-
пульсом, а также после него. Чтобы не было потери строчной
синхронизации во время обратного хода кадровой развертки, кад-
ровые синхроимпульсы прорезаются врезками, также следующи-
ми с интервалом 0,5Тс. Наличие выравнивающих импульсов при-
водит к тому, что форма кадровых синхроимпульсов в четном и
почетном полях после интегрирующей цепи оказывается практи
чески одинаковой, а временной сдвиг Д/ будет близким к нулю.
Для строчной синхронизации наличие выравнивающих импуль-
сов и врезок двойной строчной частоты по играет роли. Устойчи
вость синхронизации генератора строчной развертки не нарушает-
ся, так как он во время обратного хода по кадрам и перед ним
просто будет работать в режиме деления частоты 1:2.

ехника
В автоматических системах телевизионный датчик работает
совместно с цифровым вычислительным устройством. Согласова-
ние во времени работы датчика с вычислителем, с аналого-цифро-
вым и цифроаналоговым преобразователями также входит в зада-
чу системы синхронизации, что существенно усложняет ее струк-
туру. Так, для правильного декодирования сигнала в ЦАН пода-
ется сигнал начала первой кодовой комбинации и сигнал, несу-
щий информацию о тактовой частоте. Формируются специальные
кодовые сигналы, фиксирующие начало и конец каждого кадра и
строки. Для увеличения помехоустойчивости системы могут быть
использованы дополнительные сигналы, служащие для локали-
зации ошибок в интервалах строк. Число дополнительных синх-
ропосылок выбирается таким, чтобы при наличии помех наруша-
лась только часть строки и одновременно не было больших по-
терь времени на передачу служебных сигналов.

Синхрогенератор любой телевизионной системы состоит из двух
основных частей: задающей части (хронизатора) и формирующего
устройства. В состав хропизатора входят задающий генератор,
делители частоты. Назначение хронизатора заключается в созда-
нии импульсов основных опорных частот. Формирующее устрой-
ство вырабатывает служебные импульсы различного назначения
заданной формы, величины, длительности и полярности. В част-
ности, в этом устройстве формируются импульсы синхронизации
строчной развертки передающей трубки с опережением по фазе
относительно соответствующих импульсов кинескопа, что необ-
ходимо для компенсации времени пробега сигнала по камерному’
кабелю, если он имеет значительную длину’ (в промышленных
телевизионных установках длина камерного кабеля может дости-
гать километра и более).

Структурная схема хронизатора, обеспечивающего получение
стандартного чересстрочного разложения, показана на рис. 7.11.
Главным элементом хронизатора является задающий генератор
(37*). Стабильность работы задающего генератора определяется
назначением системы. Для прикладных систем стабильность за-
дающего генератора должна быть не менее 5-10 1. для систем
вещательного телевидения 10 ".

В качестве задающих генераторов обычно используют к варце-
вые генераторы. Задающий генератор вырабатывает первпчнуто
опорную частоту, из которой путем деления получается двойная
строчная частота, равная для стандартного разложения 31 250 Гц.
На рис. 7.11 частота задающего генератора составляет 1 МГц. Из
двойной строчной частоты путем деления ее на два получают час-
тоту строчной развертки, а путем деления на 2 (номинальное
Рис. 7.11. Структурная схема хронизатора системы с че-
ресстрочным разложением [ПК, С, ДС — импульсы по
лукадровой, строчной и двойной строчной частоты соот-
ветственно.

число строк разложения) — частоту кадровой развертки, равную
при чересстрочном разложении частоте полукадров.

Частота задающего генератора в цифровых телевизионных сис
темах и системах, в которых в качестве фотопреобразователя при-
меняется матричный ПЗС, равпа частоте тактовых импульсов.
В нервом случае тактовые импульсы необходимы для временной
дискретизации видеосигнала, во втором — для опроса элементов
матрицы. На рис. 7.12 представлена структурпая схема хропиза-
тора цифровой измерительной системы на среднеформатной мат-
рице ПЗС размером 256 х 288 элементов [27]. Синхрогенератор
обеспечивает работу системы в режиме построчпого разложения с
частотой кадров 50 Гц. Задающий генератор настроен на частоту
4,85 МГц, из которой формируются импульсы строчной частоты
13,7 кГц. Длительность строки равпа 73 мкс, причем прямой ход
составляет 59,3 мкс, а обратный — 13,7 мкс. Из импульсов строч-
ной частоты путем деления формируются импульсы частоты кад-
ров. Номинальное число строк разложения составляет при этих
частотах 7. - 274. На обратный ход кадровой развертки отводится

ся

КИ

Рип. 7.12. Структурная схема хронпзатора цифровой
телевизионной системы с построчным разложением (КИ,
СИ ТИ — импульсы кадровой, строчной п тактовой
частоты соответственно)

ТИ

пл 8Э1ицээ}Х[ой л\л\а\ •1,мин\аш1 0Ц-> 1ии_жьл1С1Л|4
1,6 мс и таким образом число активных строк составляет^ = 252.
На прямой ход строчной развертки приходится 288 периодов так-
товой частоты, что обеспечивает вывод полной строки матрицы,
состоящей из 256 элементов, и дискретизацию видеосигнала.

Делители частоты в современных синхрогенераторах выполня-
ются исключительно на двоичных цифровых счетчиках. Цифро
вые счетчики строятся на элементах, обладающих двумя устойчи-
выми состояниями равновесия, как правило, на триггерах. Циф-
ровые счетчики характеризуются коэффициентом пересчета, или
модулем счета Лт0, определяющим число возможных состояний
счетчика (кратность деления). Для двоичных счетчиков = 2"',
где т целое число. Счетчики могут быть с последовательным и
параллельным переносом. При последовательном переносе <’-й триг-
гер счетчика переключается выходным сигналом предыдущего
О — 1)-го триггера. В счетчиках с параллельным переносом на все
триггеры одновременно воздействует входной сигнал, вследствие
чего такой счетчик является более быстродействующим.

В синхрогенераторах обычно требуется, чтобы кратность деле-
ния отличалась от = 2т. В этом случае иеобходимо принять
меры для исключения или добавления лишних устойчивых состо-
яний в двоичном счетчике, что осуществляется с помощью обрат-
ных связей.

Сущность данного способа заключается в том, что для исклю-
чения пли добавления ряда устойчивых состояний в счетчике вы-
ходные импульсы одного или нескольких триггеров подаются на
вход одного или нескольких предыдущих триггеров. Подбирая
количество двоичных ячеек и меняя условия обратной связи, мож-
но построить схемы счетчиков с произвольными целыми значени-
ями коэффициентов пересчета. Для определения значения коэф-
фициента пересчета следует пользоваться формулой

ро1уйесНпкз;.ги

где 8 — число обратных связей; а( — номер триггера, принима-
ющего импульс обратной связи; 5(- — помер триггера, с которого
снимается импульс обратной связи; знак «—» ставится в случае,
когда импульс обратной связи добавляется к входным импуль-
сам, знак « I » — наоборот, когда импульс обратной связи подаст-
ся в противофазе по отношению к одному из входных импульсов
и исключает его.

Для получения коэффициента деления 1 : 625 в еппхрогепера-
торе счетчик разбивается на два последовательно соединенных
Рис. 7.13. Структурная схема счетчика с модулем, не являющимся целой
степенью числа «2»

блока, каждый из которых осуществляет деление в отношении
1 : 25 и состоит из пяти двоичных ячеек. Для понижения коэф-
фициента деления с 1 : 32 до 1 : 25 в каждом блоке с выхода
пятой ячейки через устройство задержки 3 добавляются импуль
сы обратной связи в три первые ячейки (рис. 7.13), Коэффициент
пересчета при этом будет

=2Э

= 25.

 1Ь>н( гхник.1- \\\>. с {.есНгнсб.ги
ГЛАВА 8

ОСНОВЫ ЦВЕТНОГО

И СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Системы прикладного телевидения в подавляющем большин-
стве рассчитаны на обработку и воспроизведение плоских черно-
белых изображений. Это относится как к наблюдательным, так и
измерительным системам. Тем не менее существует область при-
менения прикладного телевидения, которая базируется на анали-
зе исключительно цветных изображений. Речь идет о медицине и
биологии [7]. Телевизионная микроскопия и эндоскопия, транс-
ляция хода хирургических операций, офтальмология требуют пе-
редачи и воспроизведения цветной информации. Поэтому исполь-
зование цветного телевидения для решения прикладных задач (кро-
ме медицины и биологии существуют и другие направления, на
пример, дистационное измерение температуры нагретых тел) столь
же актуально, как и цветное телевещание.

Стереоскопическое (объемное) телевидение, хотя и в меньшей
степени, также находит применение в народном хозяйстве, воен-
ной технике и научных исследованиях, например при иссле-
довании рельфа местности планет с помощью космических аппа-
ратов.

8.1. ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ И СМЕШЕНИЕ ЦВЕТОВ

Известно, что одинаковые по интенсивности, но различные но
спектральному составу световые раздражения не одинаково вос-
принимаются глазом наблюдателя. Спектральная чувствительность
глаза, выраженная в относительных единицах, называется кри
вой видности б(л) (рис. 8.1). Максимум кривой видности в усло-
виях дневного зрения приходится на длину волны Л = 0,555 мкм.
Раздражение глаза световым излучением с непрерывным равно-
энергетическим спектром в диапазоне волн, ограниченным кривой
видности, создает ощущение белого цвета. Если в спектре излуче-
ния отсутствует какой-либо компонент, то возникает определен-
ное цветовое ощущение.

Любое сложное по спектральному составу излучение может быть
оценено наблюдателем с помощью трех показателей: светлоты,
цветового тона и насыщенности.

юге 1Ы'пи»-По 1Н1ШП1К.1	. . • ро1у1есИгйс5.ги
Нис. 8.1. Кривая ьидностн глаза

Светлота характеризует
интенсивность излучения.
Изменение светлоты приводит
к изменению субъективного
ощущения цвета. Так. напри-
мер, коричневый цвет одина-

ков по спектральному соста-
ву с желтым, однако отлича-
ется от него меньшей светло-
той. Белый, светло-серый,
темно-серый цвета также от-

личаются светлотой. Светлота отражающей поверхности зависит

от ее яркости.

Цветовой тон сложного излучения характеризуется домини-
рующей в нем длин, >й волны монохроматического излучения

Насыщенность (чистота тона) монохроматического излучения
определяется долей излучения, которая в сочетании с разбавля-
ющим его белым цветом создает зрительное ощущение данного
цвета. Насыщенность спектральных цветов равна 100 % , а насы-
щенность белого цвета — нулю.

Со времен М. В. Ломоносова, Т. Юнга и Г. Гельмгольца воспри-
ятие цвета объясняется с помощью трехкомпонентной теории цве-
тового зрения. Согласно этой теории, колбочковый цветоощуща-
ющий аппарат глаза содержит нервные окончания трех видов, об
ладающих преимущественной чувствительностью к насыщенным
красному (Я), зеленому (О) и синему (В) цветам. На рис. 8.2 пока-
заны кривые Н, С, В относительной чувствительности глаза к мо-

Рис. 8.2. Кривые относительной чувствительности цветочув-
ствптельного Аппарата глаза к красному (Я), зеленому (&)
и синему (В) цветам
нохроматическим излучениям. Из графиков следует, что каждому
монохроматическому излучению соответствует определенная степень
возбуждения всех трех групп колбочкового аппарата, от которой и
зависит цветовое ощущение. Любое цветовое ощущение может быть
получено путем сложения в определенных пропорциях отдельных
излучений. Наименьшее число независимых цветов, смешение ко
торых позволяет получить все остальные цвета, равно трем, т. е.
равно числу групп колбочкового аппарата. Законы смешения цве-
тов, установленные в результате многочисленных экспериментов,
составляют основу науки, называемой колориметрией.

Смешивать цвета можно различными способами Так называе-
мое локальное смешение получается путем направления на белый
диффузно отражающий экран излучения от трех различных ис-
точников. В телевидении распространен" пространственное сме-
шение, при котором цветовое возбуждение различных точек, штри
хов или полосок воспринимается как слитное, если размеры этих
элементов меньше углового разрешения глаза.

Сложение цветов может производиться последовательно и од-
новременно (параллельно). В первом случае световые потоки воз-
действуют на глаз с частотой, превышающей критическую. В цвет-
ной фотографии и кино сложение цветов заменяется вычитанием
части светового потока исходного цвета путем пропускания его
через избирательный фильтр.

Согласно принятой ь 1931 г. международной комиссией по ос-
вещению (МКО) колориметрической системе, основными стандарт-
ными цветами считаются: красный К с Л = 700 нм, зеленый (7
с л - 546,1 нм и синий В с Х = 435,8 нм. Любой цвет может быть
получен в соответствии с уравнением

Р = гВ 4 уС т ЬВ.	(8.1)

где г, к и Ь — цветовые коэффициенты, причем г + ц + Ь = 1.

Цветовые коэффициенты показывают, в каком соотношении
необходимо смешать основные цвета, чтобы получить заданную
цветовую смесь.

Для проведения цветовых расчетов уравнение (8.1) удобнее
представить в графической форме, а именно в виде цветового тре-
угольника (рис. 8.3). Основные цвета К, С, В располагаются в
вершинах равностороннего треугольника, высоты которого равны
единице. Центр тяжести треугольника находится в точке Е. Ос-
новные цвета лежат на линии чистых спектральных цветов, на-
зываемой локусом. Отметим, что все остальные (кроме Я, О, В)
монохроматические теоретически возможные цвета располагают-
ся вне треугольника.

|ыпю Политехника» \у\ужро!у1есЬп1С5.ги
Любые цвета, которые образуются путем смешения трех основ-
ных цветов, находятся внутри цветового треугольника, причем
значения цветовых коэффициентов равны длине перпендикуля-
ров, опущенных из точки А, отвечающей заданному цвету, на
противоположные стороны, как это показано на рис. 8.3. Отме-
тим, что для точки Л в случае, если она располагается на одной
из сторон треугольника, соответствующий цветовой тон будет оп-
ределяться только двумя основными цветами. Если точка А рас-
полагается внутри треугольника на одном из перпендикуляров,
опущенных из вершин треугольника на противоположные сторо-
ны, то ее перемещенпр вдоль перпендикуляра на отрезках НЕ, НЕ
и ОЕ будет означать изменение насыщенности цвета при сохране-
нии цветового тона.

Достоинство цветового треугольника НОВ заключается в том.
что в качестве основных • нем используются реальные цвета.
Однако при проведении цветовых расчетов он обладает двумя су-
щественными недостатками. Во-первых, существуют некоторые
практически встречающиеся цвета, располагающиеся вне треугозь-
ника НОВ, но вблизи него, для которых координаты г, 8 и Ь
отрицательны (например, точка .V на рис. 8.3). Во-вторых, тре-
угольник НОВ построен для источников основных цветов одина-
ковой мощности излучения, поскольку только тогда получается
равноэнергетический белый цветЕ, т. е.

1	1	1

Е(Вт)= Н(Вт) +—О(Вт) + В№т).

3	3	3

юплр

Линия пурпурного
цвета

Рис. 8.3. Цветовой тре-
угольник ЯС1В

Рис. 8 4 Цветовой график ХУ 2 (график
МКО)
Однако в колориметрии излучение источников основных цве-
тов принято измерять в светотехнической системе. Тогда, если
принять для примера В = С - В = 1 лм, то цветовое уравнение для
равноэнергетической точки Е с учетом чувствительности глаза к
монохроматическим излучениям будет

А’(лм) = 0,1777? (лм) +• 0,812(7 (лм) + 0,011В(лм).

Различие коэффициентов делает неудобным проведение цвето-
вых расчетов. В качестве стандарта МКО приняла цветовой гра-
фик ХУ 2, имеющий вид равнобедренного прямоугольного тре-
угольника (рис. 8.4). В вершинах этого треугольника располага-
ются источники некоторых фиктивных основных цветов X, У и 2.
Линия спектральных цветов (локус) и линия пурпурных цветов
лежат внутри треугольника. Таким образом, все поле реальных
цветов также находится внутри него. Основные цвета X, У и 2,
расположенные вне зоны, ограниченной линией спектральных
цветов, являются символическими цветами.

Цветовое уравнение для стандартного цветового графика

Е = хХ + уУ + г2,

где г, у, 2 цветовые коэффициенты, причем х + у 4- 2 = 1.

В цветовой системе ХУ2 цветовые коэффициенты для равно-
энергетического белого цвета Е равны х& = у& = 2^ = 1 /3:

111

Е(лм) = 7? (лм) 4 (7(лм) + В(лм).

3	3	3

Равноэнрргетический белый цвет Е находится в центре тяжес-
ти треугольника и является условным. Для любого цвета (напри-
мер, цвета Е на рис. 8.4) цветовой тон определяется пересечением
прямой ЕЕ с локусом, а насыщенность цвета вычисляется по фор-
муле

р =	юо%,

УГ Ук~УЕ

где ул — координата на локусе, соответствующая точке цветового
топа; ур — координата точки ур — координата белого цвета
(Уе = 1/3)-

Колориметрические системы Л, С, В пХ, У, 2 взаимно связаны.
Можпо показать [6], что при 7? = (7 = В = 1 лм получается X = 0,
У - 1 лм, 2-0. Таким образом, если величины В, (7, В выражены
в светотехнических единицах, значение светового потока опреде-
ляется только членом У.

По 1и техника" ро1у1есЬп1С8.ги
Рассчитаем в качестве примера цветовой тон и насыщенность
цвета Г, обозначенного на рис. 8.4. Пересечение прямой с локусом
определяет значение цветового тона: Л^ = 580 нм (желтый цвет).
Цветовые коэффициенты: хр - 0,450, 1/р = 0,425, 2р = 1 - (х + у) =
= 0,125. Координата цветового тона на локусе у, = 0.4 74. При
этом насыщенность цвета получается Р = 73 %.

8.1. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ

В ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕРАХ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В основе построения любой системы цветного телевидения ле-
жит трехкомпонентная теория восприятия цвета, в соответствии
с которой на передающей стороне изображение объекта необходи-
мо разделить на три цветовые составляющие, передать их по ка-
налу связи и затем на приемной стороне восстановить цветное
изображение.

Наиболее простой по принципу действия является система с
одновременной передачей трех дветоделенных изображений с по-
мощью трех передающих трубок, снабженных соответствующими
цветными светофильтрами, трех каналов связи и трех кинескопов
также с аналогичными фильтрами перед экранами. Все три цвет-
ных изображения совмещаются на приемной стороне с помощью
полупрозрачных пластин на одном отражающем экране. Неэконо-
мичность такой системы, включая требование к утроенной полосе
частот канала связи по сравнению со стандартной, очевидна, Уп-
ростить систему можно путем последовательной покадровой пере-
дачи цветоделенных изображений, что требует применения одной
передающей и одной приемной трубки, перед которыми устанав-
ливаются диски со светофильтрами. На пути световых лучей к
передающей трубке и между экраном кинескопа и наблюдателем
последовательно перемещаются красный, зеленый и синий свето-
фильтры. Оба диска должны вращаться синхронно и синфазно.
Однако и в такой системе канал связи должен иметь утроенную
полосу частот, так как с точки зрения незаметности мельканий
цветных изображений частота смены кадров должна втрое превы-
шать стандартную. Обе системы по понятным причина»! не могут
быть использованы в вещательном телевидении, но в приклад-
ных целях последовательная система нашла применение, в част-
ности для трансляции медицинских операций.

В настоящее время основное применение в вещательном и при-
кладном телевидении получили одновременные совместимые сис-
темы, позволяющие передавать информацию по каналам сьязи со
152
стандартной полосой частот
и осуществлять прием как
цветных, так и черно-белых
изображений на один и тот
же цветной кинескоп. Рас-
смотрим принцип построе
ния этих систем. Предвари-
тельно обратим внимание на
то, что практически нет не-
обходимости передавать
каждую цветовую составля-

Рис. 8.5. Навпспмость видимой цветовой
насыщенности от частоты сигнала для
основных цветов В С. В

ющую сигнала । полной полосе частот, поскольку с уменьшением
размеров детали объекта ее видимая наблюдателем цветовая на-
сыщенность падает. Это снижение зависит от цвета (рис. 8.5). Из

представленных графиков следует, что видимая насыщенность
деталей, окрашенных в синий цвет, падает наиболее быстро, вслед-
ствие чего для передачи мелких синих деталей оказывается доста-
точной полоса в 0,6 МГц, для красных 1,6 МГц и лишь для
передачи зеленых деталей необходима полная полоса частот в
6 МГц.

Передача трех цветоделенных составляющих /?. (7, В сама по
себе не .может обеспечить совместимости черно-белой и цветной

систем, так как в каналах цветности нет информации о распреде-
лении градаций яркости в передаваемом изображении. Таким об
разом, в совместимой системе для воспроизведения черно-белых
изображений обязательно должна передаваться также яркостная

составляющая сигнала.

Ня формирование сигналов цветности в передающей камере су-
щественное влияние оказывает выбор источника белого цвета.
В качестве опорного источника белого цвета в системах цветного
телевидения принято использовать источник типа С с цветовой
температурой 6744 К, наиболее близкий к раБиоэнергетическому
белому цвету и условиям реального дневного освещения. Для вы-
бранного источника белого цвета три сигнала на выходе переда-
ющей камеры должны быть равны между собой, т. е. С7Н 17с= Ув,
а уравнение яркости с учетом свойств зрения

Iельство «Политехника»	ро1у1есЬп1С$.ги

(7> =0,3 Уц + 0,5917^ + 0,11^,	(8.2)

где 1)у,	1/с и Ув — напряжения сигналов яркости и цветнос-

ти на выходе передающей камеры.

В уравнение яркости входят четыре сигнала, из которых дос-
таточно передавать по каналу связи три. а четвертый получать на
приемной стороне с помощью операции вычитания Если переда-
Ри«. 8.6. Схема матрицы для формирования яр
костного сигнала

ются ио каналу связи сигналы ив и 1/в, то сигнал 1/^ восстанав-
ливается на приемной стороне согласно уравнению

17г -0,31/д -0,1117

0,59

Требование совместимости систем обязывает в любом случае не
редавать яркостный сигнал Цу. Формирование яркостного сигнала
осуществляется с помощью матричного преобразователя (рис. 8.6).
Сопротивления резисторов Лд. 7?^, Нв выбираются таким обра-
зом, чтобы обеспечивалось требуемое соотношение между цвето-
выми коэффициентами в уравпеппи яркости (8.2).

Таким образом, в совместимой системе необходимо передавать
сигнал яркости в стандартной широкой полосе частот порядка
6 МГц и два более узкополосных сигнала цветности. Для передачи
этих сигналов не требуется расширять полосу частот канала связи,
принятую для систем черно-белого телевидения. Как уже отмеча-
лось рапсе (см. п. 2.2), с целью передачи сигналов цветпости ис-
пользуются провалы в энерхетическом спектре частот яркостного
сигнала, кратные нечетному числу полупериодов строчной частоты.

Практически во всех системах цветного телевидения вместо сиг
налов цветности 1>в и I)в иередаютея так называемые цветоразно-
стные сигналы, обозначаемые у =С7д-17у,<7в У=17В-ПУ.
При передаче цветоразностных сигналов снижается заметность
помех от цветовых сигналов на экранах как черно-белых, так и
цветных телевизоров | б]. Предположим, что передается чисто черно-
белое изображение, для воспроизведения которого необходим только
сигнал яркости О'у, но в системе предусмотрена также передача
красного и синего сигналов. Тогда согласно уравнению цветности
будет передаваться сигнал 1ТВ, несущий 30 % информации о яр-

• Цчи « Х1НО..1 • к ро1у1есЬп1сь
кости, и сигнал Ув (11 %). Эти сигналы создадут определенный
уровень помех на черно-белом изображении, воспроизводимом на
кинескопе. Найдем теперь цветоразностные сигналы, принимая
во внимание, что У(}= Уд = 1 В. Тогда согласно уравнению
(8.2) Уу = 1 В и, следовательно, Уд у = Уд ~ Уу = 0, Уд у =
= 1/в - Уу = 0, т. е. при передаче черно-белого изображения поме-
хи от цветоразностных сигналов будут отсутствовать.

8.3.	ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Из теории следует, что передающая камера цветного телевиде-
ния должна генерировать не один, а три видеосигнала, несущих
информацию о распределении яркостей объекта наблюдения и его
цветовых составляющих. Выполнение этих требований может осу-
ществляться либо с помощью трех фотопреобразователей, либо
двумя, либо одним фотопреобразователем, снабженным специаль-
ными кодирующими светофильтрами. В качестве фотопреобразо-
вателей для цветных камер используются передающие трубки типа
плюмбикон или матрицы ПЗС. Применение последних пока огра-
ничено из-за высоких требований, предъявляемых к фотопреобра-
зователям цветных камер. К таким требованиям относятся иден-
тичность характеристик свет сигнал, высокая однородность чув
ствительности по полю изображения, отсутствие геометрических
искажений, малая инерционность и ряд других. Невыполнение
этих требований приводит к появлению искажений в цветопере-
даче как неподвижных, так и движущихся изображений.

Наиболее высокое качество цветопередачи обеспечивают трех-
11 четырехтрубочные передающие камеры. Последняя формирует
все четыре видеосигнала, что, однако, не является обязательным,
поскольку четвертый сигнал может быть восстановлен по трем
остальным. На рис. 8.7 приведена упрощенная структурная схе-

Издательство «Политехника» \\ \\ \\ ро!\ СесЬтсб.ги
ма трехтрубочной камеры, формирующей сигнал яркости Уу и два
цветоразностных сигнала Г7д у и 17 в у, в которой лучистый по-
ток Ф подвергается разделению на три составляющих с помощью
дихроических зеркал Д1 и Д2. Зеркало Д1 отражает синюю со-
ставляющую, попадающую через зеркало 3/ на трубку В. а крас-
ную и зеленую составляющие пропускает. ЗеркалоД2 пропускает
зеленую составляющую, проходящую на трубку С, а красную от-
ражает через зеркало 32 на трубку В. В формировании спектраль-
ных характеристик каналов помимо дихроических зеркал участву-
ют не показанные на рисунке цветные светофильтры, находящие-
ся вместе с корректирующими аберрации линзами непосредствен-
но перед трубками.

Три трубки вместе с предварительными усилителями формиру-
ют соответствующие основные сигналы 17в, 17&, 17в. поступающие
на матрицу М. Матрица формирует сигнал яркости Е'у так, как
это показано на рис. 8.6, и два цветоразностных сигнала 17в..у и
17 в у. Получение последних осуществляется аналогичными зве-
ньями матрицы с той лишь разницей, что сигнал 17у предвари
тельно инвертируется в фазоинверторе и затем складывается с
исходными сигналами 17в и 17 в, чем и достигаются необходимые
операции вычитания. Затем спектры цветоразностных сигналов
ограничиваются фильтрами Фд_у и Фл_у до частот 1,5 МГц и
далее производится уплотнение широкополосного яркостного сиг-
нала. Принцип построения уплотнителя, в котором одновременно
осуществляется формирование полного телевизионного сигнала,
зависит от выбранной системы передачи сигнала по каналу радио-
связи, т. е. системы ЬГТ8С, 8ЕСАМ или РАЕ. В принятой у нас
системе БЕСАМ цветоразностные сигналы складываются с сигна-
лом яркости через строку, что допустимо, так как цветовая чет-
кость может быть значительно снижена по сравнению с ярко-
стной. В приемном устройстве для одновременного воздействия на
кинескоп всех трех сигналов используется линия задержки на
одну строку. Для реализации такого принципа передачи сигнала
на передающей стороне имеется электронный коммутатор цвето-
разностных сигналов, а в полный телевизионный сигнал помимо
обычных импульсов кадровой и строчной синхронизации замеши-
ваются импульсы цветовой синхронизации, управляющие поступ-
лением на линию задержки цветоразностных сигналов.

Построение многотрубочных камер сопровождается определен-
ными техническими трудностями, одной из которых является не-
обходимость точного (в пределах 0,2 -0,3 элемента) совмещения
растров цветоделенных изображений. Причины неточности совме-
щения растров мохут быть различными, в том числе неодинако-
156
вые скорости разверток, различные размеры изображений в кана-
лах Я, Ст, В и некоторые другие. Необходимая точность совмеще-
ния растров достигается только в процессе настройки и отладки
работы камеры.

Репортажные камеры (видеокамеры) и камеры для систем при-
кладного назначения строятся с одним или двумя фотопреобразо-
вателями, что существенно снижает вес и габаритные размеры
камеры, правда, за счет определенного снижения качества переда-
чи изображения. В двухтрубочной (двухматричной) камере один
из фотопреобразователей формирует яркостный сигнал, второй —
сигнал цветности. Разделение светового потока на два канала
осуществляется полупрозрачным зеркалом. Перед трубкой, фор-
мирующей сигнал цветности, помещается дихроическое зеркало,
отсекающее зеленый компонент, а на ФЭП попадают синий и
красный компоненты. Светочувствительный слои покрыт растро-
вым цветоделительным светофильтром, состоящим из двух чере-
дующихся вертикальных полосок красного и синего цвета. Воз-
можны и другие варианты цветоделения, например, одна из поло
сок делается прозрачной для суммы красного и синего цвета,
а другая — только для синего. В любом случае при развертке
изображения сигнал на выходе фот^преобразователя содержит две
цветовые составляющие — В и В, которые затем разделяются в
специальном декодирующем устройстве.

Примером двухтрубочной передающей камеры является камера
КТП-86, входящая в состав цветной прикладной телевизионной
установки «ЛОТОС». В камере использован видикон ЛИ481 для
яркостного канала и видикон ЛИ482 со штриховым фильтром
(триникон) — для цветного канала. Световой поток с помощью
дихроического зеркала в оптическом блоке разделяется на две
цветоделенные части зеленую и пурпурную (Я + В), которые
проецируются на мишени трубок яркостного канала и канала цвет-
ности соответственно. Декодирование сигналов осуществляется в
специальном блоке канала, где производится также формирова-
ние полного телевизионного сигнала по системе ВЕСАМ. Полоса
частот красного п синего сигналов составляет 1 МГц, зеленого —
от 1 до 6,5 МГц. Передача сигнала к цветному приемнику осуще-
ствляется по коаксиальному кабелю на радиочастоте одного из
первых трех каналов вещательного телевидения.

В камерах с одним фотопреобразователем, как правило ПЗС,
используются более сложные растровые светофильтры, с помо-
щью которых осуществляется оптическое кодирование цветного
изображения. На рис. 8.8 показана структура растрового свето-
фильтра с индексным кодированием цветовой информации [39].

V ро1у1есЬп1с?
Рис. 8.8. Структура
растрового свето-
фильтра с индекс

11ЫМ КоДИрОВаНИСМ
цветовых сигналов
ДЛЯ 1-ДНОТрубОЧНОЙ
передающей камеры

Растр состоит из чередующихся триад верти-
кальных полосок, разделенных непрозрачны-
ми индексными полосками, При развертке изоб-
ражения сигналы индексных полосок выделя-
ют с помощью амплитудных селекторов, про-
пускают через линию задержки и используют
для поочередного отпирания трех усилителей..
Такая система кодирования удобна при пост-
роении не только наблюдательных, но и изме-
рительных систем, поскольку позволяет точ-
но фиксировать положение детали объекта

внутри строки.

Иа рис. 8.9 показана структура растрового
двухслойного светофильтра, обеспечивающего
частотно-фазовое кодирование цветного изоб-

ражения [40]. Первый слой (рис. 8.9. а) содержит чередующиеся
вертикальные полностью прозрачные и голубые (В + (?) полоски.

второй слой (рис. 8.9, б) наклонные прозрачные и желтые ((? +
В) полоски. Для зеленых лучей светофильтр прозрачен. Полоски
могут быть наклонены в любую сторону, угол наклона выбирает-
ся таким, чтобы в (л + 1 )-й строке (рис. 8.9, в) полоски обоих

совмещенных светофильтров совпадали, а в л-й строке полоски

наклонного светофильтра точно попадали в прозрачные зазоры

между полосками вертикального светофильтра.

Поскольку ширина полосок обоих светофильтров в направлении
строк одинакова, ток сигнала от обеих периодических структур име-
ет одинаковую частоту, не зависящую от номера строки. Однако
токи сигналов, создаваемые с помощью фильтров в (п + 1}-й
и л-й строках, будут находиться в противофазе. Если теперь сло-

жить оба сигнала, предварительно задержав один из них на время

строки, то переменная составляющая сигнала, вызванная наклон-
ной структурой, исчезнет, а составляющая, вызванная вертикаль-

Рнс 8.9. Структура растрового двухслойного светофильтра с частотно-фа
зовым кодированием цветовых сигналов: а — слой вертикальных поло-
сок; 6 — слой наклонных полосок; в — совмещение слоев
Рис. 8.10 Структурная схема декодирующею устройства с ча-
стотно-фазовым разделителем цветовой информации (МВ —
многосигпапьный видиков; НУ предварительный усиди
тель: НФ — низкочастотный фильтр, ПФ — полосовой фильтр;
ЛЗ — линия задержки; ФУ — устройство, сдвигающее фазу
сигнала на я/2; С — сумматор; В вычитающее устройство;

Д — детектор; М — матрица)

ной структурой, удвоится. Аналогично операция вычитания по-
зволяет выделить сигнал от наклонного светофильтра. Оба ре-
зультирующих сигнала, имеющие одинаковую и достаточно высо-
кую частоту, выделяются электрическим полосовым фильтром,
после чего детектируются и направляются в .матрицу (сигналы
и (7В). Перечисленные операции иллюстрируются схемой, изобра-
женной на рис. 8.10.

Существует более простой, частотный, способ кодирования цве-
товой информации, при котором каждый кодирующий фильтр со-
стоит только из вертикальных полосок, следующих, однако, с
различной частотой.

Сигнал, соответствующий зеленому цветовому компоненту, при
частотном и частотно-фазовом способе кодирования получается за
счет беспрепятственного по всей площади фоточувствительного
слоя прохождения светового потока через светофильтр, и затем
фильтрации выходного сигнала видикона низкочастотным фильт-
ром. Этот сигнал вместе с детектированными сигналами Пд и
поступает на матрицу, с выхода которой снимается сигнал Пс.

8.4.	УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Цветные кинескопы. Существуют два основных вида цветных
трехлучевых кинескопов: 1) кинескопы с теневой маской; 2) ки-
нескопы со щелевой маской. Кинескоп с теневой маской (рис. 8.11)
Рис. 8 11. Трехлучсвой кннсскип с теневой маской: а — общий вид;
6 — схема прохождения луче*

содержит три электронно-лучевых прожектора, составляющих
вместе Д-пушку и формирующих три идентичных луча, каждый
из которых возбуждает люминофор определенного цвета. Слой
люминофоров, нанесенный на стеклянный экран 3, состоит из
приблизительно 500 000 точечных триад синего, красного и зеле-
ного цвета. Для того чтобы каждый луч возбуждал только ♦свой»
люминофор, перед экраном располагается теневая маска ТМ —
металлический лист с отверстиями, число которых ра--яо числу
триад, т. е. числу элементов изображения. Электронные прожек-
торы располагаются симметрично относительно оси трубки под
углами 120 и состоят из подогревного катода, управляющего и
фокусирующего электродов и анода. Последние два имеют общий
для всех прожекторов вывод. Сила тока всех трех лучей может
регулироваться независимо друг от друга, что обеспечивает под-
бор необходимой пропорции при смешении цветов. Чтобы обеспе-
чить точное попадание каждого луча на «свой» люминофор,
в трубке имеется сложная система сведения лучей, состоящая из
системы сведения синего луча /, магнитов чистоты цвета 2 и сис-
темы статического и динамического сведения 3. Регулировкой всех
этих элементов удается добиться полного сведения лучей на боль-
шей части площади экрана. На краях экрана может, однако, на-
блюдаться некоторое рассовмещение лучей, при котором появля-
ются цветные окантовки деталей изображения.

Управление интенсивностью лучей осуществляется н цветных
кинескопах путем подачи на катоды сигнала яркости, а на моду-
ляторы соответствующих прожекторов — цветоразностных сиг-
налов I/н &В-У‘ ® результате интенсивность каждого
160

11 . 1.11 ельство «Политехника» и \
луча будет определяться сигналами 17я, С/о и ив. Основными не-
достатками рассмотренного кинескопа являются высокое энерго-
потребление и низкая эффективность электронного потока, так
как до 80 % всех электронов задерживается маской. В настоящее
время кинескопы подобного типа практически не производятся.

В значительной степени указанные недостатки устранены в цвет-
ном кинескопе со щелевой маской и штриховым экраном. Три про-
жектора этого кинескопа (рис. 8 12. а) располагаются в одной плос-
кости (так называемое планарное расположение), а на экран нано-
сятся цветные полоски люминофоров, направление которых перпен-
дикулярно к плоскости расположения прожекторов (рис. 8.12, б).
Ось зеленого прожектора совпадает с осью трубки, а оси других
прожекторов наклонены к центральной оси так, чтобы их Пересе
чение происходило в центре маски. Маска (рис. 8.12, в) представ-
ляет собой металлический лист с вертикальными прорезями (ще-
лями). Такая конструкция трубки оказалась более удобной и тех-
нологичной по сравнению с предыдущей. Упростилось сведение
лучей, поскольку прожекторы находятся в одной плоскости, при
чем один из них — зеленый — располагается точно по централь-
ной оси. Сдвиг лучей по вертикали практически не отражается на
чистоте цвета, так как луч остается на «своей» люминофорной
полоске. Проницаемость щелевой маски выше, чем теневой, и
достигает 50 %, что положительно сказывается на яркости свече-
ния экрана при таком же анодном напряжении.

Разновидностью трехлучевого кинескопа со штриховым экра-
ном является трубка тринитрон, разработанная японской фир-
мой «Зону» В тринитроне применена специальная конструкция
электронно-оптической системы, состоящая из одного трехкатод-
ного прожектора, общей для всех трех лучей электростатической

ро1у1есР1П1с$.ги

Рис. 8 12. Трсхлучевой кинескоп со щелевой мас-
кой и штриховым экраном: а — ход электрон
ных тучей; б — щелевая маска: в — полоски крас
ного (К), зеленого (3) и синего (С) люминофора
фокусирующей линзы и электростатической системы динамическо-
го сведения [10] Щелевая мяска заменена апертурной решеткой со
сплошными вертикальными прорезями, которая способствует бо-
лее точному сведению лучей. По энергетическим характеристикам
тринитрон близок к кинескопам со щелевыми масками.

Наибольшей перспективой для создания портативных телеви-
зионных приемников и видеоконтрольных устройств обладают
однолучевые хромотроны — кинескопы, в которых для получе-
ния цветного изображения применен так называемый принцип
послеотклонения [10]. Однолучевой хромотрон имеет штриховой
экран 4 (рис. 8.13, а) с измененным чередованием красных (й'),
зеленых (3) и синих (С) полосок люминофора. Последователь-
ность чередования принята такой: К, 3, С, 3, К, 3, С, 3, ... Про-
жектор 1 формирует один луч, который в процессе развертки от-
клоняется катушкой 2, не отличающейся от применяемой в чер-
но-белых телевизорах. Перед экраном располагается цветокомму-
тирующая бипотенциальная сетка 3, состоящая из двух групп
(четных и нечетных) вертикатьных струн (рис. 8.13, б). Струны
каждой группы соединены между собой и на них подается комму-
тирующее напряжение Ук. При отсутствии этого напряжения луч
свободно проходит через сетку и попадает на зеленую полоску
люминофора. Если к одной группе струн приложить постоянное
положительное напряжение, а к другой группе — соответству-
ющее отрицательное, то под действием электрического поля луч
отклонится в сторону положительной струны и попадет на крас-
ную полоску (см. рис. 8.13, б). При изменении полярности на-
пряжения луч отклонится в противоположную сторону и попадет
на синюю полоску. Таким образом, сетка позволяет управлять
положением электронного луча непосредственно перед экраном, в
чем и состоит принцип послеотклонения.

I.

Рис. К 13. Однолучевой хромотрон (а — ход луча; б —
схематическое расположение цветокоммутируняцей
сетки и полосок экрана)
Очевидно, что для создания цветного изображения необходимо
одновременно с отклонением .туча коммутировать его модуляцию
цветовыми сигналами, поступающими с декодирующей матрицы.
Наличие всего одной электронной пушки вместо трех позволяет
уменьшить диаметр горловины кинескопа до принятых в черно-
белых телевизорах размеров и тем самым снизить энергопотребле-
ние развертывающих устройств. Исключается также устройство
динамического сведения лучей, что упрощает конструкцию при-
емника. Недостатком однолучевого хромотрона является неболь-
шая потеря разрешающей способности по сравнению с масочными
кинескопами

В различных странах однолучевой хромотрон получил назва-
ние колорнетрон (Япония), хромоскоп (Россия) и т. д.

Твердотельные аналоги цветных кинескопов. Стремление к уве-
личению надежности, уменьшению габаритных размеров и массы
элементной базы и комплектующих изделий радиоэлектронной ап-
паратуры привело к замене последнего после передающей трубки
вакуумного звена телевизионной системы кинескопа его твер-
дотельным аналогом. В качестве такого аналога право на суще-
ствование получили жидкокристаллические (ЖК) и плазменные
экраны и панели. В настоящее время в прикладном телевидении
используются ЖК-устройства, имеющие сравнительно небольшую
стоимость, потребляемую мощность и удобные в эксплуатации.

Работа жидкокристаллических воспроизводящих устройств ос-
нована на использовании принципа пространственной модуляции
светового потока. Световой поток, создаваемый некоторым вне-
шним источником, проходя через модулятор света, изменяет свою
интенсивность под воздействием приложенного к модулятору пе-
ременного напряжения. Применительно к телевизионным систе-
мам таким напряжением служит видеосигнал. Существуют жид-
костные (например, бензольные), пьезокристаллические, пьезоке-
рамические и другие модуляторы света, использующие эффекты
Керра, Поккельса, акустооптичеекий и пр. Подобные светокла-
панные устройства применялись давно, в частности в факсимиль-
ной технике [40]. Однако использование их для воспроизведения
телевизионных изобрпжениий натолкнулось на существенные труд-
ности. связанные в первую очередь, с тем, что модуляция светово-
го потока должна осуществляться одновременно по всей поверх-
ности изображения, а не в одном направлении, как при механи
ческой развертке.

Жидкокристаллический экран (панель) состоит из отдельных
ЖК-ячеек — пикселей, покрытых трехпветными светофильтрами
и представляющих собой элементы изображения. Лампа подсвет-

ПЛ'ЙЭШЦ.
ки располагается сзади экрана или с целью уменьшения габарит-
ных размеров устройства, сбоку. В последнем случае предусматри-
вается дополнительно отражающее зеркало. Работа ЖК ячейки
основана на явлении поляризации светового потока, осуществля-
емой с помощью специальных поляроидов. Поляроид пропускает
только ту составляющую света, электромагнитный вектор кото
рой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости по-
ляризатора. Таким образом, если взять два скрещенных под уг-
лом 90° поляризатора, то для светового потока они будут полно-
стью непрозрачными. Жидкие кристаллы обладают свойством из-
менять угол поляризации светового потока под действием элект-
рического поля и, будучи помещенными между двумя поляроида
ми, позволяют изменять прозрачность ячейки, которая и будет в
этом случае выполнять функции электрооптического модулятора
света.

На рис. 8.14 показана конструкция ЖК-ячейки [51]. Ячейка,
а следовательно, и весь экран, состоит из нескольких слоев. Ос-
новой конструкции служат две стеклянные пластины 3, на кото
рых нанесены горизонтальные и вертикальные полосковые элект-
роды 2, Полоски обоих электродов расположены перпендикуляр-
но друг к другу, аналогично изображенным на рис. 3.12. Между
стеклянными пластинами помещается жидкий кристалл 4. Поля-
роиды 1 с ортогональными векторами располагаются с внешних
сторон ячейки.

В точках пересечения электродов образуются элементарные кон-
денсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота по-
ляризации в каждой ячейке. На вертикальные полоски подаются
с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала, а на го-
ризонтальные полоски — коммутирующие импульсы частот строк.
При совпадении во времени обоих импульсов световой поток, про-
ходящий через каждую ячейку, будет промодулирован по интен-

Рнс. Я 14. Конструкция жидкокристалличе-
ской ячейки
сивности. Необходимым требованием к световому потоку, попада
тощему в каждую ячейку, является его малая расходимость. От-
сюда вытекает требование соблюдения острой направленности из-
лучения. В противном случае снижается яркость ЖК-экрана от
центра к краям. Наряду с существенной нелинейностью модуля-
ционной характеристики это является недостатком ЖК-экранов.
Яркость в центральной области экрана достигает 250 кд/м” при
динамическом диапазоне передаваемых яркостей 300 : 1. Помимо
телевизионных устройств ЖК-экраны широко используются в
компьютерных мониторах.

Другим твердотельным аналогом цветного кинескопа является
плазменная панель (плоский экран). Принцип ее работы основан
на свечении люминофоров под воздействием ультрафиолетовых
лучей, возникающих при электрическом разряде в плазме (разре-
женном газе) [51]. Каждый пиксель панели состоит из трех суб-
пикселей, излучающих потоки трех основных цветов. Каждый
субпиксель представляет собой камеру, заполненную разрежен-
ным газом, на стенки которой нанесены соответствующие данно
му свету люминофоры. Каждый пиксель снабжен специальным
электродом, на который подается поджигающий импульс напря-
жения. Во время газового разряда образуется ультрафиолетовое
излучение, воздействующее на люминофор.

В отличие от жидкокристаллических плазменные панели име-
ют значительные размеры, большую яркость (до 500 кд/м2) и
динамический диапазон воспроизводимых яркостей (до 3000 : 1).
Однако значительная потребляемая мощность и большая масса
этих панелей делает их малопригодными для использования в
прикладном телевидении.

8.5.	ОСНОВЫ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В технике прикладного телевидения использование стереоско-
пических систем целесообразно при управлении работой манипу-
ляторов, подъемных кранов и других механизмов, когда операто-
ру необходима информация о пространственном положении объекта
наблюдения.

Объемное воспроизведение изображений основано на биноку-
лярном свойстве зрения, благодаря которому объемные предметы
на сетчатках левого и правого глаз создают отличающиеся друг
от друга изображения. Это отличие определяется глазным базы
сом Ьо, под которым понимается расстояние между центрами зрач-
ков обоих глаз. Для «среднего» наблюдателя Ьо - 65 мм. Даль-
ность стереоскопическою зрения г0 прямо пропорциональна глаз-
ному базису и обратно пропорциональна порогу глубинного зре-
ния 5, которое составляет 10-20 угловых секунд. Для 5 = 15"
получаем г0 = Ь0/5 = 1 км. Для увеличения дальности стереоэффекта
используются стереотрубы и бинокли При атом базис наблюдения
увеличивается по сравнению с невооруженным глазом в6/6и раз, где
Ь — базис прибора, т. е. расстояние между центрами объективов.
Одновременно увеличивается и острота глубинного зрения 1/5,

поскольку порог стереоскопического зрения уменьшается до зна-
чения 6/у, где у — угловое увеличение бинокля или стереотрубы.

ГЫ

Таким образом, для вооруженного глаза г =

соотношения для г0:

б

(а У)’

или с учетом

г	_ г г,,.

к)

Величина II - у6/ди называется п частикои бинокулярного при
бора. Пластика прибора определяет его эффективность с точки
зрения увеличения дальности стереоэффекта. Для биноклей при
условии Ь = 12&0. у- 6 получаем II - 12. Для стереотруб значение II
достигает 120.

В телевизионной технике объемность воспроизведения изобра-
жений различных натурных объектов достигается их съемкой дву-
мя отстоящими друг от друга передающими камерами. Расстояние
между объективами камер называется базисом съемки, а два изоб-
ражения. полученных с помощью этих камер, стереопарой 151].

Структурная схема стереоскопической телевизионной системы
показана но рис. 8.15. В состав системы входят: двухкамерный
телевизионный датчик видеосигналов 11К1 и ПК2. канал связи
КС, два устройства воспроизведения УВ1 и УВ2, устройство раз-
деления изображений стереопары УР. В зависимости от построе-
ния каната связи система может быть одновременной и последо-
вательной. В первом случае передача обоих видеосигналов произ-

водится параллельно, во втором случае — последовательно во нре-

Ри. 8.1а Структурная схема стеречк-копнчсской системы
меня, т. е. поочередно,
В качестве устройств
воспроизведения приме
няют два кинескопа.
Для пространственного
разделения изображе-
ний, чтобы каждое из
них могло восприни-
маться только правым
или левым глазом, при-
меняются специальные
наглазные устройства
индивидуального пользо-
вания, Для коллектив-

Рис. 8-16. Принцип поляроидного метода се
парнции изображении

ного просмотра используются растровые оптические методы сепа-
рации изображений.

Наглазные (очковые) устройства бывают трех основных типов:
поляроидные, цветные (анаглифы) и обтюрационные. Можно при-
менять также зеркальные стереоскопы. Принцип поляроидного
метода сепарации изображений показан на рис. 8.16. Два кинес-
копа 1 и 4 располагаются перпендикулярно друг к другу, а вос-
производимые ими изображения совмещаются на полупрозрачном
зеркале 2, Перед экранами установлены поляроидные пленки Р1
и Р2 с нзаимноперпендикулярными плоскостями поляризации.
Очки 3 снабжаются такими же поляроидными пленками с тем,
чтобы левый глаз Л мог воспринимать изображение только с ки-
нескопа 4, а правый II с кинескопа /. Аналогично производит-
ся сепарация изображений с помощью цветных очков (анагли-
фов). В этом случав перед кинескопами устанавливаются цветные
светофильтры (можно также использовать кинескопы с разными
цветами экранов), а очки снабжаются соответствующими цветны-
ми стеклами с достаточно узкими спектральными характеристи-
ками. При этом объемное изображение оказывается близким к
черно-белому.

В последнее время для сепарации изображений стали приме-
няться различные обтюрационные очки, основанные на электро-
оптическом эффекте в жидких кристаллах, пьезокерамике и дру-
гих материалах. Восприятие изображений по очереди левым и
правым глазом осуществляется чередующейся подачей импульсов
на левую и правую части очков. Применение обтюрационной сепа-
рации позволяет построить стереоскопическую систему по однока-
нальному принципу и снабдить ее одним кинескопом (рис. 8.17).
Сигналы изображения с двух передающих камер IIК1 и Г1К2 ком-

I И 1л тс |>ч пт •• П» г ж < м ц । к.»\у\у\у ро1у1ее1'1П1С5>.ги
Рнс. 8 17 Структурная схема стереоскопической сис-
темы с обтюрационной сепарацией изображения

мутируются в электронном коммутаторе ЭК с частотой кадров и
поочередно передаются в канал связи КС, с выхода которого пос-
ле усиления поступают на кинескоп. Одновременно на обтюраци-
онные очки ОО подаются импульсы от синхрогенератора СГ, так-
же синхронизированные генератор, >м кадровой развертки ГР^
В результате левый глаз будет воспринимать изображение, посту-
пающее только с первой камеры, а правый — со второй. Посколь-
ку частота мельканий каждого изображения оказывается вдвое
меньше частоты полукадров, последнюю приходится удваивать
по сравнению с принятым стандартом и соответственно расши-
рять полосу пропускания канала связи.

Проведенные расчеты показывают, что телевизионная система
может существенно повышать стереоэффект по сравнению с не-
посредственным рассматриванием натуры. Экспериментально ус-
тановлено, что для неискаженного воспроизведения глубины про-
странства необходима полная идентичность разверток на переда-
ющей и приемной сторонах. Стереоэффект более заметен, если
изображение объекта перемещается, особенно в направлении ка-
меры.

Рассмотренная стереоскопическая система позволяет воспри-
нимать глубинное изображение объекта только с одного направ-
ления (ракурса). Для возможности рассматривания объекта с раз-
ных направлений строятся многоракурсные телевизионные систе-
мы, позволяющие как бы оглядывать объект, перемещая зри-
тельный анализатор в горизонтальной плоскости.

Многоракуреные системы могут включать в себя несколько де-
сятков передающих камер, каждая соседняя пара из которых ра-
ботает по принципу стереосистемы. Передача сигналов изображе-
ния производится по многоканальной линии связи, а воспроизве-
дение изображений осуществляется проекционными кинескопа-

и тво «Политехника» \у\\ уу ро1у1есЬп<С5.ги
Рис. 8 18. Структурная схема телевизионной голографической системы

ми, число которых равно числу передающих камер. Все кинеско-
пы проецируют свои изображения с помощью объективов па одни
общий экран. Селектор ракурсов строится на основе одного из
методов сепарации, применяемых в стереотелевидении.

Перспективным направлением в развитии объемного телевиде-
ния является голографическое телевидение. Как известно, вос-
производимое голограммой изображение является оптическим ана-
логом объекта, что позволяет наиболее полно получить эффект
его обзора е различных направлений. На голограмме оказывается
записанным бесконечно большое количество ракурсов, плавно пе-
реходящих один в другой. На рис. 8.18 показан одип из вариан-
тов построения телевизионной голографической системы. Голо-
грамма передаваемого объекта Об с пространственной частотой
О = 81п 6/Х, где О — угол между волновым фронтом (предметным
потоком) и опорным потоком лазерных лучей; X — длина волны
излучения лазераЛ1 проецируется на мишень передающей труб-
ки //Г. Опорный поток ОП создастся зеркалом 3 посредством
объектива О1, который создает также и предметный поток НИ.
Таким образом, передающая трубка регистрирует волновую кар
типу объекта, облученного когерентным светом, причем запись
фазы отраженного от объекта излучения обеспечивается опорным
пучком.

Записанная па мигпепи передающей трубки голограмма через
кодирующее КУ (на передающей стороне) и декодирующее ДУ (на
приемной стороне) устройства воспроизводится лазерным кине
скопом ЛК, называемым кваптоскопом. Лазерный кинескоп вмес-
то обычного экрана содержит поверхность в виде полупроводни
нового лазера, которая под действием электронного луча излучает
когерентный поток светя. Последний посредством объектива 02
проецируется на светочувствительную поверхность (люминесцент-
ный экран или фотопластинку), на которой, таким образом, осу-

\\ \у \\ роМесНгнсз ги
ществляется реконструкция голограммы. Для получения изобра-
жения объекта голограмму следует осветить световым потоком от
лазера Л2.

Реализация голографического телевидения сопряжена с необ-
ходимостью решения многих технических задач. В числе их со-
здание передающих и приемных трубок с весьма высоким разре-
шением и каналов связи с широкой полосой частот. Полоса час-
тот, необходимая для воспроизведения голограммы, равна

АГ = 2Яв24,

где 5 площадь голограммы на мишени передающей трубки;
Рк — число кадров в секунду.

Если принять X 0,63 - 10 6 м. 10°, 5 - 20 мм2 Рк = 25 Гц,
то требуемая полоса частот канала сьязи составит А/ = 76 МГц.
Как видно из формулы, уменьшить значение Л/ можно только за
счет снижения частоты кадров, что равнозначно передаче изобра-
жений только неподвижных или малоподвижных объектов.

ПД

8.6.	ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ДАЛЬНОМЕР

Стереоскопические телевизионные датчики могут использоваться
не только для получения объемного изображения в системах ви-
зуального наблюдения, но и в измерительных системах. Приме-
ром служит применение стереоскопического датчика (СТД) с це-
лью измерения дистанции до объекта. Измерительная система со-
держит двухкамерный СТД, измеритель линейного параллакса
ИЛП, вычислитель дальности ВД и регистрирующее устройство
РУ (рис. 8.19). Принцип действия дальномера (ход лучей в опти-
ческой системе СТД) показан на рис. 8.20.

Рие. 6 19 Структурная схема стробоскопи-
ческого телевизионного дальномера
Оптическая система состоит
из двух одинаковых объективов
О1 и 02 с параллельными ося-
ми. ТочкаА, расположенная на
объекте, до которого определя-
ется дальность В, проецирует-
ся объективами на плоскость
изображений, совпадающую со
светочувствительными поверх-
ностями фотопреобразователей.
Из рисунка следует

_О _ < _ / + д

/' ХЛ Х|

Рис. 8.20. Нриации действия стерео-
скопического дальномера

где П дальность; [' фо-

кусное расстояние объективов; Ь — база.

Из приведенного соотношения определяется искомая дальность:

О = ГЬ/р,
где р лилейный параллакс, р =	- х2.

Поскольку величины Ь и /' являются постоянными, измерение
дальности И сводится к измерению линейного параллакса р. Ошиб-
ка в измерении дальности АЛ линейно зависит от погрешности
измерения линейного параллакса \р

7

ДЛ = — Др.

*/'

Для увеличения точности измерения следует выбирать объек-
тивы с большими фокусными расстояниями (до 200 мм и более),
что. однако, уменьшает поле зрения системы. При использовании
в качестве фотопрсобразоватслсй матричных ПЗС погрешность \р
может составить несколько сотых долей размера элемента, что
при базе около 1 м и дистанции до 1-2 км позволяет получить
ошибку измерения в несколько метров.

Одной из проблем использования рассмотренного дальномера
является нахождение и выделение точек, для которых измеряется
параллакс. Если объект имеет сравнительно простую форму, то
можно ориентироваться на края изображения. Применяются так
же маркировка объекта, предварительное оконтуривание изобра-
жения, а в сложных случаях — корреляционный метод обработки.

Политехника уудууу ро1у1есЬп1С5.ги
ГЛАВА Ч

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ

Телевизионные системы, предназначенные для общего наблю
дения за пространством и для поиска в нем интересующих наблю-
дателя объектов, составляют основную группу систем прикладно-
го телевидения, как по количеству выпускаемой и вноль проекти
руемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач.
Наблюдательные системы служат для визуального или автомати-
ческого обнаружения и опознавания объектов и могут быть чер-
но-белыми, цветными, стереоскопическими, аналоговыми или пиф
ровыми.

С точки зрения экономической целесообразности желательно,
чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, т. е.
быть в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает
необходимость автоподстройки режима функционирования систе
мы при изменении внешних условий наблюдения, таких как осве-
щенность, расстояние до объекта и др. Универсальность исполь-
зования характерна в основном для аппаратуры так называемого
промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серий-
но. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу вхо-
дят специализированные системы: подводные, малокадровые, фо-
тотелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Ре-
жим их функционирования выбирается обычно исходя из необхо-
димости решения относительно узкого круга задач.

9.1. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

К промышленным телевизионным системам (ПТС) будем отно
сить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения
и контроля за различного рода объектами, находящимися на ули-
це, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях
банков, на станциях метрополитена и т. д. Универсальность ПТС
позволяет применять их в системах охранной сигнализации (сис-
темах безопасности), системах технического зрения и в качестве
датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной
особенностью ПТС является работа в режиме стандартного разло-
жения с чересстрочной разверткой. ПТС, как правило, предназна-
172
чены для работы в видимом диапазоне спектра оптического излу-
чения, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолето-
вый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.

Структурные схемы современных ПТС весьма разнообразны и
отличаются в основном набором элементов, количество и назначе-
ние которых диктуется выполняемыми задачами и допустимой, с
позиций заказчика, стоимостью аппаратуры.

На рис. 9.1 представлена схема установки, в комплект кото-
рой входят четыре передающие камеры (ПК), два видеоконтроль-
ных устройства (ВА'У), видеозаписывающее устройство (напри-
мер, видеомагнитофон ВЛ/), два пульта управления (//У) и видео-
ко.ммутационный центр (ВКЦ). На ВКУ2 одновременно можно
наблюдать изображения со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор
изображения с любой камеры осуществляется вручную или по
заданной программе. Видеозаписывающее устройство подключа-
ется с любого пульта управления для регистрации интересующего
наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав ап-
паратуры могут включаться поворотные устройства камер, видео-
обнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства
маскировки камер и т. д. В зависимости от окружающей среды
камеры могут термостатироваться, помещаться в герметичные,
пылебрызгозащитные, ррнтгенозащитные, противованлальные птп
иные специальные корпуса. Следует отметить, что серийные ка-
меры часто выпускаются без корпусов и объективов.

На рис. 9.2 представлена схема цифровой системы видеонаб-
людения, управление которой и получение визуальной информа-
ции осуществляется с помощью компьютера 1. На компьютер по-
ступает видеосигнал с трех передающих камер, количество кото-

техника» ро1у1е<
2

3

Виг. 9.2. Цифровая система виде^наблюдеиия

рых может быть увеличено путем присоединения через коммута-
тор (мультиплексор). Управление поворотным устройством 4 каж-
дой камеры, а также при необходимости диафрагмой и фокуси-
ровкой объектива осуществляется с компьютера через контролле-
ры 2 а 3.

Для облегчения работы оператора и снижения вероятности про-
пуска событий в системе предусмотрен программный детектор двп
жения, работа которого основана на сравнении последовательно
поступающих кадров. Видеодетектор позволяет выделить из об-
щей картины один или несколько объектов и контролировать их
перемещение. Можно также осуществлять настройку на размер
объекта и исключать срабатывание от посторонних предметов
(например, летящих птиц, падающего снега, листопада и пр.).
Такое устройство видеодетектора важно, в частности, для систем
безопасности.

Обязательной для любой системы безопасности, так же как и
для многих других систем, является цифровая видеозапись, с по-
мощью которой удобно формировать видеоархив наблюдения.
В качестве устройств хранения видеоархивоь можно использовать
различные накопители, в частности винчестер компьютеров. Ви-
деозаписывающее устройство, будучи связанным с видеодетекто
ром движения, может включаться как автоматически, так и руч-
ным путем. Скорость видеозаписи, дата, время и другие парамет-
ры могут изменяться, что позволяет избежать заполнения видео-
архива избыточной информацией.

В настоящее время в качестве фотонреобразователей для пере-
дающих камер ПТС в основном применяются матричные ПЗС.
Передача полного ТВ сигнала, формируемого в камере, произво-
дится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, зани-

I к мтс па ши -11и с\иик<1- ро1у1есЬгнс8.ги
маемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции од
ной из несущих частот, стандартизированных в ТВ вещании.
В последнем случае для воспроизведения изображений оказывает-
ся возможным использовать обычные телевизоры, а длина кабеля
может достигать 1 км и более.

Передающие камеры ПТС часто комплектуются предприятия-
ми-изготовителями стандартных объективов, предназначенных для
работы в фото- и киноаппаратуре, хотя такую практику с техни-
ческой точки зрения и нельзя считать оптимальной по двум при-
чинам:

во-первых, хроматические аберрации таких объективов кор-
ректируются в области спектральной чувствительности киноплен-
ки, существенно отличающейся от спектральной чувствительнос-
ти большинства телевизионных фотопреобразователей;

во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учиты-
вается. что проецирование изображения на фоточувс'1 вительную
поверхность производится в телевизионных камерах через перед-
нее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло мат-
рицы .

При этом световые пучки, падающие под углами к оптической
оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что
ухудшает разрешающую способность системы. Это явление ска-
зывается тем больше, чем шире угол зрения объектива. В связи с
этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объек-
тивов, специально предназначенных для вещательного телевиде-
ния и в обозначение которых добавляется буква «Т», например.
МИР-ЮТ. Однако эти объективы рассчитаны в основном для ра-
боты с трубками типа суперортикон, имеющими значительно боль
ший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и
матрицы. Следует отметить, что в настоящее время практикуется
выпуск матриц со стекловолоконным входом вместо обычного стек-
ла, что позволяет легко сочленять их с ЭОП (см. гл. 3).

При согласовании параметров передающей камеры ПТС с усло-
виями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать воп-
рос о выборе объектива или о еоотвеютвии установленного в ка-
мере объектива требованиям, вытекающим из решения постав-
ленных задач. В первую очередь, выбор объектива следует произ-
водить исходя из заданного или заранее рассчитанного угла зре-
ния камеры, связанного с фокусным расстоянием соотношением

11. юге ич I г.  11олитехника» ро1у1ееЬп1С5.ги

2)’
где Ьф — ширина изображения на фотослое; Ро — угол зрения в
горизонтальной плоскости.

Аналогично получим

2Ц («о 2)'

где йф — высота изображения; «0 — угол зрения в вертикальной
плоскости.

При предварительном выборе углов |>(, и а0 следует учитывать,
что на краях поля зрения изображение получается менее резким и
ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусно-
го расстояния, так и от относительного отверстия Л//. Для опре-
деления угла резкого изображения рр можно воспользоваться эм-
пирическим соотношением [29]

0,12-0,15

ё ” (Д7)хТ/100 ’	(9,2)

На основании выражений (9.1) и (9.2) окончательно устанав-
ливаются необходимый угол зрения объектива и его фокусное рас-
стояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходя-
щий объектив [3].

При выборе объектива необходимо также принимать во внима-
ние его разрешающую способность, которая не должна существенно
ухудшать разрешающую способность фотопрсобразователя и, сле-
довательно. системы в целом. Эту задачу следует решать путем
построения частотно-контрастных характеристик фотопргобразо
вателя и объектива, а также других звеньев системы, их перемно-
жения и затем нахождения результирующей разрешающей спо-
собности т„ на известном уровне отсчета Д (см. п. 1.3). Однако
расчет ЧКл объективов, зависящих от относительного отверстия,
длины волны излучения и других параметров, представляет извест-
ные трудности, а база данных экспериментально снятых ЧКХ
весьма незначительна. Поэтому для упрощения решения постав-
ленной задачи можно ориентировочно воспользоваться паспорт-
ными данными фотографической разрешающей способности объек-
тива предварительно выразив ее в телевизионных линиях
(твл) согласно формуле

где йф — высота изображения на фотопреобразователе;	мм 1.

Желательно, чтобы > (1,5+2,0)тр, причем значение шр
дочжно учитывать пространственно-частотные искажения не только
176

гво • Политехника- иии поМесЬгйсз.ги
фотопреобразователя, но п остальных звеньев системы (канала
связи, кинескопа и др.) 13]. При выполнении этого неравенства
потеря разрешающей способности за счет объектива при исполь-
зовании 1/3" матриц составляет в среднем не менее 10-15 Уа.

Определенную универсальность передающей камеры, позволяю
щую легко переходить от широких полей зрения, обеспечивающих
общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознава-
ние объекта, придает вариобъектив. Промышленностью выпускает-
ся широкий набор вариобъективов, пригодных для использования с
видиконами и обладающих значительным диапазоном фокусных рас-
стояний. Следует, однако, иметь в виду, что применение вариоопти-
ки значительно увеличивает габаритные размеры и массу камеры, а
при наличии устройства дистанционного управления объективом ус-
ложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае
может быть использование узкополъного объектива и поворотного
устройства, на котором крепится камера, позволяющая последова-
тельно осуществлять широкий обзор пространства.

Практически во всех передающих камерах ПТС предусматри-
ваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых ярко-
стей. В связи с этим отметим, что динамический диапазон боль-
шинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не
превышает 50-100, а матриц ПЗС — 1000.

Вместе с тем для универсального применения передающих ка-
мер может понадобиться расширение динамического диапазона до
10—10°. С этой целью помимо применения в видеоусилителе ав
тематической регуляции усиления в камерах на видиконах при-
меняют устройства авторегулирования напряжения на сигналь-
ной пластине [17], а в камерах на ПЗС — авторегулирование
времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также
использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объек-
тива и регулировку пропускания специальных светофильтров, ус-
танавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регу-
лирующих устройств заключается в том, чтобы при изменении
освещенности объекта внутри заданного диапазона значения ви
деосш’нала не выходили за пределы действующего рабочего участ-
ка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наи-
более светлой градации яркости должен оставаться примерно по-
стоянным. Отметим, что применение оптических методов и регу-
лирования времени накопления зарядов в ПЗС направлено на ста-
билизацию экспозиции, сообщаемой ФЭП:

Я = Ь'/и,

где Е — освещенность ФЭП; 1И — время накопления заряда.

"ЦЦ
Рис. 9.3. Структурная схема управления диафрагмой объек-
тива

Для управления диафрагмой объектива может использоваться
видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное на
пряжение с которого после усиления поступает на балансную диф
ференциальную схему (рис. 9.3). При изменении освещенности
фотопреобразователя сигнал также изменяется и на выходе ба-
лансной схемы образуется управляющее напряжение соответству-
ющего знака.

В рассмотренном случае стабилизация тока сигнала в пределах
± 20 % осуществляется при изменении освещенности объекта до
500 раз.

В более широких пределах изменения освещенности (примерно
до 104 раз) можно стабилизировать видеосигнал на выходе ФЭП
с помощью различных электрооптических светофильтров, изме-
няющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним
напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с исполь-
зованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, ши-
рокими пределами регулирования светопропускания, но требует
подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает
большим светопоглощением. Светофильтры на основе электрохром-
ных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до
нескольких секунд), управляются низкими напряжениями, изме-
ряемыми единицами вольт.

В импульсных системах выходной сигнал можно стабилизиро-
вать, изменяя длительность экспонирования фотонреобразовате-
ля, для чего перед ним устанавливается электрооптический за-
твор. В качестве затвора можно применить электронно-оптиче-
ский преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В су-
перкремниклне в качестве электронного затвора используют сек-
цию переноса изображения, в которую добавляют специальный
электрод.

Время накопления зарядов /н с целью стабилизации величины
видеосигнала удобно регулировать в матричных ПЗС путем авто-
матического управления длительностью импульсов, поступающих
в накопительную секцию. На рис. 9.4, а представлена схема уп-
равления, примененная в камере КТП 79. позволяющая стабили-
зировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от
4 до 20 лк.

Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью,
зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход опе-
рационного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью
пикового детектора УВ1, УИ2, С5 видеосигнал преобразуется в
постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоян-
ного тока (операционный усилитель У2). Выходное напряжение
регулируется резистором Н4, изменяющим чувствительность схе-
мы. С выхода УНТ напряжение поступает на неинвертирующий
вход компаратора, выполненного на операционном усилителе УЗ.
На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное на
пряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на тран-
зисторах УТ] и 1Т2 и конденсаторе С6 (транзистор УТ2 служит
для стабилизации тока заряда конденсатора с целью повышения
линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного
напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами^, как
это показано на рис. 9.4, б). В момент времени происходит срав
нение двух напряжений (72 и ^з и на вых°Де компаратора формиру-
ется двухполярный сигнал управления Ъ\, который затем ограничи-
вается диодом КР4 и преобразуется в однополярный сигнал

К числу автоматических устройств, применяемых в передающих
камерах КТС, относятся устройства автоматической фокусировки
объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения.
Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно приме-
нять в тех случаях, когда глубина резкости изображаемого про-
странства недостаточна (например, при использовании длиннофо
кусных объективов). Критерием расфокусировки обычно служит
информация о резкости или детальности изображения, которым в
видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составля-
ющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошиб-
ки) указанную информацию необходимо иметь, как минимум, при
двух положениях объектива. На рис. 9.5 представлена структур-
ная схема системы автофокусировки, в которой в качестве харак-
теристики управления используется детальность многоградаци-
□нного изображения, определяемая как
а)

11. 1.1 гс ьство «Политехника» ро1у1есНпкз.ги

Риг. 9.4. Схема формирования сигналя управления чувствительностью
матричного ПЗС (а) и зпюры напряжений (Л)
Рис. 9.5. Структурная схема устройства автофокусировки объек-
тива

о <"

гдр Сс — напряжение видеосигнала; Тк — время кадра.

Принцип действия системы основан на том. что в сфокусиро-
ванном состоянии объектива детальность изображения должна
быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается
на формирователь Ф. в котором производятся операции диффе-
ренцирования, усиления и ограничения в соответствии с задан-
ным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограни-
чения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2.
Делитель частоты уменьшает количество импульсов напряжения
до значения, отвечающего емкости счетчиков. Счетчики служат
для суммирования импульсов и запоминания значения Пи. В счет
чике С1 запоминается значение детальности, соответствующее од-
ному положению объектива, в счетчике С2 — другому положе-
нию. Для получения второго значения необходимо переместить
объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периоди-
ческой посылкой специального испытательного сигнала. Оба зна-
чения детальности сравниваются между собой в устройстве срав-
нения УС, и в зависимости от знака полученного результата объек-
тив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с
помощью исполнительного устройства ИУ.

Недостатком рассмотренного устройства является ухудшение
условий наблюдения при испытательных перемещениях объекти-
ва. Поэтому в телевизионном датчике рекомендуется предусмат-
ривать отдельный канал автофокусировки.

Если наблюдателя интересует один или несколько конкретных
объектов, расстояние до которых может изменяться независимо
от общей обстановки, можно использовать метод автофокуснров-
ки объектива, основанный на применении импульсного лазерного
дальномера. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в

11. кис •• I ш <- \ ।ц।►. ।\\ к / ро1у1есНп1сз.ги
направлении объекта пучок ИК лучей малой расходимости. Отра-
женный сигнал принимается фотоириемником, и полученная ин-
формация после обработки используется для формирования уп-
равляющего сигнала.

Применение в телевизионном датчике импульсного светодаль-
номера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить
специальные регулировки, направленные на сохранение постоян
ного масштаба изображения, т. е. его размеров, и осуществление
беспропускного режима наблюдения в малокадровых и импульс-
ных телевизионных системах при непрерывном изменении рассто-
яния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения
способствует решению задач обнаружения, опознавания и контро-
ля параметров различных объектов, а также необходимо при ис-
пользовании телевизионной системы для картирования местнос-
ти, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решения
других задач.

На рис. 9.6 показана структурная схема устройства управле-
ния вариообъективом, позволяющая поддерживать постоянство
масштаба изображения путем изменения фокусного расстояния,
т. е. угла зрения оптической системы- Входные импульсы, посту-
пающие от светодальномера, временной интервал между которы-
ми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирова
тель ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямо-
угольный импульс, который в схеме совпадения С,С заполняется
тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ. Полу-
чающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобра-
зуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов
счетчика должно выбираться н зависимости от необходимой точ
ности преобразования расстояния до объекта в двоичный код.
Цифровой сигнал декодируется затем в ЦЛП и в аналоговой фор-
ме через усилитель .У управляет приводным устройством IIР варио-
объектива ВО.

Риг. 9.6. Структурная схема устройства управления вариообъективом
Применение в устройстве управления двойного преобразования
типа «аналог—код» и «код—аналог» позволяет достаточно про-
стыми средствами и с заданной точностью регулировать фокусное
расстояние вариообъектива в широком интервале изменения рас
стояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.

Дальность действия телевизионной системы наблюдения
в атмосфере

Применение телевизионной аппаратуры для наблюдения за
объектами, находящимися вне помещений, требует учета влия-
ния атмосферы на дальность наблюдения. При определении даль-
ности наблюдения за объектами следует учитывать, что, во-пер-
вых, происходит ослабление потока излучения воздушной средой
и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе
системы, что обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и,
как правило, является определяющим дальность наблюдения Л.

Контраст на входе системы наблюдения равен

К -	к-

1 + (4Л)(ее -1)

или, поскольку Ер/л, Ьа Еш/п,

Рис. 9.7. Графики для •яр»деления дальности телевмзи
онного наблюдения Л в атмосфере
где Ко — контраст объекта с фоном; Ьа — яркость объекта или
фона (большее значение); Ь„ — яркость насыщенного слоя атмос-
феры (яркость неба у горизонта); р — коэффициент отражения
объекта или фона; иг — коэффициент погоды; Е — показатель
ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км;
Е — освещенность объекта и фона.

Кооффициешпом погоды и- называется отношение яркости Ьн
неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой по-
верхности, освещенной суммарным дневным светом. Значение ко-
эффициента погоды зависит от метеорологических условий и мо-
жет быть как меньше, так и больше единицы.

Из второго уравнения находим искомую дальность наблюде-
ния:

Л = -1и
г

’1+р

(9.3)

На рис. 9.7 представлены расчетные графики для определения
дальности наблюдения, отвечающие выражению (9.3).

9.2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Подводное телевидение широко применяется для проведения
различных морских исследований. К их числу относится поиск
затонувших судов и всевозможных предметов, съемка шельфа
морского дна в прибрежных районах, изучение подводной флоры
и фауны, обследование строящихся и эксплуатируемых подвод-
ных сооружений, в том числе плотин гидроэлектростанций, тру-
бопроводов и т. д. Решаются эти задачи с помощью специальных
телевизионных систем, располагающихся ня подводных и надвод-
ных судах, в батисферах и батискафах. Первые опыты по приме-
нению телевидения для подводных наблюдений были проведены в
СССР профессором П. В. Шмаковым в 1935 г.

Гидроопти ческие характеристики

Существующие принципы построения подводных телевизион-
ных систем основаны на учете оптических свойств воды, одно-
значно определяющих дальность видения под водой. Прозрачность
воды зависит от многих факторов, таких как глубина, время года,
наличие планктона, течений.

Прозрачность воды на практике принято оценивать максималь-
ной глубиной, на которой оказывается предельно различимым стан-

-По । и - г \ и 11 к. ।  \V \\ро1 у !.есЬп'1С8.ги
дартный белый диск диаметром 30 см, опускаемый вертикально к
поверхности моря. Несмотря на субъективность метода, он широ-
ко применяется в океанографических исследованиях. Ориентиро-
вочные данные о прозрачности воды, измеренной по белому дис-
ку, приведены ниже [13):

Максимальная глубина видимости белого диска, м

Белое морс...................................  8

Балтийское море ............. ...	13

Баренцево море............................... 18

Черное Морс.................................. 25

Индийский чкеан............................   50

Тихий океан .........................    .	59

Саргассово Морс.............................. 86

Объективной характеристикой прозрачности воды является
коэффициент прозрачности т, определяемый законом Бугера:

где Ф1 и Фр прошедший через слой х и падающий на поверх-
ность световые потоки соответственно; е — показатель ослабле-
ния света в воде.

Формула (9.1) справедлива для однородной среды. Для не-
однородной среды показатель ослабления является функцией рас-
стояния. и тогда

।
-|е(>
г = е "

где I — полная протяженность слоя воды.

Показатель ослабления Е равен сумме показателей поглощения
к и рассеяния п, т. е. Е = к + п. Прологарифмировав выражение
(9.4), получим формулу для показателя ослабления:

Е = - 1П Т/ X.

Аналогично

к = -)птГ1/х; о--1пТр/х,

где тп, Тр — коэффициенты прозрачности при наличии поглоще-
ния и рассеяния света в воде соответственно.

Существует приближенная эмпирическая формула, установлен-
ная для белого света и связывающая показатель ослабления с
глубиной видимости белого диска га, взятой в метрах:

3,5

е = “’	(9.5)

По и» хника» и’иги' ро1у1есЬ1Г1С8.ги
При гмдрооптическмх расчетах часто пользуются понятием по
казателя вертикального ослабления естественного света у, кото
рый всегда меньше показателя р: у= рР, где Р — параметр, завися-
щий от формы индикатрисы рассеяния и так называемой вероят
ности выживания фотона А. Индикатрисой рассеяния называют
график распределения рассеиваемых в воде световых лучей по
углам.

На рис. 9.8 показаны примеры индикатрис рассеяния, норми-
рованных к единице прии -90 , и характер изменения направлен-
ного светового потокаФо после прохождения его через слой воды.
Как видно из графиков, индикатрисы рассеяния воды имеют вы-
тянутый в переднюю полусферу характер. Это благоприятно ска-
зывается на освещенности более глубоких слоев воды, так как
рассеянные лучи создают их дополнительную подсветку.

Ня рис. 9.9 показаны спектральные кривые показателя ослаб-
ления е, показателя рассеяния а и показателя поглощения к для
Каспийского моря [13]. Из графика г = /(А) следует, что наимень
шему ослаблению света в воде подвергаются синие и зеленые лучи.
Коротковолновая часть спектра претерпевает большое ослабление
из-за сильного рассеяния, а длинноволновая часть — из-за силь-

ного поглощения.

Ярко выраженные рассеивающие свойства воды приводят к зна
читальному ослаблению контраста при переносе изображения из
плоскости объекта в плоскость фотопреобразователя передающей
телевизионной камеры. Контраст изображения объекта с фоном
на входе фотопреобразователя Квх связан с действительным кон-
трастом объекта Ка соотношением

Рис, 9.8. Индикатрисы рассеяния света
в воде: океанской (/), морской (2)

Рис. 9 9, Спектральные зависи-
мости показателей ослабления е,
рассеивания а и поглощения к

здательство «Политехника» ичууу ро1у1есНгис$.ти
где Е [ — освещенность фотопреобразователя, создаваемая рассей
ватощсй дымкой; Ео — освещенность фотопреобразователя от объек-
та или фона (большее значение).

Освещенность от дымки можно определить путем суммиро-
вания потоков, обратпо отраженных от засвеченных слоев воды
толщиной (1г каждый и направленных на фоточувствительную
поверхность площадью 5ф:

1 *

Л, = — ) ^Ф(г),	(9.5)

где расстояния г, к и й0 показаны на рис. 9.10.

Подынтегральную функцию можно привести к виду [33]

_ ч лх(п)О(\ийг'х'е_уг „

</Ф(г)=------- — -5-------Е(г}<1г,	(Э.б)

64?

где х(д) значение индикатрисы рассеяния в направлениип («на-
зад»); роб и О — коэффициент пропускания и диаметр входного
зрачка объектива соответственно; х — отрезок, показанный на
рис. 9.10.

Освстцсппость слоя <1г, находящегося па расстояния 2 от объек-
тива, будет

Е(г) =

С

где 70 — сила света источника
освещения в осевом направлении;
1г = г/соз V — расстояние по оси
от источника до слоя <12.

Расчетные формулы, получен
ные на основе выражений (9.5)-
(9.7), приведены в гл. 10.

Из формулы (9.7) следует, что
освещенность Ел зависит не
только от рассеивающих свойств
воды, ио и от относительного рас-
положения источника освещения
объекта и передающей камеры с
объективом О (см. рис. 9.10). Для
уменьшения влияния дымки не-

соя уе	(9.7)

Рис. 9.10. К выводу формулы Д1Я
освещенности дымки

Издательство «Политехника ху\\ и ро]\ :<ч Ьгпсз.ги
Рис. 9.11. Графики зависимости Ел и Кгк
от базы Ь

обходимо уменьшать область
пересечения поля зрения
объектива и диаграммы на-
правленности источника ос-
вещения И (на рис. 9.10
эта область заштрихована).
Желательно, чтобы источ
ник освещения располагал-
ся на расстоянии но ближе
чем 2-3м от камеры. На
рис. 9.11 представлены гра-
фики, характеризующие за-
висимость величин Е. и Кзх
от базового расстояния Ь
между камерой и источни-
ком света.

При наблюдении объекта
на фоне толщи моря контраст Ко можно рассчитать по формуле

где го — коэффициент яркости объекта; гм — коэффициент ярко-
сти моря, гм = 0,02^0,05.

Под коэффициентом яркости моря понимают отношение яр-
кости диффузного излучения, идущего из толщи моря непосред
ственно под его поверхностью под заданным углом, к яркости
идеально белой матовой поверхности, освещенной естественным
светом.

На изменение масштаба изображения, передаваемого подвод-
ной телевизионной системой, существенное влияние оказывает вод-
ная среда. Это объясняется разницей в показателях преломления
воды п1 - 1,33 и воздуха л3 = 1. Если передающая камера помеще-
на в батисферу, снабженную плоским иллюминатором, то соглас-
но рис. 9.12 будут справедливы следующие соотношения:

81П ф) = Ле 81Пф_ = Л!] 8111 Фз; 81пф| - П] Щпд>{/Л| ,

п»о -По читехника- \\гИ'уу ро1уЬЮ1П1СБ ги

где л2 — показатель преломления стекла иллюминатора.

Отсюда следует, что угол будет меньше угла ф3, т. е. угол
зрения передающей камеры, помещенной в воду, оказывается мень-
ше угла зрения той же камеры, расположенной в воздухе. Это при-
водит к увеличению масштаба передаваемого изображения (рис. 9.13).
Изменение угла зрения предающей камеры будет зависеть от его
абсолютного значения в воздухе. Если, например, 2<р3- 62° (объек-
188
Рас. 9.12. Иреломлевие све
говых лучей в воде и в воз-
духе

Рис*. 9.13. Уш личенив масштаба изоб-
рвжгнпя объектов, расположенных в
воде (И иллюминатор; О объек-
тив; ПТ — передающая трубка)

тив типа Ю-12), то для воды 2ф! = 44,6 .. т. е. угловое доле зре-
ния камеры снижается в 1,38 раза.

В тех случаях, когда уменьшение поля зрения нежелательно,
рекомендуется применять сферический иллюминатор. При этом
оптический центр объектива должен быть точно совмещен с цент-
ром радиуса кривизны сферы, что представляет определенные тех-
нологические трудности. При несовпадении обоих центров иояв-
ляются дополнительные искажения, которые особенно существенны
для лучей, падающих под большими углами.

Принципы построения подводных телевизионных систем

В большинстве случаев подводная телевизионная система дол-
жна обеспечить максимально возможную дальность наблюдения
(исключение составляют некоторые системы наблюдения за гид-
ротехническими сооружениями и ряд других). Из рассмотрения
гпдрооптических характеристик следует, что для увеличения дать
пости передачи необходимо применять мощные источники осве-
щения объекта, излучающие световую энергию в зелено-голубой
части спектра, а также предусмотреть специальные меры для умень
шения влияния рассеивающей дымки па коптраст передаваемого
изображения. Выполнению этих условий в значительной степени
способствует использование лазерной техники.

Существует два основных принципа построения лазерно-теле-
визионных систем:

1)	сканирование лазерного луча в пространстве объектов;

2)	пространствен пог стробировапис.

Принцип сканирования лазерного луча реализуется в системе
«бегущий луч», прием отраженного сигнала в которой производит-

Политехникам иг\ууу. ро1у(есНтс5.ги
ся одноэлементным фотоприемником, как правило, фотоумножите-
лем. Размер элемента изображения будет определяться углом на-
чальной расходимости лазерного луча, а угол обзора — углом поля
зрения фотоприемника. Существуют системы, в которых узкое поле
зрения фотоприемника сканируется совместно со сканированием
лазерного луча. Размер элемента при этом будет аналогичным пре-
дыдущему, а угол обзора равен углу сканирования.

Сущность пространственного стробирования заключается в
выделении интересующего наблюдателя участка пространства пу-
тем освещения его световыми импульсами, длительность которых
выбирается из условий :

I *™_{.
‘а	ч»>

Ч)

2Л

а « —

где ДЛ — глубина стробируемого участка пространства; с0 — ско-
рость света; Л — расстояние до стробируемого участка; /3 — дли-
тельность затворного импульса.

Метод пространственного стробирования реализуется запира-
нием многоэлементного фотопреобразователя системы на все вре-
мя, кроме времени непосредственного воздействия отраженного от
заданного участка пространства светового импульса на фоточув-
ствительный элемент. При этом уменьшается по времени воздей
ствие влияния рассеивающей дымки на накопитель фотопреобра-
зователя и повышается контраст входного изображения.

На рис. 9.14 приведена структурная схема импульсной лазерно-
телевизионной системы, работающей по принципу пространствен-
ного стробирования, в соответствии с которой наблюдаемый объект
освещается световым потоком, излучаемым лазером со стороны зер-
кала I. Одновременно импульс света со стороны зеркала 2 создает с
помощью фотоголовки электрический импульс, запускающий пос-
ле формирования схему регулируемой задержки. Задержанный на
время, равное 2Л/с0, импульсный сигнал, в свою очередь, запуска-
ет устройство формирования импульсов электрооптического затво-
ра 303, с помощью которого регулируется процесс накопления в
передающей трубке ПТ плпПЗС. Частота излучения световых им-
пульсов лазера синхронизируется с частотой кадровой развертки.

Для импульсных лазерно телевизионных систем могут быть
использованы два типа зелено-голубых лазеров: газовый и твер-
дотельный. Газовые лазеры, выполненные на основе инертных
газов, имеют большую частоту следования, достигающую несколь
ких тысяч импульсов в секунду, но относительно малую импульс-
ную мощность (до нескольких десятков киловатт) и низкий КПД.
Наибольшее распространение получили лазеры на стекле, легиро-

Политехника» Н’иги роМесЬшсь.ги
Рис. 9.14. Структурная схем» импульсной лазерно-телевизионной си
стемы, работающей ио принципу пространственного етробироааипя

ванном неодимом. Эти лазеры генерируют световые импульсы дли-
тельностью 10 20 нс с частотой следования до 50 60 импульсов
в секунду. Длина волны излучаемой энергии к 1,06 мкм, мощ-
ность в импульсе — до 20 МВт и более. Для получения длины
волны л - 0,53 мкм эти импульсы подают на монокристаллы нио
бата лития или дигидрофосфата калия, играющие роль удвоителя
частоты. Мощность импульсов после удвоения частоты излучения
(мощность второй гармоники) снижается до 1-2 МВт,

Существенную роль в рассматриваемых системах играет дли-
тельность затворного (стробирующего) импульса Наибольшая
эффективность работы системы получается, если этот импульс
совпадает по длительности с излучаемым световым импульсом /э,
который после возвращения экспонирует фотопреобразователь. При
(3 > увеличивается влияние рассеивающей дымки, приводящей
к снижению контраста входного изображения. Если 1а < 19, то
часть энергии отраженного импульса будет расходоваться беспо-
лезно, т. е. не участвовать в образовании зарядового рельефа на
накопителе фотопреобразователя.

9.3 МАЛОКАДРОВЫЕ, ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ
И СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Основное назначение рассматриваемых систем заключается в
передаче изображений с летательных аппаратов (ЛА). К телеви-
зионным системам летательных аппаратов относятся системы,
располагающиеся на самолетах, вертолетах, искусственных спут-
никах Земли (ИСЗ) и космических аппаратах дальнего космоса.
Функции, выполняемые подобными системами, чрезвычайно раз-
нообразны. Применение телевидения на атмосферных ЛА обычно
преследует цели наблюдения за земной или морской поверхнос-
тью, поиск, обнаружение и измерение тех или иных параметров
отдельных объектов либо съемку участков местности.

Распространение получила аппаратура космического телевиде-
ния, охватывающая следующие области применения [9];

—	космическую видеосвязь (космовидение);

—	исследование объектов космического пространства;

—	наблюдение за облачным покровом Земли и исследование ее
природных ресурсом;

—	видеоконтроль функционирования систем космических ко-
раблей и управление космическими кораблями.

Космическая видеосвязь предполагает обмен визуальной ин-
формацией между обитаемыми космическими кораблями и между
космическими кораблями и Землей.

Системы для научных исследований и метеорологические смете
мы служат для сбора и передачи телевизионной информации из &шж-
них и дальних областей космоса на Землю. Носителями такой аппа-
ратуры являются ИСЗ и аппараты дальнего космоса, на которых
отсутствует человек. Начало научному исследованию космического
пространства было положено в 1959 г. станцией «Луна-3», с помо-
щью которой удатось получить изображения обратной стор| >ны Луны.
С 1905 г. начались телевизионные исследования Марса и Венеры.
В 1986 г. были проведены телевизионные съемки кометы Галлея,
осуществленные в рамках международного проекта «Вега*.

Широкое распространение получили космические программы
исследования природных ресурсов Земли. Для этих целей исполь-
зуются спутники типа «Метеор Природа», «Космос», станции
«Салют» и «Мир», американские аппараты серии «Лэндсет». За-
дачи, решаемые в рамках этих программ, группируются по четы-
рем направлениям: океанологии, гидрологии, геологии, лесному
и сельскому хозяйству. Для выполнения различных конкретных
задач наблюдения и фотометрических измерений широко исполь-
зуется спектрозональная телевизионная аппаратура, позволяющая
получать информацию о малоконтрастных объектах в различных
областях спектрального диапазона излучений [28].

Существенное значение приобрели системы видеотелеметрии,
с помощью которых осуществляются контроль над работой раз-
личных систем космического корабля и управление его полетом.
В последнем случае с помощью телевидения автоматически опре-
192

• По 1ии>\ник<|\\ \\: ро(у1есЬгйс5.ги
деляются координаты корабля, осуществляются его посадка и ма-
неврирование.

Особое место занимает ретрансляция широковещательных и слу-
жебных программ телевидения с помощью спутников ретранслято
ров. При этом ретрансляция может осуществляться по цепи Зем-
ля—Космос—Земля, Космос—Космос—Земля и другими путями.

Широта использования телевизионных систем .ПА. особенно в
научных исследованиях, предопределяет различие в принципах
построения аппаратуры и ее характеристиках. Так, системы, пред-
назначенные для исследования Луны, должны передавать инфор
мацию при освещенностях ее поверхности от 135 тыс. люкс до
0,75 люкс и контрастах отдельных объектов от 0,01 до 0,98.
К системам для обзора земной поверхности предъявляются более
низкие требования к широте динамического диапазона передавае-
мых яркостей, но зато особое значение приобретает необходимость
наблюдения в реальном времени.

Телевизионные системы ЛА, как и любые другие онтико-элек-
тропные системы, подразделяются на активные и пассивные, т. е.
использующие искусственную подсветку объекта. Очевидно, что
подсветку можно использовать лишь на сравнительно малых рас-
стояниях, характерных только для атмосферных ЛА.

Обычные телевизионные системы, применяемые в вещатель-
ном и прикладном телевидении, работают в режиме, когда про-
цесс экспонирования изображения на фоточувствительную поверх-
ность и процесс считывания информации, сопровождающийся об
разованием видеосигнала, происходят одновременно. Однако в
малокадровых, импульсных и фототелевизионных системах эти
процессы оказываются разделенными во времени: сначала произ-
водится экспонирование накопительного элемента фото преобразо-
вателя (в импульсных системах — кратковременное, в остальных
случаях — любое), затем считывание информации по памяти и,
наконец, при необходимости — стирание остаточного зарядного
рельефа для подготовки накопителя к новому циклу работы.

Все телевизионные системы ЛА условно разделяются на узко-
полосные (малокадровые) и широкополосные, причем ориентиро-
вочной границей между ними установлена максимальная частота
видеосигнала 100 кГц. Широкополосные системы используются
главным образом для наблюдения за земной поверхностью и ее
облачным покровом с самолетов и ИСЗ, имеющих орбиты до 10 км
[4]. Узкополосные телевизионные системы служат для передачи
информации из дальнего космоса, причем сокращение полосы ча-
стот при ограниченной мощности передатчика позволяет увели-
чить дальность действия системы в тысячи раз.
Большинство телевизионных систем ЛЛ являются системами
открытого типа, т. е. служат для передачи информации по радио-
каналу. Однако на борту самолетов и космических аппаратов мо-
гут использоваться и замкнутые системы, выполняющие вспомо
гательные функции, которые облегчают управление носителем и
сбор научной информации.

Малокадровые телевизионные системы

Эти системы получили широкое распространение в качестве
средств наблюдения за земной поверхностью с космических и ат-
мосферных ЛА. Малокадровые системы используются также в
видеотелефонах и системах технического зрения. Для уяснения
преимуществ малокадрового метода передачи изображений напом
ним, что обычная многокадровая система обладает огромной про-
пускной способностью: при 5-10’’ >лементах изображения и 10 гра-
дациях яркости, которые может принять каждый элемент, количе-
ство информации, передаваемое за 0,01 с (время одного кадра), со-
ставляет Л’ -	дв. ед. Такое количество информации,

которое не может быть воспринято зрительным анализатором за
столь малый промежуток времени, поскольку пропускная способ-
ность зрения в сотни тысяч раз меньше, передается только для
того, чтобы создать иллюзию слитности движения наблюдаемых
объектов и устранить мелькание воспроизводимых изображений.
Если отказаться от этих требований, можно за счет увеличения
времени передачи кадра намного сократить пропускную способ
ность системы, уменьшив полосу пропускаемых видео- и радио-
трактом частот и одновременно повысив помехоустойчивость сис-
темы. При этом устраняется сильная в многокадровых системах
межкадровая корреляционная связь.

Таким образом, сущность малокадрового метода заключается
в накоплении и передаче только тех изображении, которые суще-
ственно различаются по смысловому содержанию. Пример переда-
чи изображений в малокадровой системе иллюстрируется рис. 9.15.
Поступательно движущийся носитель (самолет, вертолет) просмат-
ривает земную поверхность последовательно расположенными уча-
стками, величина которых в направлении движения / = оТ, где
о — скорость движения носителя, Т — период экспонирования
фотонреобразователя, равный времени передачи одного кадра. Время
экспонирования фотопреобразователя 1Л выбирается таким, чтобы
скоростное смазывание изображения, ухудшающее его качество,
не превышало определенных, наперед заданных, пределов. Таким
образом, при заданной площади захвата наблюдаемой поверхнос-
Рис. 9 15. Принцип наблюдения за земной поверх
ностью с помощью малокадровой системы

тп частота смепы кадров должна однозначно определяться скоро-
стью движения носителя. Воспроизведение передаваемых изобра-
жений осуществляется на кинескопе с длительным послесвечени-
ем или с помощью специального устройства памяти.

Для обеспечения беспропускного режима работы рассмотрен
ной системы удобно использовать вариообъектив. В случае изме-
нения высоты полета Н (см. рис. 9 15) необходимо для поддержа
ния постоянства величины I изменять фокусное расстояние варио-
объектива Г в соответствии с формулой /'= где с? — размер
фоточувствительпой поверхности фотопрсобразоватсля. Эта рогу
лировка осуществляется автоматически с помощью управляюще
го напряжения, связанного с изменяющимся расстоянием Л.

Если кроме высоты может изменяться также и скорость поле-
та носителя, то для поддержания постоянства размера наблюдае-
мого участка поверхности I необходимо изменять частоту экспо-
нирования фотопрсобразоватсля Гэ, поскольку I = о/Г3.

Таким образом, малокадровая система относится к разряду уз
кополосных систем с покадровым накоплением и разделенными
процессами записи и считывания информации. Для реализации
этого режима используются как специальные видиконы, способ
ные удерживать зарядный рельеф на все время его коммутации,
так и матричные ПЗС.

Фототелевизионные системы

При передаче сигналов одиночных изображений с ЛЛ получи
ли распространение фототелевизионные системы, состоящие из
фотосъемочной камеры, устройства автоматической обработки фо-
топленки и устройства сканирования изображения |б]. Остяль-

гльство «Политехника» ичуи* ро1у1есЬтсь
ные устройства, связанные с формированием сигнала и его пере-
дачей на Землю, аналогичны входящим в малокадровую систему.
Достоинством фототелевизионной системы является высокая чет-
кость получаемых изображений благодаря высокому качеству фо
топленки.

После экспонирования и химической обработки фотопленки от-
дельные изображения с пом! >щью протяжного механизма 3 (рис. 9Л 6)
перемещаются в кадровое окно и одновременно сканируются спо-
собом «бегущего луча». При непрерывной протяжке пленки ска-
нирование осуществляется одной строкой (однострочная разверт-
ка), формируемой на экране малогабаритного проекционного ки-
нескопа 1. Световое пятно через объектив 2 просвечивает фото-
пленку. Модулированный световой поток собирается конденсо-
ром 4 и попадает на фотокатод ФЭУ.

Разрешающая способность фототелевизионной системы будет
определяться качеством фотопленки и размером анализирующего
светового пятна. Ширина спектра видеосигнала зависит от скоро-
сти протяжки пленки и длительности строки, причем оба пара-
метра должны быть согласованы между собой таким образом, что-
бы не было наложений строк и пропусков между ними.

При съемке местности с ЛА изображение на фотопленке оказы-
вается смазанным, что приводит к ухудшению качества передана
емого изображения. Улучшить качество изображения можно за
счет сокращения времени экспонирования фотопленки, что одно-
временно повышает требование к освещенности объекта наблюде-
ния. При расчетах учесть влияние скоростного смазывания на

Импульсы

синхронизации

Рис. 9.16. Структурная схеме анализирующе-
го устройства фототелевизионной системы

-Политехника- \\ \\\\ ро1у1есЬпк’х.ги
качество передаваемого изображения и выбрать оптимальное вре
мя экспонирования можно на основе аналогии с электронно-пле-
ночным накопителем (см. п. 9.4).

Спектризональные системы

Эти системы служат для одновременного получения инфор
мании о распределении лучистого потока в двух или более зонах
(областях) спектрального диапазона волн |28|. В этом плане
обычная телевизионная система должна быть отнесена к разряду
«однозональных* систем. Спектрозональные телевизионные систе-
мы (СЗТС) широко используются в космическом телевидении для
решения как наблюдательных (обнаружение и опознавание раз-
личных объектов на Земле и в акватории мирового океана), так и
измерительных задач. Применение в СЗТС оптической спектраль-
ной фильтрации позволяет увеличивать контраст входных изобра-
жений селектируемых объектов.

Прямой энергетический контраст изображения каждого селек-
тируемого объекта относительно окружающего фона на входе фо-
топреобразователя для одной зоны равен

Л , — --—----,

где И’ф и 1ГО — энергии излучения на входе фотопреобразователя
пт фона и объекта соответственно ь расчете на один элемент изоб-
ражения.

Значения энергий в общем случае выражаются соотношениями

ОО

IV, =	/ ФЛР л'Ъ.’^Х8? 1^“’

О

ОО

Жр = I ФаРФХ^-Ъх^^-
о

где Фл тлх — максимальная спектральная плотность потока из-
лучения. Вт/мкм; Тк — длительность кадра: (>фЛ и — спект-
ральные коэффициенты отражения фона и объекта соответствен-
но; т> — спектральный коэффициент пропускания атмосферы; тох —
спектральный коэффициент пропускания объектива; 8?Л — спект-
ральная чувствительность зоны пропускания оптического фильтра.

Все спектральные характеристики, расположенные под инте-
гралами. являются относительными, т. е. в максимуме приведен-
ными к единице.

Таким образом, значения входных энергий от селектируемых
участков изображения поверхности наблюдения, каждый из кото-

11 • гательство «Политехника» уухулу, ро1у1есЬп1С5.ги
рых характеризуется своим контрастом, будут зависеть от спект
ральной чувствительности зон пропускания. Выбор рабочих зон
СЗТС наблюдения является важной и сложной задачей, направ-
ленной на максимизацию входных контрастов селектируемых
объектов. При этом должны учитываться форма и ширина харак
теристик спектральной чувствительности каждой зоны и ее мес-
тоположение в спектральном диапазоне волн. Число зон соответ-
ствует числу селектируемых участков наблюдаемого изображения
и обычно равняется числу фотопреобрлзователей в телевизионной
системе. В атом случае обработка всех сигналов производится од-
новременно, и результат получается в реальном времени. При ма-
лом быстродействии системы можно ограничиться одним фото-
преобразователем со сменным набором фильтров. При этом одно-
временная обработка сигналов требует введения в систему специ-
ального устройства памяти.

СЗТС искусственного спутника Земли «Лэндсет-1» включаете
себя три камеры, оптические оси которых расположены таким
образом, чтобы один и тот же участок земной поверхности одно-
временно проецировался на мишени всех видиконов. Камеры ра-
ботают в следующих спектральных зонах: 175-575 нм, 580-680 нм,
690-830 нм. При ширине наблюдаемого участка в 180 км разре-
шение на земной поверхности составляет 50-100 м.

9.4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ

ЗА БЫСТРО ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ

И БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ

Обычно телевизионная аппаратура предназначена для переда-
чи изображений объектов, параметры которых, в том числе их
положение в пространстве, изменяются во времени относительно
медленно. Во всяком случае, скорость их изменения обычно быва-
ет значительно ниже, чем скорость съема информации, определя-
емой как в кино, так и в телевидении частотой смены кадров.

Расширение возможностей и сферы применения телевидения в
промышленности, на транспорте, в научных исследованиях часто
приводит к необходимости получать видеоинформацию от различ-
ного рода быстродвижущихея объектов и о быстропротекающих
процессах. Примером может служить наблюдение с помощью те
левизионных стробоскопов за судовыми и самолетными винтами,
колесами турбин, различными вращающимися или вибрирующи-
ми частями машин и механизмов. Актуальной является задача
автоматической регистрации номеров транспортных средств (ав-
198
томашин, железнодорожных вагонов и пр.) в процессе их движе-
ния. В научных исследованиях применяется телевизионная реги-
страция следов ядерных частиц и процессов, происходящих в плаз-
ме. Созданы установки, позволяющие не только наблюдать быст
ропротекающие процессы в искровых камерах, но и измерять ко-
ординаты отдельных частиц [41].

Существуют предложения использовать телевизионно-вычисли-
тельную технику для экологических целей, в частности для дистан-
ционного измерения площадей нефтяных загрязнений водной поверх-
ности. Телевизионная аппаратура в этом случае устанавливается на
низколетящем самолете или вертолете, что позволяет значительно
ускорить и упростить процесс картирования загрязненных площа-
дей по сравнению с существующим методом оптической локации
(оптическая локация производится с борта специального судна, дви-
жущегося с относительно небольшой скоростью).

Регистрация различных быстропротекающих процессов тради-
ционно связывается со скоростной фото- и киносъемкой, а при
исследовании однократных неповторяющпхея процессов — также
с электронно оптическим методом наблюдения. Скоростная и сверх-
скоростная киносъемка позволяет производить съем информации
с частотой, измеряемой сотнями тысяч и миллионами кадров в
секунду. Однако объем информации при этом не превышает не-
скольких сотен кадров, а увеличение объема информации связа-
но, как правило, с уменьшением частоты ее съема.

Вместе с тем для решения многих практических и научно-ис-
следовательских задач требуется длительное непрерывное наблю-
дение за быстродвижущимися объектами, находящимися к тому
же в труднодоступном месте. Это обстоятельство предопределяет
применение телевизионного метода наблюдения, отличающегося
от скоростной киносъемки значительно более низкой частотой съема
информации, но позволяющего производить регистрацию процес-
са длительное время, осуществлять ее обработку и немедленно
доставлять результат получателю

Характеристики системы и выбор времени экспонирования
фотопреобраэователя

При наблюдении за быстродвижущимися объектами смещен не
входного оптического изображения во время его передачи приво-
дит благодаря накопительным свойствам фотопреобразователя
к ухудшению качества воспроизводимого системой изображения.
Уменьшить последствия этого явления, получившего название
явления скоростного смазывания, можно либо путем применения

5

1111аIельство «Политехника» \у\\ V• ро1у1есЬшс5
различного рода компенсаторов смещения (оптических, механи-
ческих или электронных), либо путем сокращения времени экспо-
нирования фотопреобразователя при сохранении неизменной дли-
тельности кадра. Второй способ является более универсальным,
так как его применение не связано с характером и направлением
движения объекта, которые в общем случае могут произвольно
изменяться в процессе функционирования системы. Системы, в
которых реализуется этот способ борьбы со скоростным смазыва-
нием, получили название импульсных телевизионных систем.

Уменьшение времени экспонирования по сравнению с длитель
ностью кадра в телевизионных устройствах приводит к необходи-
мости считывать зарядный рельеф, образующийся на накопителе
фотопреобразователя, в режиме памяти. При этом вначале осуще-
ствляется экспонирование накопителя, который должен « запом-
нить* изображение, а затем — считывание зарядного рельефа со
скоростью, принятой в стандартных или малокадровых системах.
Такой режим работы характерен, в частности, для матричных ПЗС*.

Одной из важнейших операций при проектировании импульс-
ных телевизионных систем является расчет времени экспонирова-
ния фотопреобразователя При этом следует учитывать: 1) до-
пустимое относительное ухудшение разрешающей способности си-
стемы и резкости границ крупных деталей воспроизводимого изоб
ражения, вызванное явлением скоростного смазывания; 2) воз-
можное снижение отношения сигнал/шум вследствие уменьше-
ния времени накопления зарядного рельефа. Последнее обстоя
тельство существенно, если освещенность объекта не может быть
увеличена при соответствующем уменьшении времени накопле-
ния, что приводит к сокращению экспозиции.

Влияние скоростного смазывания на частотные свойства теле-
визионной системы и, следовательно, ее разрешающую способ-
ность и резкость передаваемого изображения учитываются путем
введения в математическую модель системы дополнительного ли-
нейного звена, адекватного зоне смещения, переходная и комп-
лексная частотная характеристики которого однозначно опреде-
ляются характеристикой накопления фотоиреобразователя. (Ха
рактеристика накопления — это функция, описывающая изме-
нение потенциала накопителя во времени в процессе накопления
зарядов.) Таким образом, пространственно-частотную характери-
стику системы для регистрации быстропротекаюших процессов
можно представить в виде (рис. 9.17)

осе) =

11«• н( гхник.1 \\ с !.есНгнс5.ги
Рис. 9.17 Пространственно частот
иая характеристика системы регис-
трации быстропротекающих процес-
сов з быстродаижущихся объектов:
1 — и ее гостя вляпшпе: 2 — 0,(0: 3 —

где бн(^) — ПЧХ системы при передаче ею изображений непод-
вижных объектов; 0§(^) — ПЧХ зоны смешения.

Относительное ухудшение разрешающей способности будет рав-
но ^Р/^(см- Рис‘ 917)-

Комплексная частотная характеристика зоны смещения

О <**

(9.8)

где 6С — величина зоны смещения; й^(х) — переходная характе-
ристика зоны смещения, представляющая собой относительное
распределение потенциалов на накопителе фотопреобразователя
внутри зоны смещения в направлении перемещения предельно рез-
кой черно-белой границы х.

Величина зоны смещения при линейном движении объекта
выражается формулой

^=-4^-,	(9.9)

где Гф скорость линейного перемещения оптического изображе-
ния в плоскости фотопреобразователя в заданном направлении;
2Л — число активных строк разложения; Л,4 — высота кадра на
фотопреобразователе.

Отметим, что величина Зс в формуле (9.9) выражается в эле-
ментах разложения (строках).

Форма переходной характеристики зоны смещения Лй(х) по-
вторяет форму характеристики накопления фотопреобразователя,
зависящую от способа экспонирования и других факторов. В слу-
чае, если переходная характеристика может быть аппроксимиро-
вана экспоненциальной функцией, что справедливо для малоннер-
ционных фотопреобразователей, а также фотографических слоев
при их экспонировании с помощью затвора с прямоугольной све-
товременной характеристикой, имеем

• По 1и; рхн и к । уууууу ро1у1есЬтс8.ги
Л6(х) = 1-ехр -А^Е^-х ,	(9.10)

\ /

где А,) — коэффициент, зависящий от параметров накопителя,
1/лК‘С; X (’ф^а#,'Аф; Е — освещенность фотопреобразователя,
Е = СОП81,

При других способах экспонирования, когда объект освещает-
ся с помощью импульсных ламп и лазеров (Е / Сопз1), и при
заметной фотоэлектрической инерционности мишени видикона пе-
реходная характеристика й$(х) оказывается сущсствспно отлич
ной от экспоненциальной функции.

Подставив формулу (9.10) в выражение (9.8), найдем комп-
лексную частотную характеристику, модуль которой прсдставля
ет собой ПЧХ зоны смещения:

.	1 + е ~	- 2е сов2л&

(€) = К ----------------->----— •	(9.11)

1	1+ 2л5ь^

№

где №н — нормирующий множитель, отвечающий условию, в со-
ответствии с которым характеристика 0й(^) при = 0 должна при-
нимать значение, равное единице; экспозиция Нк  ЕТ9.

Таким образом, функция ОДЕ.) будет зависеть через зону смеще-
ния 5С от скорости 1>ф.

Анализ формулы (9.11) показывает, что ПЧХ зоны смещения
содержит колебательную компоненту, частота которой зависит от
значения бс, а амплитуда — от экспозиции /7К. При малых значе-
ниях Як, когда выполняется условие « 1, процесс накоп-
ления в фотопреобразователе и переходная характеристика Йй(х)
оказываются близкими к линейным и тогда формула (9.11) пре-
образуется к виду

(9.12)

причем в этом случав ПЧХ зоны смещения приобретает чисто
колебательный характер. Подставив формулу (9.9) в соотноше-
ния (9.11) или (9.12), получим зависимость $§(<;), а следователь-
но, и отношение от времени экспонирования <э.

Произведем оценку относительного ухудшения резкости гра-
ниц крупных деталей изображения за счет явления скоростного
смазывания. При монотонном изменении переходных характерис-
тик отдельных звеньев системы резкость границ воспроизводимо-
го ею изображения определяется выражением
Лх. =	+ Дх®,

где Лхн — зона размытости переходной характеристики системы в
направлении, перпендикулярном к черно белой границе неподвиж
кого изображения; Дхп — то же, но при движении изображения;
Лх$ = х,| у х((! — зона размытости переходной характеристики Л$(х).

Отсюда относительное ухудшение резкости будет равно

Ах,	1

Для 71 + <Дх8 Дяи)г

(9.13)

В случае, если переходная характеристика зоны смещения Лй(х)
выражается формулой (9.10), имеем

А. 1„

/а>Яв 1 -0,9(1	)

(9.14)

При линейном накоплении зарядов в фотопреобразователе пе-
реходная характеристика Л^(х) также линейна и тогда в соответ-
ствии с формулой (9.9)

Дх5 — 0,8<\ =0, 1Л /Д],.

(9.15)

Нетрудно показать, что формула (9.15) является частпым слу-
чаем выражения (9.14) при малых значениях освещенности Е.

Из выражений (9.13) и (9.15) вытекает формула для определе-
ния врсмепи экспонирования

11

0,82^1^,

(9.16)

где л0 - Дхп/Дхп — допустимое относительное ухудшение резкости
движущегося изображения по сравнению с неподвижным.

Таким образом, если задаться допустимым значением ухудшения
разрешающей способности 4р/4о и допустимым значением снижения
резкости можно найти два значения времени экспонирования (э,
из которых, очевидно, следует выбрать меныпее значение.

При ограниченных энергетических возможностях системы, т. е.
когда освещенность объекта не может быть увеличена с целью
стабилизации отношения сигнал,-шум оптимальное значение
времени экспонирования можно выбрать на основе интегрального
критерия качества изображения [1]. При этом используются две
сенсорные характеристики зрительного анализатора, отвечающие
зашумленности и резкости воспроизводимого изображения.

11 • 1 * ьство «Попп техника
Интегральный критерий качества изображения имеет вид фун
кционала:

и

<? = ]
:=]

где — нормированная сенсорная характеристика зрительного
анализатора для 4-го показателя качества.

В рассматриваемом случае

(9.17)

причем Ц|Г и — сенсорные характеристики, отвечающие за-
шумленности и резкости воспроизводимого изображения соответ-
ственно.

Обе характеристики аппроксимируются соотношениями

=(0,221пф)’*’;	(9.18)

п _ 0,005(0,13+ к)(190-к)

-	1 + к	>	(9.19)

где к — коэффициент резкости, численно равный площади Ь'г,
ограниченной ПЧХ системы с учетом смешения изображения в
пределах пропускаемой сю полосы частот; 1 < \|/ < 100.

Отметим, что формула (9.19), строго говоря, справедлива для
ПЧХ, имеющих монотонный вид и аппроксимируемых степенной
зависимостью. В этом случае

5^ - До

К = Т^Г’	<9-20>

где под % подразумевается уровень пересечения ПЧХ с верти-
кальной прямой, соответствующей граничной частоте^. с полосы
пропускания видеотракта (рис. 9.18). Если т = га, то с = 0,5.

Значение площади Я- с учетом смещения изображения объекта
и нри условии	(, имеет вид интеграла:

I

^((,) = ^/«и(^)06(О^'.
и

Таким образом, при заданной ПЧХ системы в случае непод-
вижного изображения 0и(Е') можно, используя формулы (9.11) и
(9.12), найти методом численного интегрирования площади 5к
для различных значений зоны смещения 5С и, следовательно, вре-
мени /э. После этого по фор
мулам (9.19) и (9.20) рассчи-
тывают и строят сенсорную
характеристику ^х(13). Ха
рактеристикаф,/^) находит-
ся по светосигнальной харак-
теристике фотопреобразовате-
ля и рассчитанному предва-
рительно уровню шумов.

Пример Необходимо он
тимизировать время экспони-
рования ПЗС с размером сек-

ции накопления Лф х /ф =

= 6,9 х 9,2 мм и соответствующим числом элементов 288 х 512.

Точка перегиба светосигнальной характеристики матрицы: Нтак =
= 0,04 лк • е, 1/СП1ЛХ = 0.01 В. Скорость движения изображения
объекта, приведенная ко входу матрицы, Оф = 1 м/с. Освещен-
ность матрицы Е = 1000 лк.

Нормированную характеристику 0й(т) построим согласно сле-
дующему выражению, вытекающему из формулы (9.12) с учетом
равенства <; = т/22л:

й6(т) =

ят(ли4,е,т 2^,)
2/(р

В качестве характеристики 0к(/п) возьмем продольную ПЧХ
для а3 = р с учетом т3 = 512 • 6.9/9,2 = 384 элемента (см. и. 3.4).
Определенную трудность вызывает выбор значения коэффициента
Ь, учитывающего взаимное расположение элементов матрицы и
полос оптической миры и лежащего в пределах от 1 до 2. При
неподвижной мире значение Ь постоянно, а при ее движении в
продольном направлении будет изменяться, что отразится на по-

Рис. 9.19. Зависимости значений Ц
(/).	(2) и Ц (3) от вр, мгни экспони-

рования матрицы

ложении характеристики 0п(т).
Для определенности решения за-
дачи примем, что значение Ь из-
меняется в пределах от едини-
цы до двух при изменении вре-
мени экспонирования от 10 до
22 мкс.

Для нахождения площадей
Ят({3) и уровней примем гра-
ничную полосу частот видсотрак-
та, соответствующую т =500 твл.
Сенсорная характеристика Ук((а), построенная согласно форму
лам (9.20) и (9.19), приведена на рис. 9.19.

При нахождении функции Ук((э) примем во внимание линей-
ность светосигнальной характеристики матрицы и выполнимость на
рабочем участке условия взаимозаместпмости между освещенностью
Е и временем экспонирования (э. Тогда связь между ф и (э устанав-
ливается из соотношения у= Ь'с/У[ПП1ах. где Ь’с = Устлх/г(/Нтях.
Величину шумов ПЗС примем равной Йш П1аХ= 1,6 мВ.

На рис. 9.19 представлены обе сенсорные характеристики —
У . и Ук. а также функционал У, найденный по формуле (9.17).
Из графика У((а) следует, что рекомендуемое время экспонирова-
ния для рассмотренного случая составляет от 16 до 20 мкс.

Принцип электронно-графической
аналогии

Переходную и пространственно частотную характеристики зоны
смещения, возникающей на фотослое при движении объекта за
счет скоростного смазывания, можно определить на основе нрин
иипа аналогии между малоинерционным электронным накопи
телем и эмульсионным слоем, также представляющим собой на-
копитель энергии. В основе аналогии лежит иде1гтичность формы
графика зависимости накопленного потенциала ок от экспозиции
Н для электронного накопителя 1>н - ?(Н) и характеристической
кривой фотографического материала, построенной в линейных
координатах Л = /(Н), где И — оптическая плотность почернения
фотоматериала. В этом случае связь между оптической плотнос-
тью и экспозицией будет выражена соотношением

Б =	+ Я.№(1 - е '(п':),	(9.21)

где и ЛП1ДХ — плотность вуали и максимальная плотность
почернения; у0 — коэффициент, зависящий от параметров и све-
точувствительности фотослоя по отпошепию к источнику излуче-
ния с заданным спектральным составом, уц 1 /Н' 1Н' — экспози
цпя, соответствующая плотности почернения фотослоя, равная
0,66 от максимального значения).

Экспозиция Н' определяется но характеристической кривой
материала с учетом поправки на спектральную чувствительность
фотослоя по отношению к рабочему источнику света.

В качестве примера на рис. 9.20 сопоставлены характеристики
негативной пленки КН-3 и аппроксимирующие графики, отвеча-
ющие уравнению (9.21) при = 0. Из рисунка следует, что рас-
четные и экспериментальные графики почти совпадают.

ро1ук’сИп1С8.ги


Рис. 9.20. Характеристики пленки КН 3 (сплоит
ные линии) и их аппроксимация (штриховые
линии):

I врем). 11|х»пм_1ения 16 мим (у0 = 23); 2 ьргм п проявле-
ния 4 мпв (у0 » 10); 3 — время проявления 2 мни (у0 - 7)

По аналогии с электронным накопителем можно ввести приме-
нительно к фотослою понятие характеристики накопления (по-
чернения), под которым подразумевается зависимость оптической
плотности 2) от времени (:

_ Дпвас

е-У),«(|П

(9.22)

где функция экспозиции Н(1) = | Е(1)сМ определяется световре-
0

менпой характеристикой устройства экспопировапия фотослоя Е(()
(электронного затвора, механического затвора, импульсной лам-
пы и пр.), В частности для импульсной лампы и импульсного
лазера функции освещсппости имеют вид:

Е(1) = Е^(е Р/

Е(() = ^ 1-сов—Д

2 I М

где Ар 0р р2 — коэффициенты аппроксимации; Ет — освещен
ность в максимуме излучения; (а — полное время экспонирования
(для импульсных ламп райпо времени, в точение которого функ-
ция Е(1) падает до уровня 0,05 Ет).

Переходную характеристику зоны смещения границы изобра-
жения в направлении се липеппого перемещения х определяют из
выражения (9.22) с учетом х -6С1/13, где 5е — величина зоны
смещения. Тогда
Лб(х) = 1-е-Ъ*<*’,	(9.23)

где функция Н(х) зависит от устройства экспонирования фото-
пленки.

ПХЧ зоны смещения, отвечающая формуле (9.23) и случаю
прямоугольной световременнбй характеристики устройства экспо-
нирования. т. с. условию Н(х) = Ех, имеет вид

1+е ,ЕГ' — 2е ' ‘ соясоб

ЩЦ 

дй((о) = Л\)

где Л'0 — нормирующий множитель.

В случае, если функция Н(х) имеет более сложный вид, для
расчета ПЧХ приходится применять численный метод интегриро-
вания [см. формулу (9.8)].

Особенности построения импульсных телевизионных систем
наблюдения за быстродвижущимися объектами

Импульсные телевизионные системы осуществляют преобразо-
вание изображений быстродвижущихся объектов в последователь-
ность неподвижных изображений, фиксирующих отдельные фазы
движения, предъявляемых зятем на достаточно длительное время
наблюдателю или вводимых в ЭВМ. В автоматических системах
это время должно быть согласовано с быстродействием машины.

На рис. 9.21 приведена обобщенная структурная схема им-
пульсной телевизионной системы, предназначенной для визуаль-
ного наблюдения за быстродвижущимися объектами и быстропро-

Рнс. 9 21 Обобщенная структурная схема импульсной телевизионной систе-
мы, предназначенная для визуального наблюдения за быетропротекающи-
ми процессами
текающими процессами. Одним из основных элементов этой схе-
мы является устройство экспонирования фотопреобразователя.
В качестве устройств экспонирования можно использовать раз-
личные электронные, электрооптические и механические затво-
ры 3. Последние, однако, не позволяют получать малое время эк-
спонирования, не допускают внешней синхронизации при широ-
ком изменении еп> частот и обладают рядом других эксплуатаци-
онных недостатков. Более удобны электрооптические затворы,
в качестве которых используются электронно-оптические преоб-
разователи, сочленяемые с передающей трубкой или ПЗС, жидко
кристаллические ячейки и др.

Суперкремниконы позволяют использовать в качестве элект-
ронного затвора секцию фотокатод—мишень. При этом на фото-
катод трубки или на специальный электрод, расположенный между
фотокатодом и мишенью, подаются прямоугольные импульсы на-
пряжения, регулирующие процесс отпирания и запирания фото-
тока и, следовательно, время накопления зарядов на мишени.
Режим электронного затвора можпо применить также в матрицах
ПЗС, для чего импульс напряжения, подаваемый в секцию накоп-
ления, следует уменьшить по времени по сравнению с длительно-
стью полукадра. Подобный режим рассмотрен в п. 9.1 с позиции
регулирования световой чувствительности передающей камеры. Од
нако применение режима электронного затвора в матрицах ПЗС
ограничено тем, что частота следования экспонирующих импуль-
сов должна всегда соответствовать частоте полукадров, а срез им
пульсов должен совпадать с началом обратного хода кадровой
развертки. Подобное требование часто входит в противоречие
с параметрами движения объекта (моментом его появления в поле
зрения камеры, частотой вращения и т. д.).

Экспонирование фотопреобразователя удобно осуществлять так-
же с помощью импульсных источников света (ИИО) — импульс-
ных ламп и лазеров, освещающих объект, что целесообразно и с
энергетической точки зрения для активных систем. Здесь следует
отметить, что современные передающие трубки способны рабо-
тать с предельно короткими световыми импульсами, излучаемы-
ми лазерами. Однако при этом существенное влияние приобрета-
ют посторонние источники света, воздействующие на объект в
паузах между рабочими экспонированиями (например, дневное ос-
вещение). Если в системе используется высокочувствительный фо-
топреобразователь, то даже незначительные посторонние засвет-
ки могут существенно ухудшить качество изображения. В этом
случае приходится применять затворное устройство как средство
устранения этих засветок. Следует отметить, что недостатком им-

। • Iельство «Политехника» ъууууу ро1у1есЬп1С8.ги
пульсных ист очников света является трудность* а порой и невоз-
можность изменения времени экспонирования при изменении ско-
рости перемещения объекта.

Использование импульсной засветки ПЗС, осуществляемой во
время обратного хода кадровой развертки, позволяет упростить
конструкцию матрицы, отказавшись от секции памяти. При этом
накопление зарядов в потенциальных ямах производится во вре-
мя обратного хода кадровой развертки, а вывод зарядов в выход-
ной регистр осуществляется во время прямого хода непосредственно
из секции накопления. Подобный режим работы позволяет также
использовать типовую матрицу, в которой обе секции выполняют
функцию секции накопления, что приводит к увеличению попе-
речной разрешающей способности телевизионного датчика.

Для визуализации наблюдаемого процесса необходимо предъяв
лять изображение каждой его фазы наблюдателю в течение доста-
точно длительного времени. Длительность воспроизведения изоб
ражения должна быть такой, чтобы наблюдатель мог осмыслить
полученную информацию и принять соответствующее решение.
Эта задача выполняется с помощью специального устройства ре-
гулируемой памяти (УРИ). Назначение устройства памяти заклю-
чается в хранении считанной с накопителя информации и много-
кратном генерировании видеосигнала с частотой, равной стандарт-
ной частоте кадров. Длительность хранения информации зависит
от частоты экспонирования передающей трубки или ПЗС, назна-
чения системы п ряда других факторов. В качестве устройств па
мяти можно использовать видеомагнитофоны, особенно если они
позволяют воспроизводить изображения с замедленной скоростью
вплоть до осуществления режима стоп кадра. Наиболее перспек-
тивными являются цифровые устройства памяти.

В составе телевизионной системы рассматриваемого назначе-
ния должно быть предусмотрено специальное устройство, осуще-
ствляющее выбор фазы быстропротекающего процесса, предназ-
наченной для очередной записи- Таким устройством является дат-
чик положения объекта в пространстве (ДНО), основанный на
фотоэлектрическом, магнитном или механическом, т. е. контакт-
ном, принципе действия. Датчик генерирует импульсы напряже-
ния в определенные моменты времени. Эти импульсы запускают
устройство экспонирования фотопреобразователя и через команд-
ный блок управляют устройством памяти. При необходимости
изменять частоту управляющих импульсов в широких пределах,
что диктуется обычно соответствующим изменением скорости пе-
ремещения объекта, наиболее удобно использовать фотоэлектри-
ческий датчик, оптически связанный с самим объектом. Управля-
210

сЬгнс5.ги
ющие импульсы легко могут быть задержаны на необходимое пре
мя, что позволяет плавно регулировать фиксируемое положение
объекта относительно некоторого опорного момента времени.

Помимо перечисленных на датчик положения объекта возлага-
ется дополнительная функция. Очевидно, что во время обратного
хода кадровой развертки любая матрица, имеющая секцию памя-
ти. должна быть по возможности защищена от светового воздей-
ствия, нарушающего процесс переноса зарядов из секции накоп-
ления в секцию памяти. С этой целью в ДПО помещается специ-
альная схема, назначение которой — запирание импульсов экспо
нирования матрицы, появляющихся во время обратного хода кад-
ровой развертки. Для этого на указанную схему защиты (схему
«Не») подаются кадровые гасящие импульсы КГИ.

Телевизионная система для регистрации номерных знаков
транспортных средств

Во многих странах получил распространение телевизионный
метод считывания номерных знаков движущегося автомобильно-
го и железнодорожного транспорта. При этом наряду с чисто ви-
зуальными системами, в которых получение информации и при-
нятие по ней решеппя целиком осуществляется оператором, при-
меняются и телевизионно-вычислительные системы, выполняю-
щие функции телевизионных автоматов и полуавтоматов. Эти
системы, снабженные вычислительными устройствами, решают
задачи обнаружения номерного знака, его опознавания, а ь необ-
ходимых случаях и определения штрафных санкций. Функции
оператора сводятся тогда только к фиксации конечного результа-
та и к наблюдению за общей обстановкой.

Телевизионная аппаратура позволяет осуществить регистрацию
померов железнодорожных вагонов, платформ, цистерн и локомо-
тивов при формировании и следовании поездов, а также автома-
шин, превышающих установленную скорость движения или въез-
жающих под запретительный знак. Решается задача выявления
автомашин, числящихся в угоне, контроля автомашин, выезжа-
ющих из гаража, и т. д.

Примером отечественной разработки является импульсная сис-
тема для контроля превышения скорости движения дорожного
транспорта [2]. Система построена на двух передающих камерах
(рис. 9.22, а, б). Передающая камера НК1 размещается па опре-
деленной высоте над контролируемым участком дороги с таким
расчетом, чтобы движение транспорта осуществлялось поперек на-
правления строчной развертки. Видеосигнал С этой камеры посту-
Рис. 9.22. ( труктурная гхе-ма телевизионного изме-
рителя скорости (а) и схема расположения пе-
редающих Камер (Л)

пает в блок выделения объекта Б ВО и на видеоконтрольное уст-
ройство ВКУ1, предназначенное для общего наблюдения за транс-
портным потоком. ВБВОс помощью двух стробирующих элемен
тов производится выделение видеосигналов со строк, соответству-
ющих изображению начала и конца контролируемого участка до-
роги длиной /. При пересечении транспортным средством указан
ного участка генерируются два импульсных сигнала, которые по-
ступают в блок контроля нарушении БКН. В этом блоке произво-
дится вычисление фактической скорости движения согласно алго
ритму о - 1/Д< (Д? — предварительно замеряемый интервал време-
ни между обоими сигналами) и производится сс сравнение с разре-
шенной скоростью, устанавливаемой в виде цифрового кода опе
ратором. В случае превышения скорости на выходе БКН появля-
ется сигнал нарушения* поступающий в формирователь управля
ющих импульсов ФУИ. Это устройство формирует задержанные
на необходимое время импульсы, предназначенные для спуска
фотозатвора, расположенного в передающей камере 11 А'2(длитель
ность затворного импульса 5 мс), запуска видеомагнитофона ВМ
и разрешения записи информативного кадра цифрового видеосиг-
нала. поступающего из аналог о цифрового преобразователя АЦП
в буферный блок памяти ББП. В этот блок поступает также до-
полнительная цифровая информация о месте установки аппарату-
ры, разрешенной скорости, времени нарушения и его порядковом
номере. Указанная информация записывается в течение первых
40 строк кадра. Преобразованный в аналоговую форму с помощью
цнфроанатогового преобразователя ЦА11 видеосигнал поступает
на видеомагнитофон и видеоконтрольное устройство ВКУ2. Поле
зрения камеры IIК2 устанавливается таким образом, чтобы в нем
фиксировался задний номер автомобиля-нарушителя.

К недостаткам рассмотренной системы относятся малые разме-
ры контролируемого участка движения, чтп диктуется, с одной
стороны, необходимостью в получении крупномасштабного и зоб
ражения номера с целью его уверенного распознавания, а с другой
стороны — страховкой от попадания в поле зрения камеры ПК2
одновременно двух или более транспортных средств, среди кото
рых нарушителем может быть только одно. Таким образом, при
многорядовом движении необходимо соответственно наращивать
аппаратуру, что приводит к ее существенному удорожанию в изго
товлении и эксплуатации.

На рис. 9.23 приведена структурная схема импульсной систе-
мы, рассчитанной на получение крупномасштабного изображения
номерного знака, находящегося на любом участке обозреваемого
пространства, что существенно упрощает и ускоряет опознавание
номера как оператором, так и ЭВМ, особенно при сложной фоно-
вой обстановке [18]. Это позволяет также применять более деше-
вые фотопреобразователи, не обладающие высокой разрешающей
способностью. В системе предусмотрена возможность записи сиг
нала на видеомагнитофон. При необходимости использования ЭВМ
(например, при опознавании автомашин, числящихся в угоне)
связь с ней осуществляется от видеоусилителя В У через ан алого
цифровой преобразователь АЦП.

Система состоит из следующих основных частей: передающей
камеры, выполненной на основе сочлененного фотопреобразовате-
ля, включающего в себя электронно-оптический преобразователь
ЭОП, выполняющий функцию электронно-оптического затвора, и
матрицу НЗС-М, и снабженной длиннофокусным объективом Оу;

1’льство «Попит
Визирная линия

Т-Мм******!

Рис. 9.23. Структурная схема системы со сканированием поля
зрения передающей камеры

селектора-обнаружителя номерного знака, выполненного на линейке
ПЗС Л и включающего в себя блок обработки сигнала УО; оптико
механическою сканирующего модуля с ♦ прыгающим» зеркалом 3;
блока управления БУ. Селектор-обнаружитель формирует с помо-
щью объектива Оч визирную линию, которая проецируется на все
полотно движения объектов в поперечном направлении. При пере-
сечении визирной линии объектом па выходе линейки образуется
сигнал, который после обработки, зависящей от заданного призна-
ка объекта (например, его ширины или цвета), формирует коорди-
натный импульс, который через блок управления воздействует па
поворотное зеркало сканирующего модуля ПМ, скачком развора-
чивающее зеркало, а вместе с ним и узкое поле зрения передающей
камеры (па рисупкс заштриховало) в направлении расположения
объекта. После этого открывается затворная секция ЭОП и проис-
ходит однократное экспонирование матрицы ПЗС М. Передающая
камера дополнительно снабжена устройством (на рисунке не пока
зано), позволяющим автоматически изменять коэффициент преоб-
разования ЭОП в зависимости от освещенности объекта путем из-
менения напряжения на микроканальной пластине.

Представляет интерес рассмотреть принцип построения импульс-
ной ТВ-системы, предназначенной для облегчения работы нодите
лей автотранспорта в сложных условиях наблюдения за дорогой,
и в первую очередь, при наличии дымки или тумана [14]. Прин-
цип действия системы аналогичен рассмотренной ранее лазерной
телевизионной системе с пространственным стробированием, ши-
роко используемой в подводном телевидении (см. рис. 9.14). Вме-
сте с тем очевидно, что параметры и элементарная база системы
для автотранспорта имеют существенные отличительные особен-
ности. В качестве источника облучения стробируемого участка
пространства используется импульсный полупроводниковый ла
зер, работающий на длине волны 850 нм с частотой 3 кГц, кото-
рая делится в специальном блоке до частоты полукадров 50 Гц.
Затвором служит ЭОП с микроканальной пластиной, на которую
подается отпирающий строб-импульс. Сочленение ОЭ11 с переда-
ющей камерой на ПЗС осуществляется через объектив.

В ТВ системе предусмотрено наличие двух лазеров с соответ
ствующими устройствами управления, которые обслуживают дать-
нюю и ближнюю зоны дороги («дальний* и «ближпий* свет).
Для дальней зоны длительность строб импульса составляет 10 мкс,
что соответствует стробируемому пространству глубиной 1.5 км.,
для ближней зоны — 0,1 мкс (глубина 15 м). Длительность излу-
чаемых импульсов равна длительности стробов. Дальность рабо
ты системы по ближней зоне составляет 10-15 м. по дальней зоне
200-500 м. Осветители располагаются рядом с фарами автомоби-
ля, а остальные устройства, включая малогабаритный монитор,
крепятся на голове водителя и весят 850 г. Изображение с экрана
монитора с помощью плоского зеркала проецируется в поле зре-
ния водителя.

•По 1и техник.» уулууу. ро1у1есЬпдс5.ги
ГЛАВА 10

РАСЧЕТ РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

10 1. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА

При разработке технического задания на проектирование теле-
визионной аппаратуры прикладного назначения и обоснования
технического предложения, являющегося начальным этапом про-
ектирования, необходимо рассмотреть реальность выполнения за-
данных технических условий или ограничить пределы их выпол-
нимости, а также представить исходные данные для эскизного
проектирования. В этих целях расчетным путем, являющимся
при всех обстоятельствах более быстрым и дешевым, чем поста-
новка эксперимента, определяется режим функционирования сис-
темы. Применительно к телевизионным системам наблюдения это
означает, что необходимо рассчитать условия обнаружения и опоз-
навания заданного объекта или группы объектов с учетом их раз-
меров, контраста, возможного освещения и пр. Это положение
одинаково применимо как к системам визуального наблюдения,
так и к автоматическим системам. Различие заключается в том,
что в первом случае получателем информации является глаз опе
ратора, а во втором — цифровой вычислитель, связанный с теле-
визионным датчиком через АЦП Отсюда вытекает и различие в
критериях обнаружения и опознавания. Вместе с тем в любом
случае следует исходить из того, что для обнаружения объекта
достаточно зарегистрировать его общие очертания, имеющие, как
правило, крупные размеры, а процесс опознавания связан с реги-
страцией не только крупных, но и мелких характерных деталей
объекта, размеры которых предполагаются априорно известными.

Расчет режима функционирования визуальной системы можно
вести, либо исходя из заданных или выбранных условий наблюде-
ния обстановки на экране кинескопа, которые в совокупности оп-
ределяют близкий к реальному пороговый контраст зрительного
анализатора Кпор, либо исходя из заданных параметров объекта
(его контраста, освещенности) и параметров рассеивающей среды.

В первом случае расчет ведется «от наблюдателя к объекту» и
преследует цель найти вначале энери^тическую и контрастную чув-
ствительности телевизионной системы, т. е. величины, обратные
минимальному входному контрасту Квх и минимальной освещен-
216

I	1 ।	.>11-	' ку ро!у 1есНтся. п ।
•кПО1>

Рис. 10.1. К расчету режима функционирования телевизионной системы

ности фотопреобразователя Еф от наиболее светлых участков на-
блюдаемого пространства, при которых система обеспечивает об-
наружение и опознавание объектов с заданной степенью вертят
ности. Затем на их основе осуществляется энергетический расчет,
который позволяет предъявить требования к необходимому и дос-
таточному контрасту самого объекта К и его освещенности Е.
Для активных систем определяется дополнительно необходимая
сила света осветителя I и его тип (рис. 10.1).

Во втором случае расчет ведется по схеме «от объекта к наблю-
дателю» с целью дать ответ на вопрос: может ли быть обнаружен
и опознан объект, т. е. превысит ли контраст его изображения на
экране кинескопа пороговое значение?

Режим функционирования автоматической телевизионной сис-
темы рассчитывается исходя из заданной вероятности правильного
обнаружения крупных и мелких деталей изображения объекта на
входе АЩ1 и соответствующего ему отношения сигнал/шум Ц»пор.

При расчете режима функционирования телевизионной системы
очень важно провести предварительное обоснование и анализ исход-
ных данных, вытекающих из условий работы оператора, а также
характеристик объекта и окружающей его среды. При этом задача
может быть поставлена следующим образом. В более простом случае
формулировка исходных данных осуществляется на основе некото-
рых усредненных показателей, известных из практики наблюдений
за подобного рода объектами. В другом случае, характерном, в част-
ности, при оптимизации результатов расчета, определенные исход-
ные данные, такие, например, как контраст или размеры объекта,
задаются в пределах, обусловленных назначением и условиями экс-
плуатации системы. Решение задачи при этом существенно услож-
няется и требует применения средств вычислительной техники.

аге |ьств<1 «Политехника» хм- и р»>1\ (есЬгнсз.ги
10.2 РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

И КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ

ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛЬНОГО ТИПА

Зрительный аппарат человека является замыкающим звеном в
цепи передачи информации большинства обзорно-поисковых те-
левизионных систем. Поэтому любой расчет параметров таких
систем должен проводиться с учетом свойств зрения. Приводимый
расчет строится на физическпх характеристиках глаза, лимити-
рующих обнаружительную способность системы. Исходными дан
ними для расчета являются: вероятность обнаружения объекта
на экране кинескопа минимальный угловой размер наблю-
даемого на экране объекта или его детали и; яркость адаптации
глаза оператора, зависящая от места расположения и освещенно-
сти видеоконтрольного устройства, Ьл; видимая яркость фона в
изображении на экране, устанавливаемая оператором в зависимо-
сти от общей обстановки наблюдения в; верхняя граница спек-
тра видеосигнала [, (нижняя граница спектра считается близкой
к нулю); период смены кадров Тк; период мельканий изображе-
ния на экране Тм, или скорость перемещения изображения объек-
та по экрану; параметры модуляционной и частотно-контрастной
характеристик кинескопа и светосигнальной и частотно контраст-
ной характеристик фотопреобрязователя.

Задача расчета — определить минимально необходимые значе-
ния сигнала от объекта и фона на выходе фотопреобразователя,
при которых обеспечивается обнаружение изображения объекта
на экране кинескопа с заданной вероятностью, а также требова-
ния к контрастной и энергетической чувствительности системы.

Предполагается, что видеотракт до модулятора кинескопа ли-
неен, а его амплитудно-частотная характеристика имеет квази-
прямоугольную форму.

Возможность обнаружения изображения объекта оператором
определяется контрастной чувствительностью его зрения (КЧЗ).
Напомним, что контрастная чувствительность зрения есть безраз-
мерная величина, обратная пороговому контрасту изображения
объекта при котором он обнаруживается оператором с веро-
ятностью Ро6я:

е = 1/^р.

В логарифмической шкале яркостей пороговый контраст со-
гласно формуле (1.4) равен 5 =	[1/(1 - 7Гпор)1.

Значение о сложным образом зависит от яркости адаптации
глаза оператора, яркости и угловых размеров изображения объек-
та, уровня шумов в изображении и т. д. Однако вследствие мало
го изменения значений влияющих факторов для реальных теле-
визионных изображений их можно считать взапмонезависимыми.
Тогда согласно формуле (1.5)

8 = «оГК

1=1

где б0 — пороговый контраст при нормальных условиях наблюде-
ния, 50 - 0,01 (см. п. 1.2); X, — нормированные функции, учиты
вающие изменения порогового контраста при отклонении условий
наблюдения от нормальных; п — число учитываемых факторов.

Функция /1(Р), учитывающая вероятность обнаружения объекта
на экране кинескопа, определяется формулой (1.6), а сама веро-
ятность обнаружения связана с временем обнаружения объекта
*об соотношением (1.7).

Нормированная функция /$(а) рассчитывается по формуле (1.8}
или соответствующему ей графику (см. рис. 1.6). При уточнении
углового размера изображения объекта или его детали на экране
кинескопа и следует учитывать минимально необходимое число
строк, приходящихся па воспроизводимое изображение, относи
тельные размеры объекта, размеры экрана кинескопа и расстоя-
ние от экрана до оператора, составляющее обычно четыре-пять
высот экрана.

Функция /3(т) учитывает инерционные свойства зрения, /3(г) -
= К/Кэ, где Кэ — эффективный контраст изображения объекта;
т — время предъявления объекта наблюдателю. При наблюдении
на экране кинескопа малоподвижных объектов время т по сравне-
нию со временем инерции зрения б относительно велико и можно
положить Л' =Л',. Тогда /3(т) = 1. В остальных случаях следует
руководствоваться рекомендациями, изложенными в пн. 1.1, 1.2.

Значение функции учитывающей соотношение между
средней яркостью изображения па экране кинескопа Ь и яркостью
адаптации 1и, находят по формуле (19) или графику, приведен
ному на рис. 1.7.

Значение функции /5(0), учитывающей влияние зашумленнос-
ти предъявляемого наблюдателю изображения на пороговый кон,
траст, определяется по формуле 110 или графику, изображенно-
му па рис. 1.8. Эффективное значение шумов в наблюдаемом изоб-
ражении опи предварительно находят по формуле

।.	। \1 и и. । п \. . • ро1у1есЬп1С8.ги

о.,, = 0,43у^,--,	(10.1)

м
где а — напряжение шума на модуляторе кинескопа, учиты-
вающее его частотно-контрастную характеристику; [7ф м — на-
пряжение сигнала на модуляторе кинескопа от фоновой засветки;
кш — коэффициент, учитывающий снижение видимой яркости
шумов вследствие их усреднения люминофором кинескопа и глаза
наблюдателя, к!а< 1; у — показатель нелинейной модуляционной
характеристики.

Определим неизвестные величины, входящие в формулу (10.1).
При использовании в качестве фотопреобразователя матричного
ПЗС приведенное к экрану кинескопа напряжение шумов [7 ц, 1
можно найти на основании расчета суммарного напряжения шу-
мов самого ПЗС и тепловых шумов встроенного усилителя [Уш
(п. 3.4). Если положить, что спектральная плотность этих шумов
приблизительно постоянна, а ЧКХ видеотракта имеет квазипря-
моугольную форму, то с учетом ЧКХ кинескопа

[7111,3 =[7|иД)5в /5|,

где 82 — площади под кривыми 1 и 2 на рис. 10.2 соответственно;
7 — ЧКХ видеотракта; 2 — ЧКХ кинескопа. аппрою импруемая
функцией (Л = охр | (2я//П)2] или кк (т) = ехр [ (т/те)2], где те —
количество твл, на котором ЧКХ спадает до значения 1/е 0,37.

Коэффициент /?ш можно определить по формуле

Г ас М	Г8

1	7 е о 2с «	с-201*'

* ' Тк (а,б-1)	Шч* 4 1- е-2«^	’

1-е 0	1-е

где функция затухания люминофора принята равной <р(О = е .

Нис. 10.2. Частотно-контры-тныг характери
стики видеотракта (/) и кинескопа (2)

И . ытечьство «Политехника» уууууу, ро1у1есЬп1С5.ги
Для значений Тв = 40 мс, 0= 0,05 с и вц = 80 1/с получаем
*и=0,21.

Напряжение сигнала на модуляторе кинескопа от фона, так же
как и от объекта, можно получить следующим образом. Видимая
яркость изображения объекта и фона с учетом функции затухания
зрительного восприятия и функции затухания люминофора [30]

т. Г т.н н-11

ЬП1е<* Н|й-е 0

4 =-------------------------

(«]д

4,
в)4 ’

(10.2)

где Ьт максимальная яркость свечения люминофора от полезно-
го сигнала на модуляторе (яркость «под лучом»); тв — время воз-
буждения люминофора, которым по причине его малости по срав-
нению с длительностью затухания и временем О можно пренебречь.

Средняя яркость изображения на экране кинескопа отличается
от видимой яркости тем, что в средней яркости не учитываются
инерционные свойства зрения, т. е.

1«4/е°Ли.	(Ю.З)

0

Решая совместно выражения (10.2) и (10 3), получаем

1 = 4(1-е’а,г ).	(Ю.4)

Выражение (10.4) позволяет по известным значениям види-
мых яркостей объекта Ьо в и фона а найти соответствующие
им средние яркости Ь,. и Ьф.

Поскольку известна модуляционная характеристика кинеско-
па, аппроксимируемая функцией Ь = 131// м. где 1/с м — сигнал,
приложенный к модулятору относительно точки запирания, то
можно пайти среднюю яркость свсчепия экрана с учетом шумовой
подсветки, являющейся результатом детектирования шума ки-
нескопом (см. п. 1,1). Эта яркость получается путем усреднения
мгновенной яркости Р((7Г м Ь м) (где (7[п м — мгповеппос
напряжение шума на модуляторе) по всем значениям (7Ш м. При
определенных допущениях [30] имеем

- —

—)(Ч'и+*)«‘ - Лг, (Ю.5)

где	= У-.ж / \/Ца.м» х =	•

ПЛ'8ЭШЦЭЭ]Л|Ои МММ •1’ЧЛПХЛШ11ОЦ--	<НС1А [ |
При у = 2 формула (10.5) преобразуется к виду

(10.6)

где Ф|ум) — интеграл вероятности.

Выражения (10.4)-(10.6) позволяют установить однозначную
связь между видимыми яркостями Ьо в и 7, в и соотвотствующи
ми значениями напряжения сигналов на модуляторе кинескопа
Го. м и ^гф. м ПРП известном среднеквадратическом значении на-
пряжения шумов (Уш.м. Для этой цели можно воспользоваться
также графиками к /(ум), приведенными на рис. 10.3.

Среднеквадратическое значение напряжения шума на модуля
торе кинескопа можно определить путем пересчета шума, дей-
ствующего на входе видеотракта, через его коэффициент усиления
Ко.

Нис. 10.3. Графики зависимостей относительно
го значения средней яркости экрана с |1 ,и.и1г
от отношения сигнал/шум ц/м на модуляторе ки-
нескопа
Для ПЗС в соответствии с принятыми ранее условиями

1/м,м = Кд V»1.	(10./)

Необходимое значение коэффициента усиления видеотракта мож-
но ориентировочно выбрать исходя из минимально допустимого
сигнала, генерируемого фотопреобразователем, и напряжения на
модуляторе кинескона, при котором обеспечиваются его нормаль-
ное функционирование (например, его разрешающая способность}
и требуемая средняя яркость.

После нахождения эффективного значения шума в наблюдае-
мом изображении согласно формуле (10.1) и вычисления функции
/гДа) по формуле (1.10) определяется значение 5.

Видимая яркость изображения объекта а будет равна: для
прямого контраста А,,в = Ьф в/105, для обратного контраста

в = Ьф ( 10й. Эти значения яркости следует рассматривать как
необходимую яркость мелких деталей опознаваемого объекта. За
тем уточняется яркость Ьо р для крупных деталей с учетом апер-
турных искажений, вносимых фотопреобразователем и кинеско-
пом (см. п. 2.2).

Если обозначить относительную глубипу модуляции яркости в
изображении объекта на экране кинескопа от одиночной мелкой
детали Мк, а относительную глубину модуляции выходного сиг-
нала фотопреобразователя Мф, то результирующая глубина моду-
ляции будет А/р = Л1кА/ф. В общем случае это значение будет
зависеть от конфигурации детали. Для ее ориентировочного опре-
деления можно воспользоваться результирующей продольной ТГКХ,
учитывающей ЧКХ кинескопа Кк(т) и фотопреобразователя с
объективом Кф(т), руководствуясь при этом следующими сообра-
жениями Если деталь имеет протяженность в поперечном на-
правлении не менее нескольких строк, то коэффициент Л1р будет
представлять собой ординату продольной ЧКХ, соответствующую
частоте штрихов т = (Зэ/«, где а — угловой размер наблюдаемой
детали в продольном направлении, С угол зрения вертикаль-
ного размера растра. Отметим, что Соответствующая частота ви-
деосигнала будет при этом равна / - т/2хс, где тс = 55 мкс
время прямого хода строчной развертки согласно существующему
стандарту. Если форма детали близка к квадрату, то значение Л1и
рекомендуется брать равным квадрату указанной ординаты.

Согласно рис. 10.4, а, значение Мр в случае прямого контрас-
та можно представить в виде

мр = (4 - 4)/(Лр - -^Р) = (Ди- - 4,-)/(Лр,- - С-к
а) 1	б> I

Рис. 10.4. К определению коэффициента модуляции яркости изоб-
ражения для прямого (а) И обратного (б) Контрастов объекта
с фоном

где 1 *р и I™' в — средняя и видимая яркости изображения объек-
та крупных размеров.

Принимая во внимание, что для прямого контраста К11Оу = СЦ, в -
— -^о. ь* ^'ф.в' получаем в  -7.ф В(1 ^'пор ^рИ- При Пр 1
имеем Ь р в - Ьо в. Очевидно, что яркость Ьр₽в будет положитель
ной только при условии А’ц.ф < Мр. При /Спор > Мр задача не
имеет смысла. Затем по полученному значению видимой яркости
объекта Ь„рв в рассмотренном порядке находят сигнал м.

Аналогично для обратного контраста (рис. 10.4, б):

Л/,, = (Д>. в - Др.в	- 1ф в);

=Л'"	Ч.<1-А..,)	’

при Л/р - 1

^„=^.,/(1 - *пор)-

Искомые напряжения сигналов от объекта и фона па выходе
фотопреобразователя определяют из соотношений:

Ф =	’ ^Ф<Ф = Ф *	

Таким образом, на выходе фотопреобразователя необходимо
обеспечить электрический контраст (контраст сигналов)

_ Уф. ф ~  ф

Ц>.ф

По расчетной или экспериментальной характеристике свет—
сигнал фотопреобразователя при входном контрасте Кьх - 1 нахо-

гиг ро1у1есЬп'1С8.ги
дятся значения освещенностей, отвечающих изображениям объекта
и фона. Если сигналу ф отвечает освещенность Е^ ф, а сигна
лу 17о ф — освещенность Е„ ф, то контрастная чувствительность
системы в заданных условиях будет определяться входным кон
трастом изображения (прямой контраст)

я энергетическая (световая) чувствительность — значением Еф.

На практике может встретиться случай, когда заданной явля-
ется не видимая яркость фона (объекта) на экране кинескопа,
а предельное значение освещенности Еф (или Ео) фотопреобразо-
вателя. лимитируемой обычно мощностью источников освещения
объекта, а также входной контраст, зависящий от действитель-
ного контраста объекта с фоном и среды распространения лучис-
той энергии. В этом варианте расчета необходимо установить факт
вероятности обнаружения объекта на экране кинескопа, которая
вытекает из условия <5 $ 6Д0П, где 6ДОП — пороговый контраст,
рассчитываемый по формуле (1.5).

Порядок расчета будет следующим.

1.	По заданному значению освещенности Еф ф (или Е„ ф) и
контрасту Ких на основании формулы (10.8) находят освещен
ность Ео ф (или Еф ф).

2.	По светосигнальной характеристике фотопреобразователя
определяют сигналы С/,, ф и Е’ф ф и затем — соответствующие
сигналы на модуляторе кинескопа (70 м и м. При этом значе-
ние коэффициента усиления видеотракта выбирается аналогично
предыдущему случаю.

_ 3. Согласно формуле (10.7). рассчитывают напряжение шумов
и затем — отношение сигнал/шум на модуляторе кинеско-
па 4*„. м и \|/ф. и-

4.	На основании формул (10.5) и (10. 4) определяют среднюю и
видимую яркости Е и Ев для объекта и фона с учетом апертурных
искажений, вносимых фотопреобразователем и кинескопом.

5.	По формуле (1.5) вычисляют значение 6Д0П.

6.	По видимым значениям яркостей объекта и фона рассчиты-
вают значение 5. При Еф в > Ео в (прямой контраст) имеем 5 =
= 1г Еф.в - 1г Е*1' ь, а при обратном контрасте 6= 1г Е- 1г Еф в.

7.	На основании сравнения значений <5ДОП и о делается вывод о
возможности обнаружения объекта.

В	копце расчета целесообразно определить время обнаружения
объекта. На основании формулы (1.7)

льство «Политехника» \у\уп ро(у1есЬтс8.ги
= и — к / 6,	,

1 ‘ю ,

где угол Р, — в градусах, а а — в угловых секундах.

Пороговый контраст КШ|. при этом вычисляют но формуле
=(1О5-1)/1О6.

В случае движения объекта наблюдения в приведенную мето-
дику расчета следует внести дополнения, связанные с необходи-
мостью учесть влияние скоростного смазывания изображения на
характеристики и параметры системы. Во-первых, с этой целью
результирующую ЧКХ системы необходимо дополнить сомножи-
телями ^(т):

К(щ) = Кя(щ)Кф(тЖ8(т).

При условии линейного накопления в фотонреобразователе,
характерного в первом приближении для ПЗС и малоинерцион-
пых видиконов в пределах рабочих участков их светосигпальпых
характеристик, имеем согласно формуле (9.12)

81П(пбц0

где = т '22.,; 5С — зона смещения изображения, образуемая за
время кадра Тк (или полукадра для матричных ПЗС). При линей-
ном перемещении объекта со скоростью она равна

б =	2, Тк й,

где Л — высота поля зрения объектива в плоскости объекта: 2в —
число активных строк разложения за время кадра.

Расчет частотных характеристик при нелинейном (в частно-
сти, экспоненциальном) накоплении частично рассмотрен в п. 9.1.

Очевидно, что за счет скоростного смазывапия изображения разре-
шающая способность системы, равно как и значение коэффициента
Л/р для заданного значения т, уменьшается по сравнению с тем.
когда скорость с’об^0. Если при -этом окажется, что значение коэфери
циентаЛГр станет меньше К Пир1 необходимо уменьшить время экспо-
нирования/, по сравнению с временем Тк, применив в телевизионном
датчике затвор, источпик импульсного освещения объекта или соче-
тание того и другого. Время экспонирования при этом должно быть
выбрано таким, чтобы зона смешения сократилась до значения

8Р =^2^/11,
при котором значение коэффициента Л/ станет больше КПО].

\ и >Е5(ИНХалИ1ГОЦ» ОШ '
Поскольку любое сложное изображение содержит не только
мелкие, но и крупные детали, необходимо время экспонирования
выбирать также с учетом ухудшения резкости границ этих дета-
лей, вызванного явлением скоростного смазывания. При линей-
ном накоплении согласно формуле (9.10) имеем

ЛЛх, । 1
0» 8^ и ,11

где Дхн — зона размытости переходной характеристики системы в
случае неподвижного изображения, Дхн = 1 два элемента; л0
допустимое относительное ухудшение резкости движущегося изоб-
ражения по сравнению с неподвижным, л0 0.8.

Окончательный выбор значения следует производить на осно-
ве анализа обоих рассмотренных критериев, т. е. с позиции ухуд-
шения воспроизведения мелких деталей и резкости изображения.

Вм-вторых, при переходе к импульсному режиму экспонирова-
ния фотопреобразователя его освещенность от фона А'ф и объек-
та Ео ф удобнее заменить на соответствующие экспозиции Яф ф
и Я, ф. Наиболее точно эти значения можно определить по им
пульсным характеристикам свет-сигнал, снятым для разных час-
тот экспонирования. При этом одновременно учитывается и спек-
тральный состав рабочего источника излучения. Однако ввиду от-
сутствия импульсных характеристик для разных типов фотопре-
образователей, снятых по рабочим источникам, можно в первом
приближении воспользоваться обычными характеристиками, сня
тыми по эталонному источнику типа А, считая, что вплоть до
времени экспонирования 1-2 мкс выполняется условие взаимоза-
местимости между освещенностью и временем ?э. Тогда для часто-
ты экспонирования 50 Гц (частота полукадров) ф = А’ф фТк;
Н* ф = Еп. При меньших значениях /э следует вводить по-
правочный коэффициент [41].

После нахождения указанным способом экспозиций НЛ по вы-
численным ранее токам или напряжениям сигналов на выходе
фотопреобразователя необходимо уточнить значения экспозиций
с учетом спектрального состава рабочего источника излучения
согласно формуле
со	оо

/ф^Л/ф®^
АО	0

ОС	со	’

|	|*	Ф*

О	0

к ,Кг-Р

11 . и те пч тбо «Политехника» ичууу ро1у1есНшс5.ги
где кр и ка — коэффициенты использования фотопреобразовате-
лем лучистого потока, создаваемого рабочим и эталонным источ-
никами соответственно; кг риКгэ — КПД глаза по рабочему и
эталонному источникам соответственно: Ф, — спектральная плот
ность излучения источника; — характеристика спектральной
чувствительности фотопрообразователя; о; — кривая видности глаза.

Входной контраст изображения, определяющий контрастную
чувствительность системы, будет равен

а световая чувствительность системы определяется величиной
"ф. *

Пример. Рассчитать контрастную и световую чувствительнос-
ти телевизионной системы, в которой применена матрица типа
ФПЗС1М.

Исходные данные для расчета: вероятность обнаружения изоб-
ражения объекта на экране кинескопа Роб = 0,85; минимальный
угловой размер изображения детали объекта а = 6'; угол зрения
вертикального размера растра 0Э - 20 ; яркость адаптации глаза
оператора Ья - 30 кд/м ’; видимая яркость фона в изображении на
экране в = 60 кд/м" (контраст прямой); разложение изображе-
ния стандартное; параметры характеристик кинескопа: 0=0,4,
у = 2. = 1000 твл.

1.	Определяем среднеквадратическое значение напряжения шума
на модуляторе кинескопа которое складывается из напря-
жения шума матрицы (Увд.ПЗС и теплового шума встроенного уси-
лителя	Если положить, что спектральная плотность всех

составляющих шума приблизительно постоянна, входная цепь не
вносит заметных частотных искажений ввиду малости входной
емкости встроенного полевого транзистора, а АЧХ усилителя близ-
ка к прямоугольной, то

Ц». м - изо ~ ^.п. > I- •

Шумы ПЗС складываются из нескольких составляющих, од-
нако основную роль играют шумы переноса зарядов:

= 1,6 мВ,

где е — заряд электрона; Свых — выходпая емкость матрицы.
Сьых = 0,1 пФ; — максимальное число трехфазных перено-
сов зарядового пакета, птах = 1100.

Шумы усилителя определяем по формуле:

= <4*тя ,4 =0,016 мВ,

11; |.не »».< 1вп	1Итехника- \\ и и ро1\ (.есЬгнсй.ги
где шумовое сопротивление полевого транзистора принято /?ш =
= 2,8 кОм, температура Т - 300 К.

Примем для расчета Ко = 500. Тогда -=0,8 В.

2.	Вычисляем напряжение сигнала от фона на модуляторе ки-
нескопа С/ф м при средней яркости изображения от фона

Ар - 1^,(1 -е'а1 ) - 60 кд/м2,

где - 80 1/с.

Пренебрегая влиянием детектирования шумов кинескопом, на-
ходим напряжение сигнала по формуле

= ^/Р = 12’5 В-

Таким образом, отношение сигнал/шум на модуляторе Тр =
= Ь'Ф.Л* =15,6.

3.	Определяем пороговый контраст 6 при значениях функции:

Л(Р) = 1,5; /ж(а) = 4,0; &(т)-1; Д(в.) = 1.

Для расчета функции/3(ст) предварительно находим эффектив-
ное значение шумов в изображении оПз при условии, что согласно
рис. 10.2

Уи.а - Ци<11(^/^) = 0,68 В,

где и 5>2 — площади под кривыми 1 и 2 соответственно.

Тогда получаем стяа = 0,01 и /3(0) ~ 1.

Окончательно б = 0,06 и, следовательно,

*оии «=(Ю&-1)/105 =0,13.

4.	Определяем видимую яркость изображения мелких деталей
объекта:

А,.. = ч я/106 = 53,3 кд/м2.

Определяем значение яркости для крупных деталей с учетом
апертурных искажений, вносимых матрицей и кинескопом, по их
продольным ЧКХ для т = Рэ/а = 200 твл. Из соответствующих
графиков имеем Мр-0,46 и тогда

=1ф..(1-Киэв/ЛА.) = 43 кд/м*.

5.	Находим среднее значение яркости изображения объекта:

А, =Д^,и(1-е_а Г ) = 43 кд/м2

< гьство «Поли е\ ника \у\\лу ро1у1есЬпяС$.ги
и затем — напряжение сигнала от объекта на модуляторе кине-
скопа

Ц».м «УД,/0 = 10,4 В.

6.	Определяем напряжение сигналов на выходе матрицы:

|р -У- и /	=21 мВ; 1/,|| ч / Ку = 25 мВ.

7.	По полученным значениям сигналов и вольтовой чувстви-
тельности матрицы ФПЗС1М на линейном рабочем участке свето-
сигнальной характеристики 5 - 20 мВ/лк находим соответству-
ющие значения освещенностей:

Яр.р =Ц.,,р/5 = 1,25 лк; = Уо,ф/« - 1.05 лк.

8.	Определяем контраст изображения на входе

^1 = (Др -р — Дг.«р)/р = 0,16.

9.	Контрастная и световая чувствительность системы:

г =1/Кях. =6,25; е0 =1/Д|,.ф =0.8 1/лк.

10.8. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

И КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ

АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

В автоматической системе процесс обнаружения объекта на ок-
ружающем фоне осуществляется не зрительным анализатором опе-
ратора на экране кинескопа, а пороговым устройством (компарато-
ром), входящим в состав аналогов»- цифрового преобразователя.
В задачу определения условий обнаружения, а затем и опознавания
объекта входит расчет энергетической и контрастной чувствительно-
стей системы, т. е. минимальных значений входной энергии (экспо-
зиции, освещенности) и входного контраста, при которых пороговое
устройство регистрирует объект с заданной вероятностью.

Расчет начинается с определения требуемого отношения сиг-
нал/шум на входе пороювого устройства V- ПРИ определении зна-
чения цг видеотракт можно считать линейным, а его полосу час-
тот близкой к полосе идеального фильтра нижних частот.
В общем случае ошибки за счет флуктуаций состоят из ложных
тревог и пропусков (рис. 10.5, а, б).

На рисунке обозначены: 17“ уровень сигнала от мелкой де-
тали объекта; — уровень сигнала от крупной детали объек-
та; (7ф — уровень сигнала от фона; 17п — пороговый уровень
230

11 . иге пчтво *По.'1ите\нпм«	ро1у1есИп1С5.ги
Риг. 1(1.5. Ошибки за счет флуктуации видеосигна
ла при обратном (а) и прямом (Л) контрастах изоб-
ражения:

1 — ложная тревога; 1 — пропуск; 3 — сигнал от мелкой
детали. 4 сигнал от кръ пноп детали

компаратора; С7Д динамический диапазон напряжений компа-
ратора.

Ложная тревога имеет место при превышении порогового уров-
ня флуктуации фона, и для ее характеристики используют отно-
шение сигнал-шум, определяемое по формуле

Уф = |^

где {7ш.вдц — среднеквадратическое значение шума на входе по-
рогового устройства.
Пропуск сигнала имеет место, когда из за флуктуаций сигнала
последний не достигает уровня (7П, тогда для характеристики про-
пуска используют величину

УО =|^С	•

При постоянстве уровня шумов в системе требуемое отношение
сигнал/шум находят по формуле

У = Уф +УО =	л ивр-

Если положить, что разность - 1’$, = ДУ равна одной града-
ции сигнала, которая может быть зафиксирована компаратором,
то оношение сигнал шум приобретает характер порогового значе-
ния (т. е. у = упор), достаточного для обнаружения не только
крупных, но и мелких деталей изображения. Допустимая вероят
ность ложной тревоги Рл т связана с величиной у соотношением
^.1 ₽0.б[1-Ф(уф)],

где Ф(.Уф) — интеграл вероятности.

Отсюда по заданному значению т можно найти требуемую
величину Уф. В частности, если доложить Рл т = 10 4, то получа-
ем Уф = 4.

Аналогично определяется вероятность пропуска

РжиСО,5[1-Ф(уо)],

Которая связана С вероятностью правильного обнаружения равен
ством Р г) = 1 - Рп о. Если положить Рп 0 - 0,95, то Р 1р = 0.05 и
Уо = 1.7-

Таким образом, требуемое пороговое отношение сигнал/ шум на
входе компаратора в рассмотренном примере упор = 4 + 1,7 = 5,7.

Рстпсппе задачи опознавания связано обычно с необходимос-
тью обнаруживать не только крупные, но и мелкие детали изоб-
ражения объекта. При этом вследствие частотных искажений,
имеющих место в объективе и фотопреобразователс (ЧКХ видео-
тракта можно считать близкой к прямоугольной), приходится
увеличивать отношение сигнал шум на входе компаратора от круп-
ных деталей до зпачеппя у > уп,1рт при котором обеспечивается
необходимая продольная разрешающая способность системы
(см. рис. 1.12, б). Найти требуемое значение у можно с помощью
ЧКХ фотопреобразователя с объективом, снятой для отношения
сигнал/шум утах, при котором становится предельной разреша-
ющая способность системы т1’.'р. и уровня отсчета Д = Упор/Ущах'
С этой целью па горизонтальной прямой Л (рис. 1.12, 6) находит-

Почитехника- \\\\\\ ро1г1есЬтс$.ги
ся точка, отвечающая требуемой разрешающей способности /нр(у),
и через нее с помощью стандартной ЧКХ, т. е. ЧКХ при ц/ = Штах,
пропорционально строится кривая, соответствующая требуемому
значению V- Значение у определяется затем по известному значе
ншо Утах-

Требуемая разрешающая способность может быть предваритель-
но найдена с помощью заданного минимального размера обнару
живаемой детали Д/ и горизонтального размера поля зрения объек-
тива а с учетом формата изображения Л'.,, (см. п. 2.2):

а п

где Р* — коэффициент, учитывающий число телевизионных ли-
ний, приходящихся па горизонтальный размер детали, необходи-
мых для ее обнаружения,	1,5 «-3,0.

Очевидно, что вместо отношения а/АГф в формулу можно под-
ставить вертикальный размер поля зрепия объектива. Найденное
значение гпр должно быть не более т “₽ и не более пространствен
ной частоты, ограниченной отношением т >тэ = 1, где т, — число
элементов матрицы в горизонтальном направлении, приведенное
к высоте растра, т. е. умноженное на 1/АГф.

В случае регистрации системой движущихся изображений в ЧКХ
телевизионного датчика следует ввести сомножитель К^т), учи-
тывающий явление скоростного смазывания (см. п. 9.4)

Определение энергетической и контрастной чувствительностей
автоматической цифровой системы рекомендуется производить,
исходя из динамического диапазона входных напряжений т'-раз-
рядного АЦП Цд, предельной чувствительности его компаратора
М), равной Дб/ =	— 1), и требований к количеству кодиру-

емых градаций сигнала п.

Согласно рис. 10.5, а, б, сигнал от любых крупных детален
опознаваемого объекта 17 *р, сигнал от его наименьшей детали (7 “
и сигнал от окружающего фона Ь'ф должны находиться внутри
диапазона 17д, как правило ограниченного снизу уровнем шумов
на входе компаратора Ь’ш пор. Если в поле зрения оптической
системы находятся ряд объектов различной яркости, то соответ-
ствующие им сигналы также должны находиться в рамках дина-
мического диапазона.

Предположим, что яркость объекта превышает яркость фона,
т. е. имеет место обратный контраст. Тогда, чтобы закодировать
минимальную разность сигналов I) * - б/ф, необходимо выполнить
условие срабатывания компаратора - Уф = \|/пор1Ли.пар >ДЦ.

во «Политехника» \у\\ \у ро1уЬесЪгис5.ги
Соответственно для крупных деталей объекта I/*р - 17 ф у 1}х.-^ц>.
Выбор напряжения сигнала от фона зависит от требований к
использованию динамического диапазона АЦП, которые связаны с
передачей изображения всех объектов, и может быть осуществлен
выбором некоторого коэффициента ри < 1, причем Г7ф = 17д( 1 - р0).
Если использовать предельное условие срабатывания компарато-
ра, при котором кодируется максимальное число градаций сигна-
ла, то допустимое среднеквадратическое напряжение шума на его
входе

Ум = Ц, ~ Уф |	|Щ1 ~ Ф|Р  »

а напряжения сигналов от крупных и мелких деталей объекта
для случая обратного контраста составят:

Ц^' =Ц, +ч/Ц,„|1111Р = Уа(1 - а) + д^аи/'и.«р;

= Ув(1 - Р.) + ДУ.

Коэффициент усиления видеотракта для ПЗС Ко = У ш. т*о / 17щ,
где (Ли — шумовое напряжение матрицы- Приведенные соотноше-
ния наряду со светосигнальной характеристикой фотопреобразо-
вателя позволяют определить энергетическую и контрастную чув-
ствительность системы.

Примеры. Определим прежде всего энергетическую и контраст-
ную чувствительности системы для случая максимального числа
градаций сигнала на входе компаратора при следующих услови-
ях: фотопреобразоваТеЛь — Матричный ПЗС с вольтовой чувстви-
тельностью 8 = 40 мВ/лк: ч/-20; Щпор= 5,7; Ци» = 1,6 мВ; 17д = 2 В;
т‘ = 6; контраст обратный

1.	Находим предельную чувствительность компаратора АЦП
ДЦ «Пд/(2"'-1) = О,О31В.

2.	Выбираем Ро-0,5 и находим напряжение сигнала от фона
на входе АЦП;

У|. = 17а(1-д,) = 1,0 В.

3.	Определяем допустимое напряжение шумов па входе АЦП:

(7еи.-ор -Д1//1Щ,,. -5,5 мВ.

4.	Определяем напряжения сигналов от крупных и мелких де-
талей объекта:

У"н = Уф + Ч/У- «н =1Л1 В;

• По’1ите\ник > и'игю ро1у1есЬтсз.ги
1% = Ц. + ^р^и.-ое = 1.032 В.

5.	Находим требуемый коэффициент усиления видеотракта:

К, =!/«.. пор/й« =3,5.

6.	Рассчитаем напряжения сигналов па выходе ПЗС:

^о₽Ф =^оИ/Ло =0,316 В;

Ц..4, = Уф/к, •0,285 В.

7.	Рассчитаем входной контраст, определяющий контрастную
чувствительность системы, равный для 113С контрасту сигналов:

-^ф.ф)/С^ф =0,1.

8.	Освещенность на входе ПЗС, определяющая световую чув
етвительноеть системы, будет равна

3, =	/8 = 8 лк.

Как видно из расчета, освещенность Еа оказалась настолько
высокой, что выходит за пределы рабочего участка светосигналь-
ной характеристики ПЗС, обычно ограничиваемого 3-5 лк. Умень-
шить значение Ео можно двумя способами. Первый связан с уве-
личением значения коэффициента использования динамического
диапазона р0, что позволяет понизить уровень как сигнала от
фона, так и сигналов от крупных и мелких деталей объекта на
входе компаратора АЦП. Второй способ предусматривает повы-
шение коэффициента усиления Ко, что, однако, приводит к уве
личению шума П.«,яор и соответствующему снижению реальной
чувствительности АЦП, т. е. уменьшению количества кодируемых
градаций сигнала, так как при этом оказывается |С/* - Оф = Д1/.
В обоих случаях происходит обмен между энергетической и контра-
стной чуветвптельностями системы. В частности, приняв ро = 0,9,
чему соответствует 1/ф = 0,2 В и У]® = 0,31 В, получаем при
прочих прежних условиях Ео - 2,2 лк, КЙЛ = 0,36.

Решим поставленную задачу, выбрав ро = 0,9 и К0- 10. В этом
случае получим следующие результаты. Напряжение сигнала от
фона Цф= Цд(1 _ Рп) - 200 мВ. Напряжение шума на входе АЦП
Пч.члр = V <-К.г = 16 мВ. Напряжение сигналов от мелкой и
крупной деталей:	= Цр + щ,,, СЛа.иир = 291,2 мВ; 1/и = Ц|,+

+ уПы.1ШР = 520 мВ.

Соответствующие напряжения на выходе матрицы Ц“ф= 29 мВ:
= 52 мВ; 1/ф. ф - 20 мВ. Освещенность матрицы от объекта

гво «Политехника» ро1у1есЬп1С5.ги
Ео =	1,3 лк, контраст входного изображения Квх - (СкРф _

Для реализации этого режима работы необходимо устано-
вить пороговое напряжение на компараторе АЦП, равное
6’ = С'р + ц/ф17ш ч- = 264 мВ (здесь в соответствии с ранее най-
денным значением Фй, = 4), Число кодируемых градаций сигнала
можно рассчитать по формуле

» = (Ч?‘	яэр) “ 4.

Для увеличения числа градаций необходимо увеличить напря-
жение С7’:р. В предельном случае (7*р = получаем п = 20, что,
однако, требует увеличения освещенности матрицы до значения
Ео = 5 лк.

Рассмотрим теперь особенности расчета энергетической и кон-
трастной чувствительностей системы при прямом контрасте изобра-
жения. т. е. когда Е^> Ео. Этот случай иллюстрирован рис. 10.5, б,
из которого, в частности, следует, что использование динамиче-
ского диапазона компаратора АЦП можно охарактеризовать урав-
нением 17оР= Цд(1 _ где по-прежнему р0 < 1. Основные рас-
четные соотношения принимают следующий вид Напряжение шума
на входе АЦП V а{, = I/,, К„, причем при расчете на максимум
воспроизводимых градаций сигнала >1ВП, = ДЪ’ ’Удд,. Напряже-
ние сигнала от фона У р = С'. 1 + 0,„>аор, а напряжение сигнала от
мелкой детали объекта (/" = Цр - упор Сга юр 5 ДП.

Число кодируемых градаций сигнала п = {I?,, -	) I (Ли. • ),

причем их максимальное количество получается при Ц; ' = Ц^пор
и Цф= Ид- Напряжения на выходе фотопреобразователя и конеч-
ные результаты определяют аналогично рассмотренному случаю
обратного контраста.

В качестве примера определим необходимую освещенность на
входе матрицы Еф и входной контраст Кях при ранее заданных
параметрах и значениях ро~ 0,9, Кп = 10:

= Ц. (1 - д,) = 200 мВ;	= 16 мВ;

Пф =	+ Ф^п.шр = 520 мВ; V? = Цр - фИ0(1	= 428,8 мВ;

= У?* /1^, = 20 мВ; У*]г = Ц? / К, = 43 .мВ;

Ср.р = Цр/Кл я 52 мВ; У, = Ч/фС/де.сир +	=584 мВ;

гво «Политехника» и'тлгот. ро1у1есЬгйс5 ги
• (У,млр^'“.“чр) = 4; Др »«1,3 лк;
к» =(^-^)/Ц»,Ф=о.б.

Таким образом, результаты расчета энергетической и контраст-
ной чувствитсльпостей при прямом и обратном контрасте изобра-
жения одинаковы, за исключением порогового напряжения АЦП.
Результаты расчетов показывают также, что путем изменения зна-
чения коэффициента усиления нидсотракта можно осуществлять
обменные операции между энергетической (световой) и контраст-
ной чувствительности ми и числом передаваемых градаций сигнала.

10.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ

ПРИ НАБЛЮДЕНИИ В АТМОСФЕРЕ

Задачей энергетического расчета является определение необхо-
димой яркости пли освещенности объекта, при которой обсспечп
вается требуемая энергетическая чувствительность системы, а так
же определение его контраста, при котором обеспечивается кон-
трастная чувствительность системы (КЧС). Ели контраст объекта
с окружающим фоном задан, то проводится проверка его доста^
точности с точки зрения КЧС и с учетом рассеивающих свойств
среды. На основании энергетического расчета определяется пеоб
ходимая мощность источников освещения объекта при работе си
стемы в активном режиме или длительность светового дня при ее
работе в пассивном режиме.

Если диффузно и непрерывна । во времени отражающий объект
конечных размеров занимает произвольно расположенную часть
углового поля выбраппой оптической системы, то освещеппость в
изображении объекта или фона на фотопреобразователе Еф связа-
на с искомой освещенностью Е соотношением

Е Ер

4(1 + Р)"

г^Рэ^соа' |3(Д7')г

(10.9)

Политехника» и'иги ро1у1есНп1С8.ги

где т интегральное значение коэффициента пропускания атмос-
феры; т0 — интегральное значение коэффициента пропускания
оптической системы при {5 = 0; р0 — интегральный коэффициент
отражения объекта или фона; Ац коэффициент виньетирования
оптической системы, зависящий от ее конструкции; 0 — угол
между осью оптической системы и направлением на объект; V—
линейное увеличение оптической системы, равное отношению зад-
него отрезка к расстоянию от объекта до передающей камеры;
I) — диаметр входного зрачка; Г — фокусное расстояние.

Для объектов, расположенных близко к оптической оси объек-
тива, а также для объективов с углами зрения не более 2В0 =
= 20^25 зависимость освещенности Е от угла 0 оказывается несу-
щественной.

Формула (10.9) может быть непосредственно использована в
случае естественного освещения объекта, зависящего от времени
года я суток. Эту зависимость можно, в частности, определить из
кривых, построенных для горизонтальной освещенности на по-
верхности земли по данным В. В. Шаронова для 15-го числа каж-
дого месяца на шпроте бСН и безоблачного неба (рис. 10.6 —
Земля без снегового покрова, рис 10.7 — Земля со снеговым по-
кровом) [59^

П1 9Э1ПЦ.

Рис. 10.6. Кривые зависимости освещенности земной поверх-
ности без снегового покрова от времени сучок
Рис, 10.7. Кривые зависимости освещенности земной поверх-
ности со снеговым покровом от времени суток

При наличии источника искусственной подсветки расчет его
силы света I будет помимо прочего зависеть от взаимного распо-
ложения источника излучения и объектива передающей камеры.
На практике можно встретить несколько моделей такого располо-
жения. В дальнейшем будут рассматриваться две из них. Первая
модель (рис. 10.8) характеризуется параллельным расположены
см центральных осей объектива О и излучателя И, находящихся
на одном уровне. Ее целесообразно применять при относительно
небольших базовых расстояниях Ь, так как в противном случае
часть поля зрения объектива может оказаться вне действия ис-
точника света. Для второй модели (рис. 10.9) базовое расстояние
связано с углом наклона оси излучателя соотношением

V = агс(р (&/&)•

В обоих случаях предполагается, что объект наблюдения рас-
полагается в точке А, паходятпейся па общей горизонтальной осп
ь

Рие. 10,8. Схема взаимного располо-
жения источника освещения И и
объектива О с параллельным распо-
ложением центральных осей

Рис. 10.9 Схема взаимного расположе-
ния источника осш'Щенпя И и объек-
тива О с наклонным расположением
оси излучателя

поля зрения объектива и раствора светового пучка, т. с. азиму-
тальные углы этой точки равны нулю. Взаимосвязь между углами
[Зии (а — угол между осью излучателя и направлением на объект)
устанавливается следующими формулами:

к рис. 10.8 с учетом того, что - й/соз а, —

Р = агс1₽ (йгг « ~Ь)/Л ; а = аге!# | (Лт< [3 + й)/й ;

к рис. 10.9 с учетом того, что = й/соз (а + чо,

Ь
й

р = агс1к

& / Л + а

1 -{й/йИ^а

. Л Р
а = агс1е---------------г-

Ь' + ййхй [3 + й ’

При работе с источником подсветки, создающим в нормальном
направлении силу света I, освещенность объекта и фона для обе
их моделей приближенно раппа

Е = 7соя а/# ,
где — расстояние от источника света до объекта.

Тогда формула (10.9) принимает вид:

1 = Д|.

во «Политехника» ичуш. ро1у(есЬп1С5.ги

________4/^(1 •» У)1_____
гП|Рийр соя' [ЗсояаСР//")'

(10.10)

Расчет силы света следует производить для точки А, располо-
женной на краю поля зрения объектива, т. е. приР = 6о, и макси-
мальном значении расстояния /р зависящим от угла а, который
предварительно следует выразить через угол |3. Угол рассеяния
светового пучка 2(Хр необходимо выбирать таким образом, чтобы
он обеспечивал перекрытие поля зрения объектива не менее чем
на 10-15 %.

Определение интегральных значений коэффициентов отраже-
ния объекта (фона) р и пропускания оптической системы то осу
ществляется методом графического интегрирования по формулам:

/ф;.^хМл

, о	. _ о

> - --------> I - -----------•

с»	''со

О	о

где Ф^ — спектральная плотность излучения источника; »; —
спектральная характеристика фотопреобразователя; спект-
ральный коэффициент отражения; т0^ — спектральный коэффи-
циент пропускания оптической системы.

Для определения значений коэффициентов р и то необходимо
располагать спектральной характеристикой источника освещения
объекта. Естественное дневное освещение отличается приблизи-
тельным постоянством спектральной характеристики в интервале
от 450 до 550 нм. На краях видимого диапазона волн спад харак-
теристики достигает 50 % от максимального значения в центре.
Параметры и характеристики искусственных источников освеще-
ния, к которым относятся лампы накаливания, светодиоды, газо-
разрядные лампы и лазеры, приводятся в справочной литературе.

Спектральные характеристики отражения объектов и фонов,
встречающиеся на практике, отличаются большим разнообрази-
ем. В частности, спектральные характеристики различных при-
родных образований приведены в работе [31]. Учитывая, однако,
сложность в определении спектральных характеристик многих
естественных и искусственных объектов и фонов, можно при рас-
четах пользоваться ориентировочными значениями их коэффпци
ентов отражения (табл. 10.1).

При работе телевизионных систем на открытом воздухе необ-
ходимо принимать во внимание влияние поглощающих и рассеи-
вающих свойств атмосферы на передачу лучистой энергии. Ослаб-
ление лучистого потока однородным атмосферным слоем толщи-
ной I можно определить на основании закона Бугера:

тх=еЧ	(Ю-11)

где Т) — спектральный коэффициент прозрачности (коэффициент
пропускания) атмосферы; — спектральный показатель ослаб-

11. юге (мтво По штехника и е. . • ро1у1есЬгпС8.ги
			
			
	Дяи-г-в-		^иге-11«-
	п44^11ф1**1>		
			
			
-	  		.				
Леи-	ЦОГ-0,09	|».1я хсмаакв	0 1>< 0 20
ЛуС; сияв.	0,10	« СК313ЫС	0.30 0,50
Зкгвш гулки	0,14	«1-м '[в г-ъкплл	0,10-0,20
Ж?.4ШЛ 1ЛНЙ1	0.22	» аазсвд	0,30 ОТО
Куыцвши.	0,08-0,12	Нугувон цЫЗтишм	0,10
Влям пиале» ядо1>	0,04 0.12	1'жпгч	0,23
Плик	0,11-0,СП	Мок»	0,0
	о.вз	Циозааавыа  1саи	0 Ц0 0.30
11сн мв. оу г амтапасзтм	0,18	Тпя иивжа! акяшмВ	0,3
Лсригп пгггпхапа, -ухм	0,20	Чп-^пи	Й01 0 04
Ш	оужаа	И,4И	'('афпфаквп мртакп.	О,йН 0,001
Шииис мак.,«ю	0.11	Краскк 1икссам1 Оси*»	о гь
А - |к> 1>->	0,9» 0.16	Кодю* я *ипал 1ЧИМ	0,12
БсТШП	0.10-0.03	Бхжют вс ж»	0 30-0,80
Кцшн	0.10 0.15	Бархи ясрааа	0.01 0,03
1111 экимз ИКП шс>илхли<Пж	0,10-0,46	г белы*	0,И)-0-30
Крыим. толп ам мчи-амв	0,13	ПЬзк КГЯГЕкСПМП	0-25 0.33
Илк VIIим. гапымВ	0,10	ЛфИКАСЖ СЖТТМВ	0 Зл-О,Зл
1 лсллиг ит? -к с -вял	0.10 0.1Ь	Цизиг Ч и !> ЭС	0 Ж» 0.1э
Кит» шацп. гшавмкв	0,21-0,318	Кглт» (ишшкха) мфам>	9 аз 0,018

Ленин лучистого потока атмосферой, отнесенный к единице
длины.

Аналогично формуле (10Л1) может быть записано выражение
для интегрального значения коэффициента пропускания атмосферы:

Логарифмируя это выражение, получим значение показателя
ослабления: ( - 1п т', гдст7 — коэффициент пропускания атмосфе-
ры на единицу длины (км), называемый также удельной прозрач
ностыо атмосферы Значения Xх > 0,823 соответствуют хорошей
видимости, т' = 0,02 е-0,823 — дымке и т' < 0,02 — туману [3].

Так же как и водная среда, атмосфера ухудшает контраст пе-
редаваемого изображения, что является следствием ее рассеива-
ющих свойств. При этом контраст крупных деталей объекта па
входе телевизионного датчика оказывается равным (см. и. 9.1)

11 • [ательство «Политехника» и'иллг ро1у(есНпк5,ги
=----------,	(10.12)

1 + (ш,'р)(е* -1)

где К — действительный контраст объекта с фоном; и> — коэффи-
циент погоды, зависящий от высоты Солнца и других условий
наблюдения; р — коэффициент отражения объекта или фона (боль
шее значение).

Значения коэффициента погоды и* приведены в табл. 10.2, 10.3
[59]. При пасмурной погоде значение и> не зависит от азимута и
высоты Солнца и будет практически одинаковым днем, в сумер-
ки, при лунном свете и в темную ночь. В лунную безоблачную
ночь значение и- зависит от азимута и высоты Луны так же, как
от азимута и высоты Солнца днем.

При определении входного контраста мелких деталей изобра-
жения объекта в формуле (10.12) необходимо учитывать ЧКХ
атмосферы.

Найденное по формуле (10.10) значение силы света источника
искусственного освещения объекта 1 позволяет рассчитать необ-
ходимую мощность Р, подводимую к этому источнику. Если теле-
сный угол, в котором излучается энергия, равен

0) = 2я(1-собОр),	(10.13)

то мощность излучения (световой поток) будет равна Ф = 7со, лм.

Телесный угол, в свою очередь, связан с требуемым для его
обеспечения коэффициентом усиления оптической системы излу-
чателя коа формулой

Ш = 4л/^.	(10.14}

Энергетический поток излучения рассчитывают по формуле [26]
я, /(ок’

ф" <1015>

=2

где кг = 2,1 3 • 10 — коэффициент полезного действия глаза для
эталонного источника типа А; кэ и кр коэффициенты использо-
вания приемником лучистого потока эталонного и рабочего ис-
точников излучения соответственно.

Значения коэффициентов находят из выражения

ои

{ф>Л^

К = Ъ------•	(10-16)

[ФЛ(/А
п
244

ййёб&^Й6ё

ЙЙ=Е&^8Ё^

м

8Л (Ж	ЧЭ

<и	йг	—





гч м >*

а Г-1 -Ы СМ

V гч а

л

Л СК
- «и

ссооса — м-гдл
« г е а 2 8 й к а Ь



-	с*	а	о	гч	х а с®	ос	е

V	«Г	СТ	сг	и	Сам	**••	«л

СИ

к

& ’С гч

* 5



;
в

Г й



и	м	и	—	«ь	V

дс	дс	с	—	с	*-

Г-1 &Р •*

С®	О	а	-I	С	4-	м	и

с я	а	дс	«	ь»	с	ос	Р

1ч;

с о о с с с а				— мы	
ч	а а з &	гч 4»		Ш	К  См *□ в- и	ъ н
о	о а о с	С	—		 _	ьз
“о	<& р-1 »М Г-4	р-1	с	ы Ьс	ы

ГС УО

е

в

С ССССОС — - —

•		<"	—	-	— К ИНН

к й г й М а г й

8 Й8ЙЬ0 8 & Н 3

26'0	10'1	СМ  гяо	Ю1	см  еГо	й?!о	он  «Го	₽о'о	ел  05>‘0	Ю1	001  ЙП‘|	С7>|	ЙЫ  ЯР 1	и‘1	оя  е«'г	гя'г	от  21'1	к'®	ог	э  «  а"  и и С-	а В & В *  Е  а &
соссос — Г4 и И	М	!•	М	М	М	~	М	«  йй&екавйгь	4*  а	
с	о	с,	с	о	с	-	-	к  &1)	Ы	6>	СТ	4"	Г-Л	Й-	ЙЙ	16-  дй	е	и	еч	и<	с	С	ОТ	гч  ссссэсс - — И	МЫЫ	МММ	М	М	4  Вёйа&&ккг  осооосс^^  4. •- % 4* 4* V 'я-4 -	**.  *-«м«^-ссаа	Й Кэ 4*  М к ы  а «Г	
сссссссс —  Й И « И « С К 8 8	к ст	

К	»	••	—	«*М<	

к	к	м	к	сч	+

V	О	V	V	V	О

»

«л

ям^^ссго^мы

Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я
К (Ч К & Й И * V И <4
X до « С Ы V > И V 1Ы «

№4

5 8 Е?

м

ГЧ, М См

ьз м к ы

4* ЙГ

ттИ" 'етичго	ЕАМГф
ь.  О  к-  4  к 0  к о  В1 с.'  «  Г  вй да	Г 0 Я  с В   п 1

ТАБЛИЦА 10.2

Издательство «Политехника» и'игиг, ро1у1ес!лт’с5.ги
ТАБЛИЦА 10.3

	Л жги	Зга.
	0,®	0 94
ЦуЮТрКИ	о,ю	о,иа
Лувваа вень	0, 5в	0,90
Ьга.1,тата  « ъ	0Д1	0 97
Ьпкл тчпал «1С«.	о, а»	1,02

Пив   яш   - Д|м»ив1	(ЬшбкшгтяА >?*! !^Ш1И«ИМ

да» г — л,1—лВ нпяо* Ы&авлжпэхж 'ЗЬл «явш и аммгтпка вяжа.

Мощность, подводимая к источнику освещения, равна Р = Ф/а,
где а — световая отдача источника излучажмя, лм/Вт.

Пример, произвести энергетический расчет системы наблюде-
ния 31» поверхностью океана с целью обнаружения нефтяных заг-
рязнений в условиях хорошей видимости.

Исходные данные: освещенность фотопреобразователя, необ
ходимая для обнаружения объектаЕо ф = 1 лк; коэффициент про-
пускания оптической системы т0 0,9; коэффициент виньетиро-
вания йр= 1; угол поля зрения объектива 2бй - 40 ; относительное
отверстие объектива Д/Л - 0,5; высота полета носителя й = 5км;
коэффициент отражения от пефтяпой пленки р0 = 0,04, от мор-
ской поверхности — рф - 0,02.

1.	Определяем значение коэффициента пропускания атмосфе-
ры, полагая, что х' = 0,85. Поскольку показатель ослабления при
этом равен Е — -1н (0,85) - 0,16, то коэффициент пропускания на
краю поля зрения составит т = ехр (-ей/сов 0о) - 0,43,

2.	По формуле (10.9) паходим требуемую освещенность объек-
та (нефтяной пленки) на краю объектива, т. е. при Р - 0о - 20 :

4(1 4 у/

I = Ел.----к — —------=- = 1330 лк.

тт р соь р(П/Л

3.	Определяем действительный контраст объекта с фоном:

К =(Ро-В1.)/(Ъ = 0,5.

4.	Определяем контраст изображения на входе фотопреобразо
вателя с учетом рассеивающих свойств атмосферы:

К„ =----------—---------= 0,06.

№ 1.(«-Ме' "* -1)

При расчете значение коэффициент а погоды принято равным
и1 = 0,26, что отвечает летнему безоблачному небу при азимуте
120 180 и высоте Солнца 50 .

Издательство «Политехника» хушуу ро1у(есЬп1С5.ги
Таким образам, контрастная чувствительность системы, необ
ходимая для обнаружения нефтяной пленки, должна составить
ес = 1/0,06 = 17.

Пример. Произнести энергетический расчет системы наблюде
ния за погрузочно-разгрузочными работами на товарной железно-
дорожной станции в ночное время.

Исходные данные: необходимая освещенность фотопреобразова-
теля от объекта (контраст обратный) ф = 0,1 лк; среднее значе-
ние коэффициента отражения объектов р0 = 0,03, фона рф = 0,15;
параметры объектива 28О = 30 , то = 0.92,1)//" - 0.3: максималь-
ное расстояние до плоскости наблюдения й = 20 м; коэффициент
погоды и> = 0,97 (зимняя безлунная ночь); коэффициент пропус-
кания атмосферы т' = 0.45 (легкая дымка); базовое расстояние
между передающей камерой и наклонно расположенным источни-
ком света Ь = 2 м.

1.	Определяем угол наклона излучателя ф и угол а для объекта,
расположенного на краю поля зрения объектива, т. е, при 0 = 0о:

Ф = агс({? (Ь / Л) = 6й;

2
а = агс1§ — — ^-5 - — г = 15 '.

Ь~ + йй 0^ + Л-

Угол раствора светового пучка с учетом 20% пого запаса при-
мем 2ар - ЗЬ .

2.	Определяем значение коэффициента пропускания атмосферы
для расстояния (I = й/соа 0о I й/соя (а I ф) = 42,3 м: т =
= ехр [-Е (/ +	0,97, где е - -1п т' = 0.8.

3.	Вычисляем необходимую силу света источника, обеспечива-
тощую требуемую освещенность фотопрсобразоватсля на краю поля
зрения объектива:

4(1 + У)~ Го соа(а + ф)г

I = В,	= 8900 кд.

ттпРл^1 с°5 рсояа(Р / )"

При расчете принято V = 0 и йр- 1.

4.	Определяем световой поток, создаваемый источником осве-
щения в телесном угле (о. Телесный угол находим но рассчитанно-
му ранее значению плоского угла 2<*р:

(0 = 2л(1 -созОр) = 0,311 ср.

Для данного угла требуемый коэффициент усиления оптиче-
ской системы излучателя равен

И 11ЛТ1’ пч пт - Ло «и р\ник<|" \\ \у\у роГуЬесйгнсз.ги
К,, = 4я/о) = 10.

Это значение Кпп может быть, например, обеспечено светиль
ником с дисковой линзой при использовании в нем лампы нака-
ливания (см. п. 10.5).

Искомый световой поток Ф= /С) = 2480 лм. Выбор лампы нака-
ливания следует производить по световому потоку в телесном угле
4л : Ф' - Ф /Коа - 71 лм.

5.	Вычисляем контраст изображения на входе передающей ка-
меры при действительном контрасте объекта с фоном К - (рс, -
“ Рф)/Ро = 0.5:

К
1+(ш^)(е -1)

= 0,45,

т. е. уменьшения действительного контраста за счет рассеиьающих
свойств атмосферы практически не произойдет.

10.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ИМПУЛЬСНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

При импульсном экспонировании фотопреобразователя форму-
лы (10.9) и (10.10) принимают соответствующий вид:

при естественном освещении и при наличии затвора в переда
ющей камере

4(1 + V]2

ттр/^сов ЩИ/')

при подсветке объектива импульсным осветителем либо источ-
ником непрерывного излучения при наличии затвора в переда-
ющей камере

V	7

А_СГ	1(1(1 + 17

0 = -й-р-------;------------- ’

п.,р соя рсова(Я//)*

где Н и Яф — экспозиции, сообщаемые объекту' (фону) и фотопреоб-
разователю соответственно за время экспонирования последнего;
0 — освечивание. создаваемое источником освещении объекта с си-
ос

лой света 7(7). 0 = | /(()^(; значения а и рем. на рис. 10.8 и 10.9.
и

На рис. 10.10, а-в представлены еветовременные характерис-
тики идеализированного электрооптического затвора (а), импульс-

11 . мге (ьство «Политехника \у\ч и ро1\(есЬгнсв.ги
Рип. 10 10. Световременные характеристики электрооптического
затвора (д), импульсной лампы (в) и импульсного лазера (в)

ной лампы (б) и импульсного лазера (в). Соответствующие им
формулы для расчета освечивания: а — 9- б — 6- 0,86/до(э;
в — 9 = 0,57т(э.

Световая энергия, требуемая от источника импульсного излу-
чения, IV = Ом, лм-с, где о) — телесный угол, вычисляемый по
формуле (1(1.13). Следовательно для импульсной лампы И'1Т =
- 0,86  1т/иы, для импульсного лазера — IV, - 0,5  В энер-
гетической системе излучаемую энергию в соответствии с выраже-
нием (10.15) вычисляем по формулам:

О,86/и7люк1	О.б/.С.ЮК.

и . =------------; и =--------------.

бЙЗКсКр	бЯЗКгКр

Приведем методику энергетического и схематического расчета
излучающего устройства на импульсной лампе. В состав излуча-
ющего устройства входят: лампа с отражателем, источник пита-
ния лампы, схема подачи импульсов напряжения на поджига-
ющий электрод и схема управления частотой вспышек. Конструк
тивные особенности различных типов ламп, их спектральные,
частотные и другие характеристики рассмотрены в работе [24].

При расчете параметров излучающего устройства необходимо
располагать сведениями о требуемом освечивании согласно фор-
муле (10.16) или максимальной силе света 1т в направлении из-
лучения. частоте иовторения вспышек Ра и длительности свето-
вого импульса, измеренного на уровне О,357т.

Расчет рекомендуется производить в следующем порядке.

1.	Выбираем модель расположения источника освещения и
объектива (см. рис. 10.8, 10.9). По углу р = 0ии другим геометри-
ческим параметрам определяем плоский угол раствора светового
пучка 2«р и соответствующий ему телесный угол со [формула
(10.13)]. ’

• Политехника	ро1у(есНтс5 ги
2.	С учетом длительности импульса и освечивания вспышки вы-
бираем конструкцию лампы (шаровая ШИЛ или трубчатая ТИЛ) и
ориентировочно ее тип. С этой целью можно воспользоваться При-
ложением 3, составленным для распространенных типов импульс-
ных ламп. При этом следует учитывать, что приводимое в таблице
освечивание вспышки относится к сфере, т. е. телесному углу <0 = 4л.

3.	Согласно формуле (10.14), определяем значение коэффици
ента усиления оптической системы отражателя АоП. С учетом кон-
струкции лампы, значения 2(Хр и /?оп выбираем тип оптической
системы. При этом можно руководствоваться графиками, приве-
денными на рис. 10.11, 10.12 |47].

На рис. 10.1 2 под величиной й понимается отношение макси-
мального размера светящегося тела 1>] к внутреннему диаметру
светильника ^2- Диаметр линзы или отражателя помимо прочего
зависит от средней мощности Р , и системы охлаждения и дол-
жен удовлетворять условиям:

1)	Р>2 - 0,06(18 ^( |,)‘ — естественное охлаждение, где Д2 —
в м; Р р — в Вт;

2)	> 0,03 (1^ Р р)2 — воздушное охлаждение при скорости

потока 500 км/ч.

Рис. 10.11. Диапазон коэффици-
ентов усиления и углов рассея-
ния стандартных оптических
систем:

I дютсопме лгптаы; '2 прожекторы:
3 — цилиндрические линзы

Рис. 10.12. Зависимость коэффициента уси-
ления линз от относительного диаметра
светящегося тела:

/ — цилиндрические линзы: 2 — дисковые лиазы

Издательство «Политехника» ъуууш ро1уЬесЬш€5.ги
Диаметр Г>2 рассчитываем исходя из значения (1, определяемо
го до рис. 10.12 или на основании условий: для трубчатых ламп
(1 = 0,1+0,3, для шаровых — а 5 0,1.

В общем случае при подводимой к импульсной лампе энергии
до 150 Дж в качестве оптических усилителей рекомендуется при-
менять цилиндрические линзы с диаметром от 60 до 250 мм и
прожекторы диаметром от 200 мм [47].

4.	С учетом длительности импульса ориентировочно выбираем
емкость накопительного конденсатора. При этом руководствуемся
следующими соображениями. Для трубчатых ламп при длитель-
ности импульса Гц > 300 мкс значение емкости должно удовлетво-
рять условию С 8 2/и/2?г , где Я(> — сопротивление лампы в мо-
мент разряда. Выбор емкости следует производить с учетом диа-
метра колбы и расстояния между электродами [24]. Для трубча-
тых ламп при длительности импульса < 100 мкс рекомендуется
придерживаться соотношения С - (и, для шаровых ламп —
С ~	, где /и — в мкс; С — в мкФ.

Следует отметить, что определенное влияние на значение <и
оказывают помимо накопительной емкости напряжение питания
и род газа, заполняющего колбу.

5.	По справочным данным для выбранного типа лампы опреде-
ляем ее световую отдачу

а = 4лЙ / И’., лм • с/Дж,

где И’г — энергия, подводимая к лампе (энергия разряда).

6.	С учетом равенства Илп = СС^а/2 рассчитываем напряжение
источника питания

17(1 = 21)0 /(Са).

Значение не должно превышать номинального рабочего на-
пряжения рекомендуемого в справочных данных, а также
допустимого напряжения, определяемого по кривой восстановле-
ния электрической прочности разрядного промежутка (кривая
ВЭ1111 на рис. 10.13) после вспышки для заданной частоты вепы
шек (на рис, 10.13 периоду Т = 1 мс соответствует допустимое
напряжение около 2 кВ). Вместе с тем значение У() должно быть
не менее предельного напряжения зажигания для выбранного типа
лампы I/ 1р. Если полученное значение С'о не удовлетворяет пере-
численным условиям, то следует несколько изменить емкость или
выбрать другой тип лампы.

Для шаровых ламп после расчета напряжения 1/0 целесообраз-
но проверить значение 7П по эмпирической формуле

•По ।техника' хччууу ро1у1есЬтс8.ги
I, = 2^СЦ$ /2 + 0,2,
где С, Ф; 170, В; 1п, мкс.

При необходимости значе
ния С и V о должны быть уточ-
нены.

7.	Рассчитываем и проверя-
ем на допустимое значение
среднюю мощность, подводи-
мую к лампе:

= ( УТ»Р /2 5 ^р.вии.

8.	Из условия 1/Гп - ЗНаС
определяем зарядное сопротнв
ление

Я, = 1 /{ЗВД.

Рис. 10.13. Относительное расположе-
ние кривой заряда конденсатора и,(/)
и КрИВой ВЭПП

ро1у1есЬтс5.ги

9.	Выбираем схемы питания лампы. Наиболее распространен-
ной является простая схема заряда конденсатора С через резистор
Я3 (рис. 10.14, а). Кривую роста напряжения на конденсаторе
после вспышки определим по формуле

а)

Рис. 10 11. Схемы питания импульсной лампы: а — простая схема заряда
конденсатора С через резистор Я,; б — управляемая схема питания и
поджога
Необходимо, чтобы все точки графика зависимости У3(?) лежа-
ли ниже кривой ВЭНИ (см. рис. 10.13). Если оказывается, что на
отдельных участках функция из(1) лежит выше кривой ВЭПП,
то рекомендуется увеличить сопротивление Вл. Следует, однако,
иметь в виду, что при значительном увеличении этого сопротив
ления напряжение на конденсаторе к моменту вспышки может
оказаться существенно уменьшенным по сравнению с напряжени-
ем источника питания Уо. В этом случае для сохранения прежне-
го значения напряжения на лампе необходимо применить другую
схему питания, например, схему заряда конденсатора через дрос-
сель или управляемую схему питания с использованием тиристо-
ра. В последнем случае управляющий импульс подается на тирис-
тор УЗ одновременно с поджигающим импульсом (рис. 10.14. б).

10.	Выбираем и рассчитываем схему цепи поджига импульсной
лампы. Эта схема должна обеспечивать необходимую энергию под-
жига и частоту вспышек лампы. В нервом приближении можно
принять энергию поджига, достаточную для ионизации газа, —
Н'п = (0,005^0,01) Дж. Прп этом верхний предел энергии следует
выбирать в случаях, когда рабочее напряжение на лампе суще-
ственно меньше номинального.

Обычно подача импульсов на поджигающий электрод осуще-
ствляется через импульсный трансформатор (ИТ). Для управле-
ния импульсной лампой можно использовать тиратроны или ти-
ристоры, однако, принимая во внимание малую длительность и
относительно высокую скважность управляющих импульсов, их
формирование удобнее осуществить с помощью блокинг-генерато-
ра (см. рис. 10.14, б). В этом случае поджигающий электрод лам-
пы непосредственно подсоединяется к выходной обмотке И Г бло-
кинг-генератора. При выборе транзистора для блокинг-генератора
необходимо учитывать знячепие нагрузочного тока в импульсе

4, =Ж./(У.тв),

где Vи напряжение поджигающего импульса; та длитель-
ность поджигающего импульса.

Следует также учитывать среднее значение нагрузочного тока

где у — скважность импульсов.

Транзистор должен обеспечивать среднее значение тока

—	)пв В»

где 1Д — ток в демпфирующей цени (диод Л, резистор Нд), шунти
рующей выходную обмотку ИТ; лн - Уа/Уа — коэффициент транс-
252

'льство «Политехника» уу\ууу ро1у1есНгнс8.ги
формации ИТ по выходной обмотке (здесь 17п — импульсное на
пряжение на коллекторной обмотке), лв= 5+20, г| — КПД ИТ.

И. Определяем мощность, потребляемую от выпрямительного
устройства: Рв = 2Рср.

12. Выбираем схему и определяем параметры выпрямительно-
го устройства для питания импульсной лампы. При необходимос-
ти производим расчет питающего трансформатора.

Пример. Произвести энергетический расчет импульсного теле-
визионного дефектоскопа, предназначенного для обнаружения де-
фектов движущегося на транспортере полотна (пленка, ткань).
Исходные данные: длительность подсветки полотна /и = 300 мкс;
частота экспонирования Гп = 0,6 Гц; параметры объектива — т0 =
= 0,9; И, (' = 0,18; 20о = 25 ; расстояние от источника света до края
поля зрения = 2,2 м (см. рис. 10.8); угол а для края поля зре
ния — а = 20°; коэффициент отражения полотна рф = 0.3 (рф > рД;
энергетическая чувствительность дефектоскопа соответствует экс-
позиции 1/ф.ф = 0,01 лк • с.

1.	По формуле (10.16) находим требуемое максимальное осве-
чивание, создаваемое импульсной лампой:

, 2	2

..	„	42?(1 + Пг

0 - Нф ф------------:-----------— — 27 кд • с.

тт, сов Рсоз а (Л/ /)

При расчете принято V = 0,	1, т= 1.

2.	Ориентируясь на Приложение 3, выбираем трубчатую лампу
типа ИСК-10, создающую освечивапие вспышки в сфере 8 кд • с.

3.	Определяем плоский угол раствора пучка с 50%-иым зала
сом: 2ир - 60\ При этом телесный угол будет равен

«о = 2я(1 -соз Ор) = 0.88 ер.

4.	Определяем значение коэффициента усиления оптической
системы и выбираем ее тин: #оп = 4п/са- 14. Согласно рис. 10.11.
наиболее подходящей оптической системой является прожектор.
Если принять параметр <Л = 0,1, то при = 25 мм получаем
диаметр прожектора = ^1/^ = 250 мм.

5.	Находим необходимую световую энергию вспышки:

И' = Н<о = 24 лм с.

6.	Выбираем емкость накопительного конденсатора на основе
соотношения

С 5 2ц, / /^ =750 мкф.

С учетом длины I - 57 мм и диаметра разрядной трубки <У|( - о мм
примем С = 125 мкф [24, с. 166).

ехника» уууууу ро1у(есЬп'1С8.ги
7.	Определяем световую отдачу импульсной лампы
а = 4яЯ^ /	=10 лм с Дж.

8	Находим напряжение источника питания-

17!. = х21Уи /(Са) = 200 В.

Полученное напряжение лежит в следующих допустимых пре-
делах: Упр < 1/о < Поскольку частота вспышек лампы /'п -
= 0,7 Гц относительно мала, то электрическая прочность ее раз-
рядного промежутка пе будет превышена, что подтверждается кри-
вой ВЭПП (ем. Приложение 3 для лампы аналогичного типа).

9.	Определяем среднюю мощность, подводимую к лампе:

= С^РЛ /2 = 1,8 Вт < Р^_ аов.

При такой мощности выбранный диаметр прожектора И., на-
много превышает минимально допустимое значение.

10.	Находим зарядное сопротивление: В3 = 1/(ЗГпС) =• 380(1 Ом,
При этом сопротивлении напряжение на лампе в процессе заряда
конденсатора, как легко убедиться, будет всегда находиться под
кривой ВЭПП.

11.	Мощность, потребляемая по цепи питания лампы: Рв —
= 2Р... = 3,6 Вт.

10.6.	ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ

ПОДВОДНОГО И АБЛЮДЕНИЯ

Подводные телевизионные системы работают в условиях, ха-
рактеризующихся сильным поглощающим и рассеивающим дей-
ствием среды, что и предопределяет основную направленность их
энергетического расчета. Системы строятся как с непрерывной,
так и с импульсной подсветкой объекта наблюдения, причем в
последнем случае хорошей эффективностью обладают лазерно те-
левизионные системы с пространственным стробированием (см.
рис. 9.14).

Первоначальная задача энергетического расчета системы под
водного наблюдения заключается в нахождении силы света осве-
тителя в зависимости от характеристик воды, энергетической чув-
ствительности системы и взаимного положения передающей ка-
меры, осветителя и объекта (см. рис. 10.8, 10.9), Для импульс-
ных систем соответственно необходимо найти освечивание вспышки,
создаваемой лампой или лазером.

и'П \ • ро1у1есЬп.с8.ги
(10.17)

В общем случае искомая сила света определяется уравнением [33]:

I Е. Ц*"’*'114’
I	р еоа а (!>//') К

где Еф — освещенность фотопреобразователя от объекта или фопа;
р — интегральный коэффициент отражения объекта или фона;
п — показатель преломления воды, п = 1.33; у — коэффициент
вертикального ослабления света в воде; Г — функция, зависящая
от относительного размера минимальной детали объекта.

Для нахождения Функции Р можно ориентировочно воспользо
ваться графиками, изображенными на рис. 10.13 и рассчптаппы
ми для параметра индикатрисы рассеяния и - 7 и широкого Поля
зрения объектива [22]. Угловой размер детали объекта нд предва-
рительно находим из соотношения

»	х &

0. =агс16 —,

^>1

где Ы — линейный размер детали объекта.
Коэффициент у связан с гидрооптическими характеристиками
воды соотношением

у = е(1-Ц8Л),
где е — показатель ослабления света в воде; р — средний коси-
нус индикатрисы рассеяния, рассчитанный по средней полусфере;
8 — параметр вытянутости индикатрисы рассеяния; Л — вероят-
ность выживания фотона.

Усредненные гидрооптические характеристики для четырех ви-
дов бассейнов приведены в табл. 10.4.

Отметим, что параметры индикатрисы рассеяния Ц и 8 при-
близительно одинаковы для различных типов воды: ц = 0,96:
8= 0,98.

Для случая параллельного расположения центральных осей
излучателя и объектива (ем. рис. 10.8) формула (10.17) принима-
ет вид

1 =

а+*'' 111

т,р^, СО8* 0СО83 а(2) / /')' Г

(10.18)

для наклонного расположения излучателя (см. рис. 10.9) —

4й2л^е*М1>оо(,«+*1+*»аД1

2	, 2	*

т,рА^соз |1со&асоз"(а +	Р

(10.19)

При расчетах по формулам (10.18) и (10.19) угол а, как и
ранее, следует выразить предварительно через угол р = 0о.

Для систем с импульсным экспонированием фотопреобразова-
телн расчет необходимого освечивания 0 производится по форму-
лам (10.18) и (10.19) с соответствующей заменой силы света 1 на
освечивание 0 и освещенности Еф на экспозицию Н$.

ТАБЛИЦА ю. 4

	ч-1	Ь>1> ТВ		ОгКрМгОС	
1 М	X	в. 15	0.12	0,105	0. лм
ЩжОКЮТХ!" РВСООВ"»», 1 м	О’	1,38	0.18	0,21 &	0,18*
Н-Л-ч-гП.-. иСалйяОана, 1 Ы	с  а + ге	1,5	0,0	0,3В	о, ив
Вср'1«гчосгь «мюли* Ф игижа	Л - И/,0	0.9	ол	0.7	*>,в
Продоянэап» па б«глж> даак>. м	г.	3 4	Н 21	15 20	30 50

Издательство Политехник.' \ ро1укчЬпн
Второй задачей энергетического расчета подводных телевизи-
онных систем является определение контраста изображения объек-
та с окружающим фоном на входе системы Евх с учетом влияния
рассеивающей дымки.

В случае, когда действительный контраст объекта с фоном ра-
вен К,

=---------->

1 + Д, /Е>

(10.20)

где Ел — освещенность фотопреобразователя от рассеивающей
дымки; Еф освещенность фотопреобразователя от объекта или
фона (большее значение).

Расчет освещенности Ел производится по формуле (33]

Е,=А — е-^ °^4е^

* Ь	йл

-Я $ (-2уЛ)-Е- -^

(10.21)

I СОЗ ШЦ1 СТГ (11	, у	> у	л 2

где Л =------- —----------; В = с3 + бс^уб + 2сб" Г; Р2 = (Зс“ 1-

96п~ 1,е е,

+ 2б + ббсу) /Г +	+ Збс) Л - ба;	= бс’у + 12Ь/с + 4бау8;

з

с = Цд + \|/ - 0 ,1у ; (ро — параметр индикатрисы расстояния, опре-

деляющий долю света, рассеянного в заднюю полусферу, <ро » 0,02;

Е1 — интегральная показательная фужкция.

При выводе выражения для коэффициента с тангенсы углов 0о и
V заменены значениями самих углов. Если I « Н, а угол 20о > 30
то вместо формулы (10.21) можно воспользоваться более простым
выражением:

/соя" ц/г„ (О//')’
Е*~ л -
4п

е 1

~й

+ уХ(-Г'«) . (10-22)

11 . юге 11<1во По цттехника» ро1уЬееКгнс8.ги

л/ц,

где I/ = Еб с!в «0о Ч ф)/2]; / = у/е.

Величина контраста, определяемая по формуле (10.20), отно-
сится к крупным деталям изображения. При оценке входного кон
траста мелких деталей можно воспользоваться частотно-кон-
трастными характеристиками водной среды. Для случая, когда в
системе используется широкоугольный излучатель для подсветки
объекта, ЧКХ воды Е(0) приведена на рис. 10.16. на котором
обозначены: 0 — пространственная частота, лин/мм; а — пара
метр индикатрисы рассеяния, а - 6+8. Результирующий контраст
входного изображения



где Квх определяется формулой (10.20).

Для систем с пространственным стробированием освещенность,
создаваемую дымкой, можно определить из выражения

Е -А

+ бс&у +	| + | ЗЛс + Ъ-у)	- Ь'

е

+ бс&у +	+ (Збс + 6-у)Л-лЛ - Ъ'

-Д,[Д (-2у^,„)-Д (-2у\д„)]

(10.23)

Издательство «Политехника» уухууу ро^есНшсй.ги

где А и Рл — коэффициенты, входящие в уравнение (10.21); Лтах
11 ^пйп — максимальные расстояния, перекрываемые системой стро-
бирования.

Расстояние й„цп определяется временной задержкой момента
открытия затвора относительно посылки зондирующего импуль-
са, Лтах вычисляют по формуле:

^11'. -	> + с (4> * ) / 2,
где 1а — длительность экспонирующего фотопреобразователь све'
тового импульса; 1Л — длительность затворного импульса; с' —
скорость света в воде.

Для расчета контраста Л'вх в системе с пространственным стро-
бированием можно воспользоваться формулой (10.20), определив
предварительно освещенность Еф по известной экспозиции Н.^ и
длительности импульса 1 .

Пример. Провести энергетический расчет телевизионной систе-
мы, предназначенной для осмотра подводных объектов в прибреж-
ном районе.

Исходные данные: освещение объекта непрерывное: освещен-
ность фотопреобразователя от фоня Еф ф = 0.02 лк; коэффициент
отражения фона Рф = 0,25, причем Рф > ро: .минимальный кон-
траст наблюдаемых объектов крупного размера К = 0,35; мини-
мальный размер детали объекта = 0,1 м; расстояния й = 7 м,
Ь - 2 м; параметры оптической системы то = 0,9, В/Г = 0,18, 20о =
- 45 (в воде); расположение излучателя наклонное; коэффициент
вертикального ослабления света в воде у = 0,12 м 1.

1.	Определяем угол наклона излучателя V » угол а для объек-
та. расположенного на краю поля зрения передающей камеры,
т. е. при = 0о:

= агсге (5/Л) = 16 ; а = Л' % /(Ь“ < ЬЛ(< % + Л2) = 19е.

2.	Определяем угловой размер радиуса детали объекта, распо-
ложенного на краю поля зрения:

0, =агсги [Д7/(2О] = 0,1 ,
где I = Л/соя 0о = 7,6 м.

Для относительной дальности п1 - 2 (о = 0.3 м 1 > согласно
рис. 10.16. ориентировочно находим 1§Р = -0,6, откуда Е = 0,25.

3.	По формуле (10.20) определяем силу света источника осве-
щения:

п‘	V*]

/ = I---------1 1—--------2----------— = 62 ООО КД'

^рфА^соя % сояасоя'Ча + Ч’Л-Р//ГГ

4.	Находим освещенность фотопреобразователя от рассеива-
ющей дымки по формуле (10.21):

Е = А

• По 1ите\ннка-	ро1у1есЬгнс5.ги

Ре'° +	Я (-2уЛ)-Д’

Ь Л	1с

= 0,033 лк.

где Рх = 3,95; Р2 = -225; Р3 = 1,6; с = 1,25; А = 0,27.
Определяем контраст на входе системы:

1 + Я* / ф

= 0,086,

где для относительной дальности а/ = 2, параметра а = 7 и про-
странственной частоты 0 = 1,5 лин/мм согласно рис. 10.16 К{ О) =
= 0.65. Пространственную частоту найдем по формуле 0 = 0а /(2Н,(.),
лин/мм, она соответствует угловому размеру детали объекта 20д= 0,8 ,
находящейся в горизонтальном угловом поле зрения оптической
системы 20о = 45 , и длине строки фотопреобразователя /с = 20 мм
(трубка типа суперкремникон).

Таким образом, для обнаружения и опознавания объекта система
должна обладать контрастной чувствительностью Ес = 1/0,086= 11,6.

5.	Определяем световой поток, создаваемый источником осве-
щения в телесном угле <□. Зятем осуществляем выбор оптической
системы светильника так же, как и для атмосферных систем.

Пример. Провести энергетический расчет телевизионной систе-
мы наблюдения за морским дном, работающей с применением про-
странственного стробирования.

Исходные данные: требуемая экспозиция от фона на входе
фотопреобразователя (суперкремникон, сочлененный с ЭОП)
Н 1 ф = 5  10 6 лк‘С; контрастная чувствительность системы 6С = 10;
коэффициент отражения морского днаро- 0.2 (Рф > ро): парамет-
ры оптической системы То = 0,9, I) '/'= 0,33, 29О = 30 ; минималь-
ный контраст объектов крупного размера К - 0,3; длительность им-
пульсов и максимальная мощность излучения лазера /э = 5  10 * с,
Ф, тах = 1,8 МВт; максимальное расстояние от батисферы до дна
йюах = 19,5 м; угол раствора излучателя, расположенного на-
клонно. 2ар = 2Н0; база Ь = 2 м.

1.	Находим коэффициент вертикального ослабления света в
воде. Для открытого моря (см. табл. 10.4):

у = е(1 -Ц5Л) = 0,12 м 1.

2.	Для заданной максимальной дальности наблюдения при ус-
ловии /3 = (8 находим расстояние Лт|п:

4ш. = Лим* “+ <»)/2 = 15 м.

3.	Определяем угол наклона излучателя:

= агс(« (Ь/Лмм.) = 6\

4.	По аналогии с формулой (10.20) при условии а = 0. посколь-
ку Ъ « ЛтаХ и Г = 1, находим требуемое освсчивапие вспышки па
краю ноля зрения:

II . к.»те тьство «Политехника» хухчуу. ро1у1есНшс8.ги
О — И р. .||

Ь рф соя ’ а соя2 (а + у X В / Л2

= 130 кд с.

5.	Определяем необходимую мощность излучения лазера:

ф = 2^11 = 1.5
683ч. к.

МВт,

где телесный угол со = 2л(1 - соя <Хр) = 0,214 ср; сила света на
краю поля зрения 1т = 20/^э = 1,3 • 1О10 кд; кэ = 1,75 • 10 2 (для
источника типа А и многощелочного фотокатода); кр = 1 (для
излучателя с Хл = 0,53 мкм и многощелочного фотокатода).

Необходимая мощность излучения лазера Ф, не превосходит
максимально допустимого значения Ф. П1ДХ.

6.	По формуле (10.23) находим освещенность, создаваемую
рассеивающей дымкой. Для этого предварительно определяем зна-
чения коэффициентов и показательной функции;

1 сов'ч/ф.птдр/у
961е“ 0„п2

= 0,52 10’;

с = 2Ц, + у - 0,,ф - 0,62;

Р, = 6с: / + 12б-< с + 4/>-у: = 0,52;

Д (-2ТАи,«) =	001635;

^(-2уЛ, .) =-0,006160.

В результате получаем Ея т = 155 лк

7.	Определяем освещенность фотопреобразователя от фона;

Е$ п = 2Яф / (, =500 лк.

8.	Определяем входной контраст с
учетом влияния рассеивающей дымки:

Кп ' 1 + ^;^

= 0,23 >0,1.

Полученное значение входного кон-
траста удовлетворяет требованию кон
трастной чувствительности телевизи
онной системы.

9.	В заключение приводим на
рис. 10.17 зависимость освещенное-

Рнс. 10.17. Зависимость осве-
щенности фотопреобразовате-
,тя рассеивающей дымки от
базы Ь

Издательство «Политехника и и V • ро1у1есЬгнс8.ги
ти Е т от базы Ь, рассчитанную согласно формуле (10.23) на
ЭВМ. Из графика следует, что при увеличении базы до 4 м можно
дополнительно снизить влияние рассеивающей дымки на входной
контраст.

10.7.	ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМ

С ИНФРАКРАСНОЙ ПОДСВЕТКОЙ ОБЪЕКТА

Инфракрасная подсветка объекта является неотъемлемой час-
тью телевизионных систем скрытого наблюдения и систем безо-
пасности, работающих в активном режиме. В качестве подсвечи-
вающих устройств применяются мощные светодиоды и светодиод-
ные сборки, излучающие энергию в спектральном диапазоне волн
0,80-0,85 мкм, что удобпо при использовании в системе матрич-
ных ПЗС. Объектами наблюдения служат различные помещения,
дверные проемы, подходы к охраняемым в ночное время объектам
и т. д. Задачей рассматриваемых систем обычно является обнару-
жение и опознавание появляющихся в охраняемой зоне посторон-
них лиц или предметов. Следует отметить, что процесс опознава-
ния может быть затруднен из-за пониженной разрешающей спо-
собности системы, что обусловлено худшей, чем при естественном
освещении, ЧКХ ПЗС.

Энергетический расчет системы с инфракрасной подсветкой ба-
зируется, как и ранее, на определяемой предварительно энергети
ческой чувствительности системы, выражаемой в светотехниче-
ской системе единиц.

На рис. 10.18 приведена простая схема осветителя в виде од
нолинзового конденсора, обеспечивающего параллельность выхо-
дящих лучей, если источник излучения поместить в переднем фо-
кусе конденсора /В силу конечности площадки излучателя 8'

Риг, 10.18. Схема однолинзового осветителя

1о п(техника- \\ \\ и ро1\ :.есЬп.с5.ги
в схеме имеет место некоторая расходимость пучка лучей и, как
следствие, изменение облученности объекта площадью 8’ при из-
менении расстояния до него I, причем I » /', Для устранения
этого недостатка следует применить более сложную, но и более
громоздкую схему осветителя [61].

Можно предложить следующий порядок энергетического расче-
та такой ТВ-системы.

1.	Определяют необходимую облученность объекта

г =-
6831^ к,

где Е — освещенность объекта, лк; кг — коэффициент полезного
действия глаза для эталонного источника типа А, кг= 2,43  10 2;
К и Кд — коэффициенты использования лучистого потока свето-
диодом и источником А соответственно.

В результате расчетов, проведенных методом графического ин-
тегрирования, получим: кд = 0,15 и кр = 0,9 (для длины волны
X- 0,8 мкм). С учетом этих соотношений Е( -Е • 10 ’. Вт/м".

2.	Ориентировочно выбирают светодиод с мощностью излуче-
ния Рам п соответственно излучаемым потоком Ф(..

3.	Определяют телесный угол излучения

о) = 2л(1 --соз а,.,),

где ар — половина угла охвата (см. рис. 10.18).

4.	Определяют яркость излучающей площадки светодиода Я'

I, =	/(<и^,)« Вт/(ср см ),

где 8' = ПсР/4 (с1 — диаметр площадки).

5.	Находят площадь выходного зрачка конденсора

где т0 — интегральное значение коэффициента пропускания опти-
ческой системы.

6.	Отсюда диаметр выходного зрачка

X» = 2<А.„ /л.

7.	Определяют фокусное расстояние конденсора, считая, что
площадка 5' находится в фокусе, а весь поток перехватывается
конденсором

/' = .0/(218 М-
8.	Определяют увеличение и относительное отверстие кондеи
сора соответственно:

V «///'; 0 = 1)//'.

9.	Находят площадь облучаемой поверхности

8 = Ь’Т2.

Сравнение площади.*;с требованием технического задания по-
зволяет сделать вывод об оптимальности выбранного светодиода.

Пример. Провести энергетический расчет ТВ-системы с ИК-
подсветкой офисного помещения при следующих условиях: требу-
емая освещенность объекта наблюдения Е - 1 лк, расстояние до
источника подсветки I = 10 м, площадь наблюдения 8=12 м' .

1.	Определяем требуемую облученность объекта наблюдения

Ее - 0,015 = 0,01 Вт/м2.

2.	Выбираем светодиодную сборку типа ИРС-3-800, состоя-
щую из 12 кристаллов, собранных на специальной кремниевой
подложке с изолирующим слоем. Параметры сборки: длина вол-
ны 0,8 мкм, мощность излучения 300 мВт, угол охвата 40 , диа-
метр излучающей площадки 20 мм.

3.	Телесный угол излучения

<й = 2л(1 - соз(Л),) = 0,38 ср,

где сср = 20е.

4.	Яркость излучающей площадки

4 =ФГ /(ю5') = 2,5 101 Вт/(срм“),

где площадь 5 = п<12 4 = 314 мм .

5.	Площадь выходного зрачка

Ат /(4,4) = 0-45 10 ^ м2,

где для примера то = 0,9.

6.	Диаметр выходного зрачка

В - 2^Л,и / л = 24 мм.

7.	Фокусное расстояние конденсора

/' = В /(2(< Ор) = 33 мы.

• По 1и 1Н11ИК.1- ро1уеесЬпк’8 ги
8.	Увеличение и относительное расстояние конденсора

V =///' = 303; О=И/Л = 0.73.

9.	Площадь облучаемой поверхности

<? = Я'У® =28,8 м’.

Полученный результат более чем в два раза превышает задан-
ную площадь наблюдения. Таким образом, при тех же условиях
можно выбрать менее мощный излучатель.
ПРИЛОЖЕНИЕ I

Параметры матричных ПЗС российских фирм

Ц*1М*П<	Н^.ыГСК’					
	МйГ1Х‘МЬ1№1	123*1 МТ	20*1X13	МЫ 21-2*	<1ча13г-2|	ми 1-4  11
ЧаМО фопму.1  ТМ1ТЯЛМ1МХ жвтив сскввв  ШЗВЗСВВВ |)1К1  фТВКАЗК по го- даязжгки)	। м ш:гиы иаг	гж	2№ М3	2Ю Я0	2Ш Г90	:ьц
Е*ы«фм сскз» «.КИ1ЫРЧЖЯ (ПР котиком ш I о ГЧ|1Ж1Ч»), «М	♦,3x5,9 9,9-9.2	5к2-9(в	♦ ,3x3,2	9,2X12,1	Ч,3--В,в	♦,9x3,3
|'Ли чуЖ>1МГПВНК*Т> ХТТвГРП, Овожгр- [пыа^яи гсрж- МПВ.М1, мкм	зп-гз гы в	1&-.1В	13x14	34x1 Г	гьл	13-9
Н<13»*чж ЫГ ’уч?!- кояывци! •> «ч?  •^СС, ~вЛТК	ю +о	Ю	Ю	100	«	90
М «□»»»»< илии^йниын  ум 2М га ж мн <ми>	1	2	а	2			
Мвкивмвлмиц вфвжпвас в< хишшш овевали, вс* мега», нВ	120	100  1	1Ш	шо	зим	»о	300

Параметры матричных ПЗС фирм *8аш«ип^»
и «Техай 1пз1гитеп(8»

ИЧ»“Ф	|Ццишрцг |кодеа|			♦1им 1ма?гмтж&1«- гции|	
			ниы4№1.'№	кш^хде- ьлмхл'уунх	
фасоята гаи-	337 Ял	331 301	оагуаОО	ЗИО 300	131007
тел«мх хзвмввю иякцвв •М1аа«нмпи 11Ж> српжвлв/во со рвдлвдим|	|310 +92)	1 >л «г»	{&!□ 1№]	|'3»0 4031	(□00 л«2)
Рии=Ч4' .СКЖ" .•дедо- жзпхк (<ю ааршкк- ашаипфж кепка*, »м	3 ЭД з.Ю	З.ООх 5,10	13,00- ».9а	1 60’3.70	3.00-1,10

Издательство «Политехника» ичуш. ро1у1есНп1с5.ги
	•енеч. «•			»ГЖеИ [*йвоа>«В?1*	
				К П1Л1	
	КСП1ЛМР ^Г4 5Я"ЛТ«		НЫЗИ.'ЛДМ	тчзилМР шзкллмк	
* ( КИО	<|ШЕЯ >-КЯЖ-	«31 ЭОЬ	а31 »1	>5. >О>	ЗШ аОО	лЗТ 591
ГСЯМ1Ы& л.ызжптим схяодмс к^1нк<вам^№ са- рвли^хяа»)	(1410 492)	('Л) Я2|	(510 192)	1544 1931	| Л'О »НЫ|
Р» мвр аакчаа магам- лачаа Пао ягргаа.». «/о Бв^исаатаам!, мм	ЕиЮхЕ, >0	0,0». 1,1 о	а, цо-4,01	», чскз. го	0. КО-.1,10
Ря лммрм ||ЖТГПГГ ПГТ»1- гсзмшго лосмсагпДкю г|(гнк1ьи втриази. глав), мкм	о.аэлг.ш	9,80*0,30	и.оо-т.ао	7, 40-1,40	З.МО-О.Ю
Вижт-лг* ••ркаяапмак- пи1 к, гс~ *т“т’ ч!| .1*.  МллиЦШиЫШ* цб* щнавиип- арн.  [сж-аа квф» 20 ж>, вс моягс аж.	00		я»	аао (13]	200 Ч® 1*  0,02 О0,5э1
Млм'пхп.эагс> тапра  ( Ш4ЖЦД1&Ж11 «»е- 11Ш, » мсивс, мН  * Езм^	ц	7110  3«н1ТямХ	зио  ]! В 1К-Р.	ООО	820	101

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Параметры кинескопов черно белого изображения

Гчп	Типа иш^ипа  чиа ив 9мап>- де и*".	Гц^вь*  4ВИ413* шсгд, ива	« ИХ «ни фптжмак. дашвв	Кцаиигм ая^нж, а 	□кв юса •иаа»! н« ооазо,  кА.	М«ш *4‘ЛИ 1«и«Н*к я,И	Н«Ям  -«V»*  >!«< м  Гцдп’ В	Е|Н» »
гзлкж га лк и  ылкан	эт  110	Ч’П  оза  О'»	1СЛ.1 !□;!	120 »  100	по  &0  ХЮ	23 10  Ю-1» » Ш	15 ®	(пет епгно- на акрояо. иазага-оаяс- нмв( факу- СМЖЯК1» Вв»хрж»г. И1СП»  у Кммаскиа а» 31ЛК1Б □ рч гож мог? ааСюзавкраА угия иежаа* «« 1Ю-

Издательство «Политехника» и'игмг ро1у1ес1лп1С5.ги
Ьи гягЛ..	Кпаа а»лс	Нюр» га Ю!ММ смняй*  ЖВКЦ 1Ш1	ЬэППч'Г	КрЛШь	Селе гачо	ЯЕЯИЗ «а«вирр«-	Нацм пике	
			В^ГМЫТ.	кв] к1	&ШММ]  нА			
	4Мпаи»> «Ч г0*3					—> в	воя п« (ГЮТ, В	
4ШК5В	II"	11100	100:1	)ЦО	130	40 10	&	И 9 на»* л рву 12  а хСаСаш- 1ЯОПЯМК Цв<2е0мШк С Ш'Тл-эсФри! ртизяшеав
итлнь	1111	оно	100:1	1“М	230	30 ‘II	За	
загнав	НО	оио	130:1	1 И	450	Ю 77	4й	
а!ЛК2Ь	110	Ирм иж^п ПК* акшп 5.1  1010;  1Т5чкА био	130:1	1л1	зао	Ю-П	и	

ПРИЛОЖЕНИИ 3

Параметры, спектральные характеристики и кривые ВЭПП
импульсных ламп

Тав лпадве	р гх|3»‘  ЁЬ	"г“"И	ч-1	нм а»	ив *а		1я ь *	кН		о., чм
НОГ! 15	н	1 1	100	о те	ОСИ		О.в	03	12	33
	10	15	100	0 1э	о.от	аз	№	оз	13	за
1ПIV Ю	10	13	100	0.1	0,10	2.0	о.1	а,*о	У	20
ЖЖ. 10	10	200	1	100	В 0	О.В	0,3	ОИК	10	23
	10	25	200	о и>	О.ООВ	о.в	0,3	сив	10	гь
1ГСЖ 20 1	9	В	100	0 01	о,те	1.5	0.3		1В	20
1Ц1К-25	25	1 30	1,0	Зз	30.0	ОД	0.3	М5	 а	20
	30	3000	о. те»	аОО	иий.о	0,1	0,3	0.2&	 а	20
МФК-20	2	200	0.1	20	25,0	0.2	0,13	0.10	41	14
МФК Л	5	то	0.1	М	1Я> 0	0.3	о.з	0.11	&	24
ПЧ’К-13	41	1 50	0,5	1а	1^,0	0,0	1,5	0,511	И	30
11ФК-120	12	1000	0,1	120	2»0,0	0,Ь	0,3	0,14	ю	30
НФК 130	223	1000	1.3	150	мм	2.0	1.0	0&	23	30
МФК ДО	30	«ООО	о, те	зОО	юоо	*,0	0.5	0,4	13	43
нч» 		1 50	4 000	ч Л	гооо	одао	0 15	0,5	0.28	33	ГО
	115	|1Л1	и,я	1 зи	*1Ч	0,*5	О.т	0,23	20	го

Издательство «Политехника» ичуш. ро1у1есНп1С5.ги
Та тян	Не			д*	кд *а	К,.	• В	кВ	Мв кВ	г Я
(11111.5	14	1	100	0.18	0 01а	—	1,2 4	1.2	5	4
	0,3	1	3	0,2	о оь		1,3	1.2	5	4
ШЛИ 1&	1а	1.9	800	о,да	о.ооз		Лк	0.2а	3	4
	1	18		10	аЕ0		1,0	025	3	4
иап. 1Ш-2	100	1 л	аоо	0,22	0,2	—	3	а я	о	8
	а	19	О.1		60,0		>	0,9	о	
(МП И а	32	1.5	250	0.2»	0,25		2,3	2.2	4	3
нал «.и	300	2	100	0, Г»	0,3		3,3	5,5	25	4,5
	III	18	41	юо	50,0		3.0	5,5	25	йг5
ИСШ. 500	□00	•>	100	а	З.о	—	9 0	й,0	25	Л
	Ю	2а	о.й>	140	|Ц0 0		1.0	&,0	25	Ч

Рис. 113.1. Спектральные харак-
теристики трубчатой (/) и тля
роьой (2) импульсных ламп, и
источника типа А 13)

б)

0.4	1.2	( мс

Рис. П3.2. Кривые ВЭПП:
а — шаровая лампа
ИСШ 100-2 (0.12 Дж);
б — трубчатая лампа
ИСК-25 (0,015 Дж); «-
капиллярная (трубча-
тая) лампа ИСП-70
(0,088 Дж); е — шаровая
лампа ИСШ 15(0,03 Дж)
(верхние кривые на
рис, я, г соответствуют
100%-ной вероятности
пробоя)

зчьство «Политехникам тт\у ро1у(есЬп1с5.ги
1.	Антипин М, В Интегральная оценка качеств» телевизионного изобра-
жения. — М : Наука, 1970. — 154 с.

2.	А. с. СССР М1235002. Телевизионное устройство для контроля движе-
ния транспортных средств / В. ь М с л ь п и к, В. В С м и р п о в, И И Ко-
повод ч е н к о и др. — Опубл. БИ К 20, 1986.

3.	Бабенко В. С. Оптика телевизионных устройств. М : Радио и связь,
1982. — 257 с.

4.	Барсуков Ф. И., Величкнн А. И., Сухарев А. Д. Телевизионные системы
летательных аппаратов. М.: С-ов. радио, 1979. — 255 с,

5.	Баскир И Н Бс-гтрансформаторпые транзисторные схемы кадровой раз-
вертки. — М.: Радио и связь. 1983. — 62 с.

6.	Батраков А. С., Летуновский А. В, Телевизионные системы. — Изд.-во
МО СССР. 1986. — 376 с.

7.	Блинов Н. Н,, Мазуров А. Н. Системы прикладного телевидения: Цвет-
ное телевидение в биологии и медицине. — М.: Знание, 1987. — 64 с.

8.	Богомолов П А., Сидоров В 11., Усольцев И Ф Приемные устройства
ИК-систем. — М.: Радио и связь, 1987. — 208 с.

9.	Брацлавец II. Ф . Росселевич И. А., Хромов Л. И. Космическое теле-
видеппе. — М.: Связь 1973. — 248 с.

10.	Бриллиантов Д 11 О возможностях создания портативного приемни-
ка цветного ТВ // Техника кино и телевидения. — 1976. — №10. — 53 с.

11	Быков Р Е Теоретические основы телевидения; Учебник для ВУЗо« —
СПб.: Изд-во «Лань», 1998. — 288 с.

12.	Венатовскнй И. В.. Гликман И. Я., Булавин А. А. Быстродействующие
затворы. — СПб.: Политехника, 1994, 208 с.

13.	Вершинскин Н. В. Подводное телевидение. — М.; Л.: Госэнергоиздат,
19о0. — 224 с.

14.	Волков В. Г. Телевизионные приборы для вождения транспорта в слож-
ных условиях видимости // Техника кино и телевидения. — 2001. — № 5.—
С. 31-34

15.	Гарб М. Г. Синхронизация в телевидении. — М.: Радио и связь, 1982. —
192 с.

16.	Гитис Э. И., Пискулов К. А. Аналого-цифровые преобразователи.
М.: Энергоиздат, 1981. — 360 с.

17.	Грязин Г. 11. Системы прикладного телевидения: Учебное пособие для
ВУЗов. СПб.: Политехника, 2000 — 277 с.

18.	Грязни Г. Н. Телевизионная система для регистрации номерных зна-
ков транспортных средств // Техника кино и телевидения. — 1992. — №7. —
С. 53 57.

19.	Грязин Г. Н К расисту частотных характеристик приборов с зарядо-
вой связью. — Изв. Ш'Зон. Приборостроение. — 2001. — Т. 14. — .№3. —
С. 22 21.

20.	Грязни Г. Н. О критериях оценки контраста изображения // Техника
кино и телевидения. — 2000. — № 9. — С. 41.

21.	Грязин Г И. К определению максимальной частоты видеосигнала,
генерируемого матричным ПЗС // Техника кино и телевидения. — 2002. —
№ 9. - С. 32.

22.	Долин Л. С., Левин И М. Справочник по теории подводного виде
ния.— Л.: Гидромстгоиздат, 1.991. — 229 с.

Издательство «Политехника» ичу™. ро1у(есЬтс5.ги
23.	Ефимок А. С. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении
ТИ изображения // Техника кино и телевидения. — 1977. — № 2. — С. 45-18.

24.	Импульсные источники света / Под ред. И. С. М а р ш а к а. М.:
Энергия. 1978. — 472 с.

25.	Инженерно-психологические требования к системам управления. —
М.: ВНИИТЭ, 1967.	263 с.

26.	Ишэнин Г. Г. Приемники излечения оптических и оптико-электрон-
ных приборов. — Л.: Машиностроение, 1986. — 175 с.

27.	Казанцев Г. Д., Курячий М. И., Пустынский И. Н. Измерительное теле-
видение. - М.: Высш, шк„ 1994. — 288 с.

28.	Квирннг Г. К). Прикладное телевидение. — М.: МЭЙС, 1989. — 88 с.

29.	Костыков Ю В Основы проектирования систем и аппаратуры при
кладного телевидения. — М.; Л.: Энергия, 1964. — 256 с.

30.	Красильников И. И. Помехоустойчивость телевизионных систем. —
М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.	267 с.

31.	Крннов Е. Л. Спектральная отражательная способность природных
образований. — М.: Изд-во АН СССР, 1947. — 271 с.

32,	Курков И. Н-, Миленин Н К. Высокочувствительные преобразователи свет
сигнал и камеры ЦТ // Техника кино и телевидения. — 1984. — № 5.— С. 59.

33.	Левин И М. Методика расчета систем освещения для подводного теле-
видения Ц Техника средств связи. Сер. «Техника телевидения». 1978.
Вып. 4. — С. 99-105.

3-1	. Луизов А В. Глаз и свет. — Л.: Энергоятомпздат, 1983. — НО с.

35.	Малахов И. К Пироэлектрический видикон ,// Техника кино и теле-
видения. — 1980. — М 10. — С. 60-66.

36.	Миленин П. К. Шумы в формирователях сигналов изображения на
ПЗС // Техника кино и телевидения. — 1980. — № 6 — С. 51 57.

37.	Неизвестный С. Н.. Никулин О. 10. Приборы с заряд--вой связью —
основе современной телевизионной техники Основные характеристики ПЗС /
Специальная техника. 1999.	№ 5. С, 30 38.

38.	Никитин В В.. Цы цу.чин А. К. Телевидение в системах физической
защиты: Учебное пособие. — СПб., Изд во СП6ГЭТУ, 2001. — 135с.

39	Однолько В. В.. Ожигин А. Ф., Харитонов Г А. Портативные камеры
цветного телевидения. — М: Радио и связь, 1984. — 104 с.

40.	Орловский Е. Л. Передача факсимильных изображений. — М.: Связь,
1980.	215 с.

41	Петраков А. В. Автоматические телевизионные комплексы для регист-
рации быстропротекяющпх процессов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 152 с.

42.	Пресс Ф, II. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.
Радио и связь. 1991. — 264 с.

13.	Преобразователи напряжения на приборах с зарядовой связью /
Р Е. Быков, А. Л. М а и ц « е т о в, Н. Н. Степа нов, Г. Л.Эйсен-
г .. р д т. — М.: Радио и связь, 1992. — 184 с.

44.	Приборы с зарядовой связью / Под ред. М. X о у а о в а, Д. М о р г а
н а: Пер. с аигл. — М. Энергопздат, 1981.	376 с.

45.	Птачек М. Цифровое телевидение: Теория и техника / Пер. с чешско-
го, под ред. А. С- В п л е н ч и к а. — М.: Радио и связь, 1999. — 528 с.

16.	Саттаров Д. К. Волоконная оптика. Л.: Машиностроение, 1973.
280 с.

17.	Сенилов Г. Н. Светотехнические импульсные установки. — М.: Энер-
гия, 1979	192 с.

48.	Системы технического зрения / Под ред. А. II II и с а р е в с к о г о,
А. Ф. Чернявского. — Л.. Машиностроение, 1988, — 124 с.

Издательство «Политехника» мууу. ро1у1есЬп1С5.ги
49.	Суриков II Н Современные передающие приборы видимого и ближне-
го ИК-диапоэоиов // Об. науч. тр. ПУГУ. — Выл. 178. — СПб., 1905. — С. 87-98.

50.	Твердотельное телевидение / Л. И. X р о м о в, Н. В. Л е б е д е в,
А. К. Цыцулии, А. Н. Куликов. — М.: Радио и связь, 1986. — 184 с.

51.	Телевидение / Под ред. В. Е. Д ж а к о н и я. — М.: Радио и связь,
2004.	615 с.

52.	Терминологический словарь ио электронной технике / Под ред.
Г. Н. Грязина и И. П. Жеребцова. — СПб.: Политехника, 2001. —
783 с.

53.	Травникова Н. П. Эффективность визуального поиска. — М. Маши-
ностроение, 1985. — 128 с.

54.	Урвалов В А. Очерки истории телевидения. — М.: Наука, 1990.
216 с.

55.	Цифровое кодирование телевизионных изображении / Под рел.
И. II Ц у к к е р м а н а М.: Радио я связь, 1981.	239 с.

56.	Чирков Л. Е., Фридляид И В., Бриллиантов Д. П. Новые устройства
телевизионной развертки. — М : Радио и связь, 1984. — 216 с.

57.	Шайксвич Д. В. Расчет отношения енгнил/шум в телевизионных каме-
рах на ПЗС ори заданных характеристиках источника излучения // Техника
средств связи. Сер. «Техника телевидения». — 1984. — Вып 4. — С. 88-94.

58.	Шапиро А- С., Быкова Т. П. Твердотельные устройства записи ТВ
ирогрзмм и н<рснективы их использования // Техника кино и телевиде-
ния. — 1999. — № 7. — С. 69 73.

59	Шаронов В В Таблицы для расчета природной освещенности и види-
мости. — М.: Изд-во АН СССР. 1945.

60.	Яковлев С. В., Скляр В. Л., Сусов В. С. Микросхемы ь генераторах
телевизионной развертки. М.: Радио и связь, 1985. - 88 с.

61.	Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учеб-
ник для ВУЗов. — М.: Машиностроение, 1989 — 360 с.

ка» ро1у(есНпк5 ги
Адаптация зрения 14, 21

Анализ изображения электрооптиче-
ский 42
Анаглиф 167

Аналого-цифровой преобразователь
126

Апертура развертывающая 48

Базис глазной 165

Видсоархив наблюдения 174

Видеодетектор движения 174

Нидеокоитрольное устройство 9, 92

Видеосигнал б. 47

Видеотелефон 194

Видеотрам 101

Видеоусилитель 101

Видикон 58

Восприятие изображения зрительное
13

Восстановление постоянной составля
вицей видеосигнала 107

Гамма-корректор 105. 111

Генератор развертки кадровой 129

---строчной 134

Градация яркости 36

Дальномер стереоскопический 170

Датчик телевизионный 8
Детальность изображения 179

Дефли ктор 63

Диапазон яркостей динамический 29,
36

Дискретизация видеосигнала 118

Диссектор 55

Закон Веберн—Фехисра 17. 21

Тальбота 19. 96

Зашумление изображения 19

Импульс выравнивающий 142

—	гасящий 140

—	синхронизирующий 140

—	тактовый 144

Инерционность видикона 61

Инерция зрения 18

Искажения изображения апертурные
48
— — геометрические 53
— — координатные 53
— — нелинейные 53

Кадр телевизионный 43

Камера Передающая 101, 153

Квантование видеосигнала 119

Квантоскоп 109

Кинескоп 92, 159

Кодирование видеосигнала 119

Контраст изображения 15, 37

—	обратный 15

—	пороговый 17. 21. 218

—	прямой 15

—	сигналов 224

-	аффективный 18, 219

Коррекция апертурная 113

—	градационной характеристики 110

—	входной цепи 102

Коэффициент контрастности 30, 38

—	погоды 184, 243

—	шума 103

Кре.мникон 63

Кривая видности глаза 147

Критерий качества изображения ин

тегра.тьный 10, 203

—	информационный 10

Кроссовер 93

Локус 142

Люминофор 87

Маска кинескопа 161

Мира оптическая 27

Мишень передающей трубки 58, 63.

65, 66

Мощность разрывная 138

Насыщенность излучения 148

Неэффективность переноса зарядов 76

Окоптурпвапие изображения 115

Ореол 98

Острота зрении 14, 35

Отношение сигнал шум пороговое 33.
36

Ощущение Яркости зрительное 16

Панель плазменная 165

Параллакс линейный 2 71

Перепое изображения 65

Пиксель /6'3

Нпровпдпкон 66

Пластика 166

Полоса частот видеосигнала 51

Полярность видеосигнала 62

Издательство «Политехника» ро1у1есЬп/с5.ги
П рсобразовител ь « напряжен ин—код »
126

Прибор с зарядовой связью ь.ч
Принцип накопления зарядов 57

Развертка изображения 6', 42

—	•бегущий луч» 42. 196

—	кадровая 43. 50

—	линейная 44

—	построчная 42

—	синусоидальная 45

—	спиральная 45

—	строчная 50

—	чересстрочная 42

— шаговая 46

Разложение изображения 43

Разрешающая способность глаза 14.

35

---системы 32

Растр телевизионный 43

Регистр сдвиговый 72

Резкость изображения 27

Рельеф потенциальный 60

Реставрация изображения 122

Сигнал изображения 47, 140
— полный телевизионный 140

—	синхронизации 141

Синхрогенераюр 139

Система телевизионная автоматиче-
ская 8, 143

—	— ммкнутая 7

—	— измерительная 7

---импульсная 200

—	— малокадровая 194

—	— наблюдательная (информаци-
онная, обзорный) 7

—	— подводная 189

—	— снектрозональная 197

—	— фототелевизионная 195

—	— цифровая 121

Сопротивление шумовое 116

Составляющая видеосигнала посто-
янная 48

Спектр видеосигнала 49

Стробоскоп телевизионный 198

Супервидикон 64

Суперкремникон 65

Счетчик двоичный 145

Телевидение голографическое 169
— космическое 192

—	объемное (стереоскопическое) 165

—	ирикладно,' 7

—	промышленное 172

—	цветное 147

Телевизионная ЛИВИЯ 26

Ток темновой 61

Тон цветовой 148

Треугольник цветовой 150

Триникои 157

Трцнитрон 161

Уровни видеосигнала 48

Устройства памяти 125

Фоком 85

Формат изображения 52

—	оптический матрицы ПЗС 73

Фот шреобразовптель твердо-тельный
68

Функция передачи модуляции 28

Характеристика амплитудная 101, 105

—	амплитудно-частотная 101

—	апертурная 63, 113

—	градационная 29

—	модуляционная 19, 95

—	накопления 75

—	переходная 25

—	пространственно-частотная 25

—	светосигнальная 62. 77. 89

—	спектральная 75. 89

—	частотно-контрастная 27. 95

Хромотрон 162

Частота мерцанпй 39

—	смены кадров 39

—	‘трок 50

Четкость изображения 33

Число градаций яркости 37

—	строк разложения 44

—	элементов разложения 121

Чувствительность глаза контрастная

13. 17, 31

—	системы контрастная 40

--- световая 41

—	— энергетическая 40

Шумы подающих трубок класса ви-
дикон 63

—	приборов с зарядовой связью 77

Экран жидкокристаллический 163

—	кинескопа 96, 159

—	Плазменный 165

Элемент развертывающий 47

Яркость адаптации 22

—	изображения средняя 96 221

Ячейка жидкокристаллическая 163

Издательство «Политехника» ро1у1есЬгнс5.ги
ГЕННАДИЙ НИКОЛАЕВИЧ ГРЯЗИН, доктор технических паук. профес-
сор кафедры оптико-электронных приборов п систем Санкт-Петербургского
государственного университета информационных технологий, механики и
оптики. Выпускник ЛНТМО (1953).

Специалист в области прикладного телевидения, в частности систем на-
блюдения за быстподвижутцимися объектами и быстропротекающнми про-
цессами. Участвовал в ряде НИР и ОКР по заказам ВМФ и ВПК. Читает
лекции по дисциплинам: «Телевизионные системы», «Прикладное телевиде-
ние и телевизионно-вычислительные комплексы,. Автор более 90 научных
работ (в том числе двух монографий и одного учебника), а также 13 изобре-
тений.

НАДЕЖДА КОНСТАНТИНОВНА МАЛЬЦЕВА, кандидат технических
наук, доцент кафедры оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петер-
бургского государственного университета информационных технологий, ме-
ханики и оптики. Специалист в области прецизионной инфракрасной фото-
метрии.

После окончания Ленинградского института точной механики и оптики
(1978) работает в >том вузе.

Ведет занятия по курсам •Источники и приемники излучения». «Опти-
коэлектронные приборы». Является членом комитета по образованию в оп
тике международного общества 8Р1Е Автор 30 работ, в том число научных
статей, учебно-методических пособий и авторских свидетельств на изобрете-

Издательство По ли техника» ичузу. роМесЬт'сз.ги

ния.
КВЧ 978-5-7325-О992-2

ЭЛЕКТРОННОЕ УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Грязни Геннадий Николаевич,
Мальцева Надежда Константиновна

ОСНОВЫ II СИСТЕМЫ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Главный редактор Е В. Шарова

Редактор Л. М. Манучарян

Переплет художника М Л. Черненко

Технический редактор Т. \1. Жи.чич

Корректор 3. С. Романова

Компьютерная верстка Г М. Каргапольцевой

Подписано в печать 10.02.2011.

Электронных текстовых данных 6,65 Мб.

Электронный текст подготовлен ОАО * Издательство “Политехника

11)1023, Санкт-Петербург. Инженерная ул., д. 6.

упуй-.р>>1у!ее Ьшеа. ш
Книги ИЗДАТЕЛЬСТВА «ПОЛИТЕХНИКА»
можно приобрести по адресу:

191023, Сан кт Петербург, Инженерная ул., д. 6, З й этаж.

Тел./факс: (812) 312 44-95,

(812) 571-61-44.

Часы работы: с 10.00 до 18.00.

Выходные: суббота, воскресенье.

Схема проезда:

Книги ИЗДАТЕЛЬСТВА «ПОЛИТЕХНИКА*
можно заказать:

по е таИ: ^п1|'о>ро1у1есЬтс8.БрЬ.ги

через сайт; \етлгот,ро1уСес)т1с8.ги

— возможна отправка книг «Книга—почтой».

Книги рассылаются покупателям по России и странам СНГ.
Почтовые расходы составляют 40 % и выше ат стоимости
заказанных Вами книг.